盾構(gòu)隧道的理論研究與施工實踐

前言

　　張厚美作者，是從事地鐵盾構(gòu)隧道施工技術(shù)項目管理工作和研究的教授級高工。十多年來參加過廣州地鐵二號線、三號線、五號線、二八號線延長線等許多盾構(gòu)施工項目的建設(shè)，并進行工程的研究和創(chuàng)新。尤其可喜的寫出了這本以工程為依托，從實踐上升到理論真諦總結(jié)的書，是很有價值的。　　一個工程，就是一個1：1的科學(xué)實驗，這種實驗是可信的，遠遠優(yōu)于小比例的模擬試驗，因每項工程都可總結(jié)出“對”與“錯”，該修改的、有創(chuàng)新的、產(chǎn)生新理念的許多可貴的知識火花。及時把這些總結(jié)出來是我們的責(zé)任，是對工程科學(xué)的貢獻，作者這種精神是可敬的，是值得學(xué)習(xí)的。　　我愿意為這樣的書寫“序”，其意義、水平遠大于在計算上拼湊的文章和快速出的書?！　∽髡呒┦?、博士后期間的研究內(nèi)容和水平，結(jié)合在第一生產(chǎn)線，不怕辛苦、滾爬在工地上去解決一個個難題，研發(fā)出一系列成果，這種學(xué)習(xí)是為了應(yīng)用，應(yīng)用是為了干好工程，這才是一個工程科技人員生長之路，我很欣賞這樣的模式，希望廣大讀者都能像作者那樣勤學(xué)、勤用、勤思考、勤總結(jié)、多創(chuàng)新的工作和生活。　　全書內(nèi)容豐富、圖文并茂、論述流暢，尤其廣州一批有志之士對廣州這個地質(zhì)相當(dāng)復(fù)雜的地鐵工程，應(yīng)用盾構(gòu)和淺埋暗挖法配合，解決了屬于世界性的一系列技術(shù)難題，他們在困難折磨，施工艱辛的過程中，享受到了探索難題過程的興趣和自豪。一本書不追求系統(tǒng)性、要追求一個個技術(shù)難題的提出背景和解決思路辦法；不追求理論的深奧，而追求從工程實踐中找出規(guī)律、找出簡單的理論去解決復(fù)雜的問題；一本書的印出要給人啟示，給人應(yīng)用而不是束之高閣。　　作者這本書，在裝配整體式雙層襯砌荷載試驗方面；在盾構(gòu)刀盤及刀具優(yōu)化配置、刀具磨損檢測方面；在盾構(gòu)機姿態(tài)參數(shù)測量、計算方法和應(yīng)用方面；在盾構(gòu)施工廢水凈化處理應(yīng)用方面等都有很大創(chuàng)新，并具有國際先進水平的工程范例?！　∠Ｍ麖V大青年的科技作者，多讀書，但一定要讀好書，讀有利于啟示思考方法的好書?！岸軜?gòu)隧道的理論研究與施工實踐”是一本好書?？晒氖滤淼兰暗叵鹿こ?、軌道交通、盾構(gòu)制造等領(lǐng)域的設(shè)計、施工、管理人員、科技人員及大專院校師生的技術(shù)參考和應(yīng)用指南。

