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黏土地层泥水劈裂伸展压力及路径试验研究

隧道建设（中英文） 2024年第4期44卷 698-704页

作者：杨公标袁大军陈健王滕韩冰宇中铁十四局集团有限公司山东济南250014 中国铁建水下隧道工程实验室山东济南250014 北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

为解决水下盾构隧道修建过程中由于泥水支护压力过大导致的掌子面前方地层劈裂,以及劈裂发生后如何防止裂缝伸展至水底地表等难题,采用大型三轴劈裂试验平台进行泥水劈裂伸展试验,测得裂缝伸展过程中的泥水压力及裂缝伸展路径,并研究泥... 详细信息

为解决水下盾构隧道修建过程中由于泥水支护压力过大导致的掌子面前方地层劈裂,以及劈裂发生后如何防止裂缝伸展至水底地表等难题,采用大型三轴劈裂试验平台进行泥水劈裂伸展试验,测得裂缝伸展过程中的泥水压力及裂缝伸展路径,并研究泥水黏度及应力状态对伸展压力及路径的影响。结果表明:1)泥水黏度较小时,裂缝伸展过程中劈裂压力基本不变;泥水黏度较大时,裂缝伸展过程中劈裂压力逐渐增大。2)启裂压力和伸展压力均随着泥水黏度的增大而逐渐增大,但增大速度逐渐减小;伸展压力随围压线性增大,但增大速率略小于启裂压力。3)通过对比不同工况下盲孔试样的裂缝倾角可知,裂缝倾角仅与轴压和围压的压差相关。4)实际施工中建议泥水黏度大于21 Pa·s。5)当隧道埋深变化较大时,应实时调整泥水压力。6)当初始劈裂发生后,泥水支护压力会骤降,此时不应过快地补充泥水压力,而应采取加快掘进速度的方法快速通过。

关键词：水下隧道泥水盾构劈裂试验泥水黏度伸展压力裂缝形态

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超大直径水下盾构隧道施工技术进展与展望

现代隧道技术 2024年第2期61卷 124-138页

作者：陈健袁大军苏秀婷王志奎中铁十四局集团有限公司济南250101 中国铁建水下隧道工程实验室济南250101 大盾构隧道智能化建造与装备再制造山东省工程研究中心济南250101 中国海洋大学青岛266100 北京交通大学北京100044

随着“一带一路”、国家海洋战略、区域经济一体化战略布局发展,大批轨道交通、公路、铁路等大型基础设施工程面临着越江跨海的挑战。从南京长江隧道、上海长江隧道、武汉长江隧道的发端,通过引进、消化、实践、再创新盾构技术,促使我... 详细信息

随着“一带一路”、国家海洋战略、区域经济一体化战略布局发展,大批轨道交通、公路、铁路等大型基础设施工程面临着越江跨海的挑战。从南京长江隧道、上海长江隧道、武汉长江隧道的发端,通过引进、消化、实践、再创新盾构技术,促使我国水下盾构隧道技术进入快速发展阶段,一大批已建和在建超级水下盾构隧道工程极大推动了我国乃至世界水下盾构隧道技术的创新、发展和进步,在水下隧道盾构装备、设计、施工、运维等方面突破了一系列技术瓶颈。文章系统阐述了盾构技术三大要素及其内涵,即土水稳定、盾构设备及控制、结构安全与防水,分析了国内外超大直径水下盾构隧道技术现状与发展趋势,总结了近年来超大直径水下盾构隧道技术方面取得的重要创新成果,提出了大直径、长距离、高水压、复杂地质条件下水下盾构隧道工程的技术挑战、对策及工程应用前景。

关键词：超大直径水下盾构隧道研究现状发展趋势技术创新挑战与对策

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考虑动态泥膜效应的盾构开挖面稳定理论研究

岩土力学 2022年第11期43卷 2952-2962页

作者：金大龙袁大军北京交通大学隧道与地下工程教育部工程研究中心北京100044 北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

泥水盾构工法被广泛应用于高压富水复杂地质环境中修筑隧道,其中开挖面稳定控制是工程成败的关键,在盾构掘进时,由于刀盘不断旋转切削地层,开挖面上的泥膜处于“形成―破坏―再形成”的动态循环过程,泥膜透水性增强,这种动态泥膜作用下... 详细信息

