泥水盾构掘进过程中的泥水劈裂现象现场试验研究

研究目的：本文通过研究泥水在地层中的劈裂和伸展现象,给出一种地层劈裂抗力的测定方法,从而为泥水盾构掘进过程中泥水压力设定提供参考,防止盾构掘进过程中泥水喷发现象的发生。创新要点：1.给出了地层劈裂抗力的测定方法,并通过现场试验和理论分析得出该方法是可靠的;2.建立了考虑泥水粘性和比重的地层劈裂伸展模型,该模型对现场试验结果有较好的预测;3.结合地层劈裂抗力和泥水劈裂伸展特性给出了盾构掘进过程中泥水压力的设定上限。研究方法：基于现场泥水劈裂试验,通过试验结果分析和理论分析,建立了劈裂压力和劈裂伸展压力的计算模型。通过泥水和地层参数对计算模型的影响分析,给出泥水盾构掘进过程中泥水配比和压力设定选择建议。重要结论：1.本文描述的现场泥水劈裂仪可以用于地层劈裂抗力的测定;2.使用总应力法的劈裂模型能够很好的预测地层的初始劈裂压力;3.考虑泥水粘性和比重的地层劈裂伸展模型对现场试验结果有较好的预测;4.在劈裂伸展的过程中,具有更大比重和粘性的泥水有利于阻止劈裂的进一步伸展,但是对初始劈裂压力的影响不大。5.在实际盾构掘进过程中,泥水劈裂发生后很难阻止其伸展。因此,防止泥水喷发的关键措施在于设定泥水压力上限防止泥水劈裂。     

泥水盾构泥浆性质与泥膜形成试验研究

泥膜是维持泥水盾构开挖面稳定的主要原因,为了解决泥水盾构在高渗透性砂土地层掘进过程中的泥浆配比和渗透成膜问题,自主研发试验装置开展室内试验,采用正交设计的试验方法研究不同变量因素对泥浆粘度和滤水量的影响.试验结果表明,羧甲基纤维素(CMC)是影响泥浆粘度的首要因素,膨水比对泥浆粘度影响有限;滤水量受泥浆比重影响最为显著,随着泥浆比重的提高,泥浆滤水量降低,适当增加粘土粒径可以有易于泥浆渗透成膜.试验结果对泥水盾构施工有指导和借鉴意义.     

成层土中地下水渗流对盾构隧道开挖面稳定影响上限分析（英文）

目的:盾构隧道在成层土中掘进时,地下水渗流容易引起盾构开挖面失稳破坏。本文提出考虑地下水渗流的机动场模型,探讨成层土中地下水渗流规律,研究渗流对开挖面稳定性的影响,并提出渗流条件下成层土中盾构支护压力的计算方法。创新点:1.提出考虑地下水渗流盾构开挖面失稳机动场的模型;2.建立成层土中地下水渗流模型;3.推导考虑地下水渗流的盾构开挖面极限支护压力上限解。方法:1.根据已有工程案例,对渗流条件下成层土中盾构开挖面失稳进行受力分析(图5),并提出开挖面失稳机动场模型(图6);2.通过上限分析,推导得到盾构开挖面失稳极限支护压力计算公式(公式29);3.对成层土中地下水渗流进行数值模拟,并采用理论模型(图15)对渗流规律进行表征;4.研究极限支护压力对地下水渗流因素的敏感性。结论:1.地下水渗流在失稳土体内部产生渗流力作用,在盾构开挖面上也对支护压力产生抵消作用。2.提出成层土中考虑地下水渗流的失稳机动场模型,并推导出极限支护压力上限解;3.在盾构土舱未进行渗透性改良的条件下,成层土中地下水渗流在1200 s内达到稳定,其中,穿越层渗流方向主要为水平向,而覆土层中主要为竖向渗流;4.考虑渗流影响,本文上限解预测的支护压力值更为合理。     