內(nèi)容概要

本書是作者從事盾構(gòu)隧道課題研究、現(xiàn)場試驗以及盾構(gòu)施工項目管理工作10余年的理論研究與施工實踐的總結(jié)。全書按研究領(lǐng)域分為襯砌結(jié)構(gòu)計算理論、盾構(gòu)施工理論分析與現(xiàn)場試驗、盾構(gòu)附屬工程計算實例及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)等三篇，共26章。主要內(nèi)容包括：盾構(gòu)隧道管片接頭荷載試驗、盾構(gòu)管片接頭受力與變形的三維有限元分析、盾構(gòu)隧道一次襯砌和雙層襯砌結(jié)構(gòu)計算理論、掘進機掘進性能數(shù)值仿真模擬、盾構(gòu)機刀盤刀具優(yōu)化布置、硬巖盾構(gòu)隧道盤形滾刀損壞機理的力學(xué)分析與應(yīng)用、盾構(gòu)施工引起的地面沉降數(shù)學(xué)模型、盾構(gòu)掘進參數(shù)數(shù)學(xué)模型、線路轉(zhuǎn)彎引起的盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)扭轉(zhuǎn)力學(xué)分析、盾構(gòu)隧道圍巖壓力及管片內(nèi)力與變形的現(xiàn)場監(jiān)測試驗研究、盾構(gòu)隧道主要質(zhì)量問題及原因分析、盾構(gòu)施工廢水凈化處理及再利用研究以及盾構(gòu)附屬工程相關(guān)計算實例等。
目前，我國盾構(gòu)隧道中采用二次襯砌的工程還很少，大多數(shù)情況下，二次襯砌的內(nèi)力計算在設(shè)計中被省略，作為承載結(jié)構(gòu)的二次襯砌的受力計算方法還不成熟。具有內(nèi)襯的盾構(gòu)隧道雙層襯砌結(jié)構(gòu)計算理論在國內(nèi)還少有人研究，本書可以提供有益的參考；此外，國內(nèi)盾構(gòu)機絕大部分依靠進口，對刀盤、刀具布置研究很少，掘進機掘進性能數(shù)值仿真模擬則填補了國內(nèi)這個領(lǐng)域的技術(shù)空白，對盾構(gòu)機刀盤刀具設(shè)計及優(yōu)化布置具有重要參考價值。
本書可供從事土木工程、城市軌道交通、隧道工程、盾構(gòu)機制造等領(lǐng)域設(shè)計與施工的工程技術(shù)人員、科研人員以及大專院校相關(guān)專業(yè)師生作為技術(shù)參考資料。

作者簡介

　　張厚美（1966－），男，福建人。博士（后）、教授級高級工程師，注冊一級建造師、注冊安全工程師。2000年畢業(yè)于上海同濟大學(xué)地下建筑與工程系，獲工學(xué)博士學(xué)位?，F(xiàn)在廣州市盾建地下工程有限公司從事地鐵盾構(gòu)隧道施工技術(shù)研究和施工項目管理工作?！　⒓舆^廣州市軌道交通二號線、三號線、四號線、五號線、二八線等多個盾構(gòu)工程施工項目建設(shè)，在施工項目一線從事巖土工程、盾構(gòu)隧道工程施工技術(shù)研究及施工項目管理工作10余年。歷任項目技術(shù)員、項目副總工、項目總工、項目經(jīng)理、公司技術(shù)部經(jīng)理、副總工程師、總工程師等職務(wù)。主要專業(yè)特長：施工技術(shù)管理、施工項目管理、盾構(gòu)技術(shù)研發(fā)、盾構(gòu)隧道的結(jié)構(gòu)計算分析、數(shù)值仿真模擬、工程數(shù)據(jù)庫應(yīng)用軟件開發(fā)等?！　≈鞒?、參加過10余項課題研究工作，獲得廣東省科學(xué)技術(shù)獎二二等獎1項、廣州市科學(xué)技術(shù)獎一等獎、二等獎、三等獎各1項、廣東省企業(yè)管理現(xiàn)代化優(yōu)秀成果二等獎1項、中建總科技進步獎二等獎1項；有4項專利獲得國家專利局授權(quán)；有3項成果獲批為省級工法?！　?zhí)筆撰寫了40余篇（第一作者）論文，其中有2篇論文被評為省級優(yōu)秀論文，有7篇論文被評為院局級優(yōu)秀論文，有8篇論文被EI收錄。