泥水盾构工法被广泛应用于高压富水复杂地质环境中修筑隧道,其中开挖面稳定控制是工程成败的关键,在盾构掘进时,由于刀盘不断旋转切削地层,开挖面上的泥膜处于“形成―破坏―再形成”的动态循环过程,泥膜透水性增强,这种动态泥膜作用下开挖面的稳定如何评价有待于进一步探索。对此,对泥水盾构掘进过程中的动态泥膜进行了分类,提出了考虑盾构运动和泥浆渗滤特征的动态泥膜理论。在此基础上,采用空间离散法将泥水压力引入旋转体模型,建立了考虑动态泥膜效应的开挖面稳定力学模型,提出了泥水盾构动态掘进过程中开挖面临界泥浆压力及泥浆支护效率评估方法,研究指出:当盾构在强渗透性地层中掘进时,在尽量提高泥浆成膜率的同时,应注重泥浆黏度调节,充分发挥渗透力支护作用,同时可适当提高盾构掘进速度并降低刀盘转速,有利于开挖面稳定控制。以泥浆成膜率、等效渗透系数为依据给出了泥浆支护效率设计图,研究工作对盾构掘进支护压力控制和泥浆配置有一定的借鉴意义。

关键词：泥水盾构动态泥膜效应开挖面稳定支护效率泥浆配比

盾构静-动态泥浆渗滤成膜及支护效率控制方法

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中国公路学报 2022年第12期35卷 154-167页

作者：金大龙袁大军毛家骅北京交通大学隧道与地下工程教育部工程研究中心北京100044 北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

近年来,泥水盾构在越江跨海隧道中被广泛应用,隧道开挖面“泥浆-土水”相互平衡作用是工程安全的关键。盾构泥浆能否成膜、动态掘进泥膜是否存在、动态泥膜如何发挥支护作用等问题受到广泛关注,理清这些问题是保障开挖面稳定的基础。对... 详细信息

近年来,泥水盾构在越江跨海隧道中被广泛应用,隧道开挖面“泥浆-土水”相互平衡作用是工程安全的关键。盾构泥浆能否成膜、动态掘进泥膜是否存在、动态泥膜如何发挥支护作用等问题受到广泛关注,理清这些问题是保障开挖面稳定的基础。对此,基于多相流理论提出了泥浆“渗滤-成膜-生长”瞬态力学模型,探明了泥浆的流体特性和地层的水力传导性质的时空变化规律,揭示了盾构停机静态成膜和掘进动态成膜机制,并通过静、动态成膜2个实例计算验证了理论方法的适用性。研究结果表明:盾构静态停机状态下通常为全断面泥膜,泥浆以面力形式进行支护,盾构掘进时表现为动态局部泥膜,泥浆压力可较长距离前向传递,以渗透力的形式发挥作用;盾构掘进时开挖面泥膜分布为多辐扇形的局部泥膜,可分为泥膜渐变区和无泥膜区,无泥膜区域靠近先行刀臂,随着刀盘转速的增加,泥膜的厚度和泥膜面积逐渐减小;实际工程中,可以从泥浆材料和掘进参数两方面提升泥浆的支护作用,一方面根据地层-泥浆粒径比和泥浆黏度双控指标进行泥浆配置,另一方面宜降低盾构刀盘转速,同时适当增加掘进速度,充分发挥局部泥膜的支护作用,提高泥浆的支护效率和开挖面的稳定性。研究成果对泥水盾构施工安全有一定的指导意义。

关键词：隧道工程泥水盾构渗滤理论动态泥膜成膜判据支护效率

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软岩地层泥水盾构掘进刀盘堵塞现象研究

中国公路学报 2022年第4期35卷 177-185页

作者：袁大军毛家骅王将王小宇北京交通大学隧道与地下工程教育部工程研究中心北京100044 北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 宁波工程学院建筑与交通工程学院浙江宁波315211

软岩地层(黏性矿物含量高)泥水盾构掘进刀盘堵塞现象(刀盘结泥饼)时有发生,不仅影响施工进度和质量,而且开舱处理风险较大,可能会导致人身伤亡或工程事故。为了探明刀盘堵塞现象及其影响因素,实现对刀盘堵塞的有效预防和治理,研发了一... 详细信息