一种模拟膨润土泥浆在砂土中渗透的试验装置（英文）

目的:泥水盾构掘进时通过加压泥浆维持开挖面稳定,泥浆中的小颗粒渗入土体,大颗粒在土体表面堆积形成泥膜。本文研究泥浆的渗透行为和泥膜的渗透系数,提高对泥水盾构维持开挖面稳定机理的认识。方法:1.通过渗透柱试验模拟泥浆在砂土中的渗透;2.通过土体电导率的测定和电镜扫描,观测泥浆在渗透距离内的分布情况;3.假设泥膜厚度不变,通过孔压和渗流量观测泥膜渗透系数随时间的变化情况。结论:1.在泥浆的渗透距离内,泥浆含量沿着渗透方向以对数形式降低,大部分泥浆的细小颗粒集中在约100–300 mm的区域内,这个区域的大小与泥浆压力成正比;2.低渗透性泥膜形成时间约5 mim,泥水盾构掘进过程中,开挖面上来不及形成不透水泥膜。     

市政管网小管径泥水平衡顶管机不同地层刀盘选型技术

依托东莞市水生态建设五期工程常平镇范围管网长6.884km的顶管工程,进行了不同地层泥水平衡顶管机刀盘选型分析。提出了掘进粉细砂层采用垂直平板形刀盘、砂质黏土层采用带中央先行刀的轴锥形面板式刀盘、粉质黏土层选用无刀具螺旋式刀盘,并给出了刀盘结构和刀具配置技术参数,为今后类似工程提供技术借鉴。     

隧道盾构施工掘进控制优化研究

盾构机是城市地铁和隧道施工的主要机械装备,盾构机各项参数的设定对于掘进速度和施工质量影响重大。从盾构机刀盘扭矩和转速、千斤顶总推力、推进速度、螺旋输送机转速和压力、注浆流量和压力、加泥加泡沫流量和压力等参数分析入手,详细分析各项参数的设置对掘进性能的影响。并以北京地铁盾构施工为例,设计各项参数优化的具体实现思路,为盾构施工的科学组织和优化管理提供理论指导。     

曲线盾构隧道施工中土体损失和施工荷载引起地层沉降的理论解析（英文）

目的:盾构掘进引起施工期土体变形的关键影响因素是施工荷载和土体损失。结合曲线盾构隧道施工特点,本文旨在推导由土体损失及施工荷载(开挖面附加推力、盾壳与土体间摩擦力和盾尾注浆压力等)引起的地层竖向变形的计算公式,并研究隧道曲率半径对地层沉降的影响。创新点:1.通过建立曲线盾构隧道掘进模型,推导出三维土体损失引起土体变形的理论公式;2.通过改写Mindlin解,提出作用在空间曲面上的面分布力引起土体变形的理论公式。方法:1.基于半无限体中任意单位空隙变形引起土体变形的镜像法原理,并根据实际三维空间域的积分思想,分别对盾尾处及开挖面处土体损失引起的土体竖向变形进行推导计算;2.基于改写的Mindlin解,推导并计算曲线盾构隧道施工时各施工荷载引起的土体竖向变形;3.与现场监测、数值模拟及已有文献的结果进行对比,验证所提方法的可靠性。结论:1.盾尾整合间隙、摩擦力、注浆压力和开挖面附加推力引起的曲线隧道轴线上方土体的竖向变形曲线不再像直线隧道一样关于隧道轴线对称。2.由于曲线盾构隧道掘进时超挖的需要,各影响因素下总的地表沉降值及横向沉降槽范围都比直线隧道大。3.随着土体深度的增大,各影响因素引起的土体竖向变形的峰值有所增大;总的沉降峰值和偏移量均随隧道曲率半径的减小而增大。     

盾构机掘进通过花岗岩球状风化体施工技术——以广州地铁六号线二期萝香区间工程施工为例

引用广州地铁萝香区间盾构机掘进通过花岗岩球状风化体的案例,对盾构穿越花岗岩球状风化体发育地层的施工风险进行了分析.在施工过程中,采取盾构机掘进参数控制、同步注浆控制、施工监测与二次补充注浆的方法,成功通过花岗岩球状风化体.列举了一些施工中的异常情况和处理措施.     