書籍目錄

第一篇盾構(gòu)隧道管片接頭荷載試驗與結(jié)構(gòu)計算理論
緒論
第1章圓形隧道襯砌結(jié)構(gòu)計算理論概述
1.1襯砌結(jié)構(gòu)計算理論的發(fā)展歷史
1.2襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計模型的分類
1.3襯砌結(jié)構(gòu)計算模型的評析
1.4襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計現(xiàn)狀及研究方向
1.5本章小結(jié)
第2章盾構(gòu)隧道管片接頭荷載試驗研究
2.1接頭荷載試驗概況
2.2試驗設(shè)備與方法
2.3管片接頭試驗成果分析
2.4接頭抗彎剛度的經(jīng)驗公式
2.5本章小結(jié)
第3章盾構(gòu)隧道管片接頭試驗的數(shù)值模擬
3.1襯墊材料的壓縮回彈試驗
3.2接頭力學(xué)模型的建立
3.3接頭力學(xué)模型的驗證
3.4接頭力學(xué)特性的模擬
3.5本章小結(jié)
第4章盾構(gòu)隧道一次襯砌力學(xué)計算模型
4.1常用計算方法概述
4.2梁-非線性彈簧模型的建立與驗證
4.3穿黃隧洞一次襯砌受力計算
4.4若干參數(shù)對襯砌內(nèi)力的影響
4.5本章小結(jié)
第5章雙層襯砌接頭荷載試驗及相互作用模型
5.1雙層襯砌接頭荷載試驗設(shè)計
5.2雙層襯砌接頭試驗結(jié)果分析
5.3內(nèi)外襯砌截面內(nèi)力分配計算
5.4接合面相互作用模型的提出及驗證
5.5不同模型對計算結(jié)果的影響
5.6本章小結(jié)
第6章盾構(gòu)隧道雙層襯砌力學(xué)計算模型
6.1雙層襯砌設(shè)計技術(shù)現(xiàn)狀
6.2雙層襯砌力學(xué)模型的建立
6.3穿黃隧洞雙層襯砌聯(lián)合受力計算
6.4不同模型的計算結(jié)果對比
6.5考慮內(nèi)外襯頂拱初始縫隙的內(nèi)力計算
6.6本章小結(jié)
第7章盾構(gòu)隧道管片接頭三維有限元分析
7.1概述
7.2有限元分析軟件的選取及簡介
7.3有限元分析模型的建立
7.4計算結(jié)果分析
7.5本章小結(jié)
第8章研究成果總結(jié)及展望
8.1主要研究成果
8.2主要研究結(jié)論
8.3發(fā)展趨勢及有待研究的內(nèi)容
第二篇盾構(gòu)施工的理論分析、數(shù)值仿真及試驗研究
第9章硬巖掘進機(TBM)的掘進性能數(shù)值仿真
9.1常用預(yù)測模型簡介
9.2切削力模型
9.3掘進參數(shù)計算
9.4計算實例——秦嶺隧道TB880E隧道掘進機
9.5關(guān)于TB880E滾刀布置優(yōu)化的討論
9.6本章小結(jié)
第10章混合式盾構(gòu)機的掘進性能數(shù)值仿真
10.1混合式盾構(gòu)機的特點及應(yīng)用情況
10.2切削力計算模型
10.3仿真計算實例
10.4本章小結(jié)
第11章盾構(gòu)機刀盤刀具優(yōu)化布置探討
11.1盾構(gòu)機及使用概況
11.21638號盾構(gòu)機刀具布置存在的問題
11.3刀具布置調(diào)整方案
11.4純滾刀方案切削參數(shù)計算結(jié)果
11.5混合刀具方案切削參數(shù)計算結(jié)果
11.6本章小結(jié)
第12章硬巖中盾構(gòu)機刀具磨損的檢測方法
12.1刀具失效的判斷方法
12.2運用掘進參數(shù)檢測滾刀失效的原理
12.3滾刀磨損或失效的判斷方法
12.4應(yīng)用實例
12.5本章小結(jié)
第13章硬巖盾構(gòu)隧道滾刀損壞機理的力學(xué)分析與應(yīng)用
13.1引言
13.2滾刀損壞的主要形式及原因
13.3滾刀損壞機理的力學(xué)分析
13.4滾刀不轉(zhuǎn)或過載的臨界貫人度計算
13.5計算結(jié)果分析及應(yīng)用示例
13.6本章小結(jié)
第14章線路轉(zhuǎn)彎引起的盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)扭轉(zhuǎn)機理分析
14.1概述
14.2施工條件及襯砌環(huán)扭轉(zhuǎn)概況