软岩地层(黏性矿物含量高)泥水盾构掘进刀盘堵塞现象(刀盘结泥饼)时有发生,不仅影响施工进度和质量,而且开舱处理风险较大,可能会导致人身伤亡或工程事故。为了探明刀盘堵塞现象及其影响因素,实现对刀盘堵塞的有效预防和治理,研发了一套软岩地层泥水盾构掘进模型试验装置。在自行设计、制作的模型试验平台上,选用以膨润土、高岭土、石英砂、水泥和水为原材料制备的人工软岩模拟实际工程中的软岩地层,分别采用不同人工软岩类型、盾构掘进速度、刀具突起高度及形式和泥水(清水)冲刷流量等进行盾构掘进模拟,实现刀盘堵塞现象的室内再现。通过分析盾构扭矩、推力和掘进距离间的关系,提出以扭矩指数和扭矩指数在盾构掘进距离上的增长率为指标的盾构掘进期刀盘堵塞现象发生的判断依据。试验结果表明:当模型盾构扭矩指数为0.10 m,且增长率达到0.40时,刀盘即发生堵塞;盾构掘进速度的增大,容易导致刀盘堵塞现象的发生;而刀具突起高度的降低和在刀盘面板中心设置泥水冲刷装置,对防止盾构刀盘堵塞具有较好的效果,需要说明的是,当采用泥水冲刷刀盘面板时,冲刷流量需足够大,才能确保其可对黏附在刀盘面板上的渣土进行有效剥离和输运。

关键词：隧道工程刀盘堵塞模型试验泥水盾构软岩堵塞预测

黏土地层盾构隧道开挖面失稳离心试验及数值模拟

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天津大学学报（自然科学与工程技术版） 2023年第5期56卷 503-512页

作者：雷华阳刘敏钟海晨许英刚袁大军天津大学建筑工程学院天津300354 滨海土木工程结构与安全教育部重点实验室天津300354 北京交通大学土木建筑工程学院北京100091

通过开展离心模型试验和数值模拟,对黏土地层中盾构隧道开挖面的失稳破坏特征进行了研究.通过开挖面支护力-开挖面板后退位移关系曲线,获得了开挖面支护力呈快、缓和稳的3阶段变化特征,开挖面支护力-位移曲线中未呈现支护力反弹现象,比... 详细信息

通过开展离心模型试验和数值模拟,对黏土地层中盾构隧道开挖面的失稳破坏特征进行了研究.通过开挖面支护力-开挖面板后退位移关系曲线,获得了开挖面支护力呈快、缓和稳的3阶段变化特征,开挖面支护力-位移曲线中未呈现支护力反弹现象,比对应砂土地层更慢达到极限值,极限支护力值为5%~7%初始竖向土压力.地表沉降在开挖面失稳过程持续增加;埋深比为1.0时,横向地表沉降槽形状变化明显.在隧道中心轴线高度处,纵向土压力沿纵向随远离隧道截面距离逐渐增大,纵向土拱率值逐渐增大,且远小于对应竖向土拱率值.根据盾构开挖面失稳过程中竖向土压力沿深度变化曲线、纵向土压力沿掘进方向变化曲线,以及横向土压力沿横向变化曲线的拐点可得到失稳松动区和扰动区的范围.埋深比为1.0时,在隧道中心轴线水平面内隧道截面前方0.5D以外区域,纵向土压力和横向土压力的变化比竖向土压力更加显著.相比传统开挖面失稳分析中仅对竖向土压力变化规律进行的研究,提出应同时研究三向土压力的时空变化规律.

关键词：盾构隧道开挖面失稳离心模型试验数值模拟黏土

推拼同步中考虑盾构位姿的推力重分配计算方法

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中国公路学报 2023年第6期36卷 157-170页

作者：王旭阳袁大军金大龙姚占虎成晓青北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044 北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 中交隧道工程局有限公司北京100102

盾构推拼同步技术的关键是盾构推进系统存在缺位油缸时,如何重新分配其余推进油缸的推力,从而保证盾构位姿(位置、姿态)和速度的可控。为此,提出了一种盾构推拼同步模式下可考虑盾构掘进位姿的推进系统分区推力重分配计算方法。从力学... 详细信息