基于神经网络的地层压力模型及其在防井喷中的应用

根据神经网络的任意非线逼近能力,结合现场实测数据,建立地层孔隙压力的神经网络模型,实时预测地层孔隙中的流体压力,并应用于防井喷控制系统。仿真实验表明,该神经网络模型具有一定的可靠性。     

基于钻孔瓦斯涌出规律的突出危险性预测模型

为提高急倾斜煤层上山掘进过程中煤与瓦斯突出危险性预测的准确性,首先,基于Mohr-Coulomb准则建立钻孔瓦斯流动模型;其次,通过数值模拟定量分析钻孔瓦斯初始涌出量和瓦斯压力之间的关系;最后,使用ZTL20/1000-Z型矿用隔爆预测装置对贵州洪兴煤矿111707上山掘进面进行现场试验。结果表明：钻孔初始瓦斯涌出量与瓦斯压力呈正相关关系,其相关系数为0.977 3,钻孔初始瓦斯涌出量可以作为预测煤与瓦斯突出的一项参考指标;随着钻孔深度的增加,钻孔初始瓦斯流量会经历“稳定—增加—降低—稳定”4个阶段,钻孔瓦斯流量峰面积可以反映煤与瓦斯突出危险性。     

盾构机下穿既有铁路引起的地表沉降分析

盾构机对于隧道开挖具有重要意义,而盾构过程中引起的地表沉降具有重大危害,因此必须监测.以罗汉山2#竖井～福州火车站站区间采用矿山法加盾构法施工为例,采用数值模拟和现场监测对盾构过程中沉降进行监测.监测结果表明:沉降点累计最大沉降值为-7.12mm;日隆沉最大值为+4.23mm,均在地表沉降范围之内,建筑物监测点累计隆沉最大点累计沉降值为-9.39mm;日隆沉最大点隆沉为-3.29mm,盾构掘进的过程中,地面沉降主要发生在刀盘位置及盾尾的位置,盾构机掘进过程中对土体的扰动范围基本与隧道埋深相当.     

列车荷载对下穿盾构隧道影响的模型试验

为研究地面线路运营对下穿盾构隧道结构的影响规律,基于相似比理论建立室内大型试验模型,模拟上部列车荷载作用下土层及其内部盾构隧道结构的受力变形过程,总结变形规律。结果表明,模型试验能够较好地反映外部荷载影响下土层以及内部盾构隧道结构的受力和变形特性;地表列车荷载在土层传递过程中,同一层面上沿地面线路方向的土压力大于两侧土压力,远离线路的地层受列车荷载影响相对较小,同一竖向截面土压力变化量由上至下逐渐减小,即外部荷载对浅层土的影响明显大于深层土;盾构隧道在地表列车行驶过程中,环向出现背车面受拉迎车面受压的受力特性,呈斜向压扁,纵向应变从中间交叉点向盾构隧道两侧逐渐减小,呈下凹压弯;盾构隧道埋深越小,受地表荷载影响越显著,增大一倍埋深对应纵向应变最大值减小约44.5%。     

盾构施工参数对地层变形的影响

以南宁地铁一号线南湖段下穿隧道为工程背景,建立隧道开挖的三维有限元模型,通过数值分析,得到盾构施工过程中地层变形的分布规律,讨论盾构施工过程中注浆压力对地表沉降、水平位移及拱顶位移的影响,分析掌子面压力对地表隆起的影响规律。研究结果表明,注浆压力对地表变形会产生明显的影响,随着注浆压力的增大,地表沉降及水平位移明显减小。当掌子面压力大于0.1 MPa时,会引起掌子面前方土体产生向上的位移,地表隆起量随掌子面压力的增加而增大。     

基于神经网络的柴油机故障诊断研究

本文给出了神经网络模型在预测过程中的学习算法和改进的神经网络的训练算法,并用于柴油发动机运行中的故障预测,经过多种柴油机的试验证明试验结果满意,对故障的实时检测有重要意义,具有良好的应用前景.     