14.3彎道段襯砌環(huán)扭轉(zhuǎn)機理分析
14.4計算結(jié)果及分析
14.5本章小結(jié)
第15章盾構(gòu)隧道施工引起的地面沉降數(shù)學(xué)模型研究
15.1工程背景
15.2沉降觀測方法
15.3沉降槽分布模型
15.4沉降隨時間的發(fā)展模型
15.5沉降量概率分布的統(tǒng)計分析
15.6本章小結(jié)
第16章硬巖盾構(gòu)隧道主要質(zhì)量問題及原因分析
16.1概述
16.2硬巖盾構(gòu)隧道常見質(zhì)量問題
16.3質(zhì)量問題的原因分析
16.4減少隧道質(zhì)量問題的主要措施
16.5本章小結(jié)
第17章土壓平衡式盾構(gòu)掘進試驗及數(shù)學(xué)模型研究
17.1工程概況
17.2盾構(gòu)掘進試驗
17.3盾構(gòu)掘進速度數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)
17.4刀盤扭矩數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)
17.5掘進參數(shù)對掘進速度和扭矩的影響分析
17.6本章小結(jié)
第18章盾構(gòu)隧道圍巖壓力的現(xiàn)場監(jiān)測試驗研究
18.1研究背景
18.2監(jiān)測斷面的地質(zhì)條件
18.3監(jiān)測元件及布置
18.4監(jiān)測結(jié)果及分析
18.5圍巖壓力監(jiān)測值與理論值的對比
18.6本章小結(jié)
第19章管片內(nèi)力與變形的現(xiàn)場監(jiān)測試驗研究
19.1概述
19.2管片襯砌結(jié)構(gòu)
19.3監(jiān)測斷面的布置
19.4測量元件及埋設(shè)
19.5試驗監(jiān)測結(jié)果
19.6監(jiān)測結(jié)果的計算分析
19.7本章小結(jié)
第三篇盾構(gòu)隧道附屬工程及相關(guān)應(yīng)用技術(shù)研究
第20章盾構(gòu)施工對建筑物基礎(chǔ)沉降影響的評估
20.1工程概況
20.2地表沉降常用計算方法評析
20.3地表沉降影響范圍計算
20.4本章小結(jié)
第21章地鐵車站頂部龍門吊軌道基礎(chǔ)設(shè)計計算
21.1工程概況
21.2車站頂板上部龍門吊軌道基礎(chǔ)設(shè)計計算
21.3車站結(jié)構(gòu)外側(cè)龍門吊樁基軌道梁設(shè)計計算
21.4本章小結(jié)
第22章大跨度地鐵車站頂板臨時支撐設(shè)計與安裝
22.1工程概況
22.2加固方法
22.3設(shè)計計算
22.4鋼管支撐的制作、安裝
22.5本章小結(jié)
第23章地下連續(xù)墻泥漿槽壁穩(wěn)定的分析
23.1破壞體模型及其受力分析
23.2破壞體尺寸及安全系數(shù)的計算
23.3不同方法計算結(jié)果的對比
23.4各種因素對槽壁穩(wěn)定的影響
23.5本章小結(jié)一
第24章盾構(gòu)機姿態(tài)參數(shù)的測量及計算方法研究
24.1概述
24.2盾構(gòu)姿態(tài)參數(shù)的描述
24.3盾構(gòu)姿態(tài)的常用測量方法
24.4盾構(gòu)姿態(tài)的測量及計算方法
24.5測量精度評價
24.6應(yīng)用實例
24.7本章小結(jié)
第25章盾構(gòu)施工污水凈化處理及再利用研究
25.1研究背景
25.2研究內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)
25.3污水處理試驗及處理工藝選擇
25.4施工污水處理流程設(shè)計
25.5實施情況及主要技術(shù)創(chuàng)新
25.6效益分析及應(yīng)用前景分析
25.7項目推廣應(yīng)用可行性研究
25.8本章小結(jié)
第26章盾構(gòu)技術(shù)在廣州地鐵的應(yīng)用與發(fā)展
26.1盾構(gòu)的起源及發(fā)展
26.2廣州地鐵的規(guī)劃及發(fā)展回顧
26.3廣州地鐵盾構(gòu)技術(shù)的特點與發(fā)展
26.4本章小結(jié)
后記