盾构推拼同步技术的关键是盾构推进系统存在缺位油缸时,如何重新分配其余推进油缸的推力,从而保证盾构位姿(位置、姿态)和速度的可控。为此,提出了一种盾构推拼同步模式下可考虑盾构掘进位姿的推进系统分区推力重分配计算方法。从力学模型上揭示了推拼同步模式下盾构推力重分配原理,建立了可考虑盾构位姿、不同分区模式的推拼同步分区推力重分配方程,给出了相应的重分配分区推力优化方法。最后结合某盾构隧道工程案例,探究了不同缺位油缸组、不同掘进位姿状态以及推进系统不同分区模式等因素对重分配推力的影响规律,验证了所提方法的有效性。结果表明:缺位油缸组使与其相邻的分区油缸由于代偿作用承担更大的推力,与缺位油缸组相对的分区油缸承担较小的推力;盾构位姿参数中y、z增加会使等效驱动力■的Fx分量减小,在对应方向上的Fy和Fz分量增加;滚动角ψ增加会使Fx分量减小,Mx分量呈线性增大。盾构位姿参数俯仰角θ和偏航角Φ的增加分别会引起上下分区推力差和左右分区推力差的增大。盾构推进系统分区数量主要影响重分配分区推力曲线的均匀程度。所提出的分区推力重分配方法误差在10-14以下。研究成果对盾构推拼同步中推力重分配具有一定的指导意义。

关键词：隧道工程推力重分配力学模型推拼同步盾构位姿推力优化

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盾构气压开舱条件下的泥膜闭气失效理论研究

岩土力学 2023年第5期44卷 1395-1404,1415页

作者：蔡博文金大龙李兴高袁大军陈健杨公标北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044 北京交通大学土木建筑工程学院北京100044 中铁十四局集团有限公司山东济南250101 中国铁建水下隧道工程实验室山东济南250220

近年来,泥水盾构工法在越江跨海隧道中被广泛应用,在泥水盾构施工过程中,带压开舱始终是一个高风险、高难度技术环节。盾构带压开舱能否成功的关键在于泥膜的闭气性能。然而,一直以来泥膜闭气破坏机制、闭气时间及其影响因素从理论上较... 详细信息

近年来,泥水盾构工法在越江跨海隧道中被广泛应用,在泥水盾构施工过程中,带压开舱始终是一个高风险、高难度技术环节。盾构带压开舱能否成功的关键在于泥膜的闭气性能。然而,一直以来泥膜闭气破坏机制、闭气时间及其影响因素从理论上较少探讨。对此,首先考虑了气体对泥膜中孔隙水的驱替作用,建立了泥膜压气从渗流启动-击穿渗透带的多相流模型,提出了泥膜压气渗水量和闭气时间评估方法;然后开展了室内渗透柱泥膜压气破坏试验,验证了所提出理论方法的适用性;最后探讨了气压、地层参数、泥膜厚度、泥浆剪切强度等参数对闭气时间的影响规律,揭示了盾构带压开舱以“泥皮为主、渗透带为辅”的闭气作用。研究成果对泥水盾构带压开舱的安全保障有一定的借鉴意义。

关键词：泥水盾构带压开舱泥膜闭气时间闭气性能

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盾构俯仰角变化对盾构-土相互作用影响研究

岩土力学 2020年第4期41卷 1366-1376页

作者：沈翔袁大军北京交通大学城市地下工程教育部重点实验室北京100044 北京交通大学隧道与地下工程教育部工程研究中心北京100044 北京交通大学土木建筑工程学院北京100044

盾构姿态改变过程中盾构-土相互作用是复杂的多相耦合问题。针对盾构俯仰角这一关键姿态参数,基于地基反力曲线,通过等效土体弹簧简化了盾构-土相互作用关系,从而建立了盾构-土相互作用模型。通过改进的Terzaghi松动土压力计算方法,解... 详细信息

盾构姿态改变过程中盾构-土相互作用是复杂的多相耦合问题。针对盾构俯仰角这一关键姿态参数,基于地基反力曲线,通过等效土体弹簧简化了盾构-土相互作用关系,从而建立了盾构-土相互作用模型。通过改进的Terzaghi松动土压力计算方法,解决了盾构-土相互作用初始边界问题。基于以上研究成果,得到了盾构俯仰角理论计算方法,并对垂直基床系数以及上软下硬地层等因素对盾构-土相互作用的影响进行了分析和讨论。结果表明:上软下硬地层不利于盾构姿态的控制,对于盾构姿态控制的要求更高。最后,结合济南地铁R2线盾构隧道工程对俯仰角的实测数据进行了对比分析,结果表明,由于千斤顶施加的偏转弯矩无法完全作用于盾构,导致实测值普遍略小于理论值。盾构俯仰角的理论计算方法可为盾构姿态控制提供理论指导。

关键词：盾构俯仰角盾构姿态相互作用