箱式封闭地层水平气井产能方程的研究与应用

国内外关于水平井产能的研究成果已经非常丰富,但传统水平井模型的建立都基于无限大地层或椭圆形地层。传统模型对于实际气藏中如河流相沉积为主的储层则不适用,这类气藏更适合建立箱式封闭地层模型。根据已有的气体不稳定渗流基本微分方程,求解点源的不稳定渗流问题,通过积分叠加方法给出整个水平井段的压力分布,得到了在整个箱式封闭地层中拟稳态下水平气井的产能方程,为现场计算矩形无底水砂岩气藏中的水平气井产能提供了理论依据。     

盾构开挖顶推力对下平行隧道影响的数值分析

以滨海软土地层中盾构隧道平行上穿既有隧道为背景,通过数值仿真软件对开挖动态过程进行了精细化模拟,研究盾构隧道施工顶推力对周边地层及其内部既有隧道受力变形的影响。结果表明,在新建隧道上穿施工过程中,开挖扰动对地层的影响范围主要集中在距离开挖面-1.0~1.5D区域内(D为盾构隧道外径),扰动效果以新建隧道轴线为中心呈环状向外扩散,盾构顶推力从0.1MPa增至0.4MPa时,地表变形及1.0D范围内地层压力均增大20%以上;新建隧道平行上穿既有隧道过程中,既有隧道断面变形从横向鼓曲变为竖向拉伸,且整体出现上浮现象,顶推力达0.3MPa后,既有隧道拱底和拱顶隆起速度增加,以拱底为基准,顶推力自0.1MPa增加至0.4MPa时,隧道上浮量增大34.2%;施工过程中除保证常规地表变形监测外,对于近接平行上穿施工还需加强对既有隧道竖向变形的监控,必要时采取结构加固措施和施工参数综合调整办法,以降低开挖扰动对周边地层和结构物的影响。     

软硬交错地质盾构空舱模式下土体改良和加固技术

下部硬上部软地质是轨道交通盾构施工棘手问题之一.结合南京轨道交通4号线蒋王庙站-岗子村站区间工程实例,对下部硬上部软地质盾构施工面临的难题进行分析,针对软硬交错地质盾构受力不均、容易形成泥饼、刀具受损率高和施工效率不高等困难,采取空舱模式施工,通过泡沫剂进行土体改良、地层加固技术和防止刀盘被"抱死"的包裹膜技术,以减少...     

土仓压力与掘进参数相关性分析及预测模型

提出一种基于长短期神经网络的深度学习预测模型,依托现场数据对土仓压力进行预测。结果表明,在5个可控因素的基础上,增加与土仓压力具有相关关系的不可控因素作为输入,评价指标平均绝对误差、均方误差分别降低了0.901%、0.021%,校正后的决定系数提高了16%,为土仓压力的精准预测和设定提供了借鉴。     

地应力地震预测方法在南川区块的应用

地应力分布情况是影响页岩储层压裂施工及开采效果的重要因素,基于地震数据的地应力预测可以得到区域应力分布,对区域应力的整体把控及井位部署有重要意义.在前人研究地应力经验模型的基础上,以南川区块为例,开展基于岩石弹性参数、地层孔隙压力、地层应变量等多源信息的三维区地应力预测.结果表明,预测的地应力值与实测值误差率在10％以...     

基于离散元法的基岩潜山型地裂缝易发区预测（英文）

目的:采用离散元法揭示抽水引起的基岩潜山型地裂缝的发育过程,实现对地裂缝易发区的准确预测,为地裂缝灾害的早期预测和防治提供依据。创新点:1.提出采用离散元法模拟抽水引起的地裂缝问题。2.提出依据颗粒连接和水平位移等预测地裂缝的易发区。方法:1.建立一个紧密堆积的二维模型。2.通过地调得到的高程切割模型,构建二维地层模型。3.对不同地层进行材料参数赋值,随后施加重力,并对模型进行平衡。4.模型达到平衡后,采用简化的流固耦合计算方法以及通过调整单元颗粒的浮力来模拟降水过程。5.通过每次运算降低10m地下水位的循环算法模拟在地下水逐渐降低过程中的地裂缝发展。6.通过与现场地调数据进行对比,验证离散元法在地裂缝模拟中的可靠性。结论:1.随着地下水位的下降,由于不均匀沉降而产生的土体弯曲作用是控制地裂缝发育的主要机制。2. MatDEM是一种更可靠、直观的数值模拟方法,可以用于不连续地质体(如基岩潜山型)地裂缝的易发区预测,以及地裂缝的演化过程研究。