章節(jié)摘錄

　　在廣泛進行資料調(diào)研后，從接頭荷載試驗人手，通過對大量試驗數(shù)據(jù)的整理、分析，以對接頭的受力機理和接縫受力與變形規(guī)律有感性認識。在此基礎(chǔ)上，抽象出接頭的力學(xué)模型，建立接頭抗彎剛度的理論評價方法和雙層襯砌的相互作用模型，并用試驗數(shù)據(jù)對模型的正確性和準(zhǔn)確度進行對比驗證；將試驗中建立的接頭力學(xué)模型推廣應(yīng)用到整環(huán)襯砌受力計算中，得到了圓形裝配式一次襯砌計算的梁一非線性彈簧模型和裝配整體式雙層襯砌的三種受力計算模型，并編制了相應(yīng)的有限元計算程序，然后應(yīng)用所編程序?qū)ΥS隧洞一次襯砌結(jié)構(gòu)和雙層襯砌結(jié)構(gòu)的受力進行計算。在研究過程注重從試驗數(shù)據(jù)出發(fā)，結(jié)合試驗建立理論模型，然后再盡可能將理論計算結(jié)果與試驗結(jié)果對比?！　”酒芯績?nèi)容按邏輯關(guān)系分章組織，前面章節(jié)一般是后續(xù)章節(jié)的基礎(chǔ)和準(zhǔn)備，各章節(jié)內(nèi)容之間又有一定的相對獨立性。全文共分8章，第1章文獻綜述，回顧了圓形襯砌的各種結(jié)構(gòu)計算理論，提出了襯砌結(jié)構(gòu)計算模型的發(fā)展方向；第2章管片接頭荷載試驗研究，分析了接縫受力與變形的各種試驗結(jié)果，這一章為后續(xù)各章提供了必不可少的試驗數(shù)據(jù)；第3章研究接頭荷載試驗的數(shù)值模擬方法，得到了接頭抗彎剛度的計算模型，為一次襯砌的受力計算提供了接頭的非線性本構(gòu)關(guān)系；第4章研究了圓形裝配式一次襯砌的受力計算方法，得到了穿黃隧洞一次襯砌施工期的內(nèi)力計算結(jié)果，這也是雙層襯砌結(jié)構(gòu)內(nèi)力疊加的一部分；第5章研究雙層襯砌接頭荷載試驗并提出了雙層襯砌相互作用的三種模型，為雙層襯砌整環(huán)受力計算提供了基礎(chǔ)；第6章研究雙層襯砌整環(huán)受力計算方法，得到了穿黃隧洞雙層襯砌最終（運行期）的內(nèi)力計算結(jié)果，第5、6兩章是本篇的重點研究內(nèi)容；第7章對管片接頭進行三維有限元分析，由于試驗應(yīng)變測點有限，可將計算結(jié)果作為試驗測量數(shù)據(jù)的補充。第8章總結(jié)了論文的研究工作、結(jié)論及有待研究的內(nèi)容。

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