Numerical Simulation on Tunneling Parameter Optimization of Shield Machine in Cutting Obstacle Piles in Existing Stations

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20240242

Abstract

Abstract:

When the shield machine encounters obstacle piles while tunneling beneath an existing station， it often needs to directly cut through the piles. During this process， the control of the shield machine’s tunneling parameters is crucial for ensuring the safety and stability of the existing upper structure. For the pile-cutting construction of the Shenyang Metro passing beneath existing stations， ABAQUS finite element numerical simulation software was used to simulate the dynamic cutting process of the cutterhead through the obstacle piles. The results show that during the pile-cutting process， whether the shield machine is advancing towards or away from the station， both the field penetration index （FPI） and the tunneling specific energy increase with the advancing speed. The length of the rebar cut during the pile-cutting process also increases with the advancing speed and cutterhead rotation speed. When the advancing speed is less than 0.35 mm/s， the number of rebars with lengths shorter than 350 mm is relatively high. However， when the cutterhead rotation speed exceeds 0.140 rad/s， the number of long rebars increases significantly. As the advancing speed increases， the disturbance degree to the surrounding piles also increases， and the disturbance degree notably increases when the advancing speed exceeds 0.4 mm/s.

Key words: shield tunneling, dynamic pile-cutting, rebar cutting, tunneling specific energy, stress disturbance degree

CLC Number:

TU 94

Peng JIA, Bin-yu SUN, Li ZHU, Li-min SONG. Numerical Simulation on Tunneling Parameter Optimization of Shield Machine in Cutting Obstacle Piles in Existing Stations[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2025, 46(11): 115-124.

Figures/Tables 17

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工程名	土层参数	刀盘转速	推速
工程名	土层参数	rad∙s^-1	mm∙s^-1
宁波轨道交通4号线柳宁盾构区间工程^[25]	淤泥质土、粉砂粉质黏土	贴近桩时控制在0.084	桩前1 m时0.083~0.167
杭州地铁2号线下穿凤起桥^[26]	粉夹砂质粉土、砂质粉土、淤泥质粉质黏土	0.125~0.157	接近桩基时0.500~0.830，桩前0.017~0.033
苏州2号线石路站下穿广济桥^[27]	粉砂、粉质黏土	0.052~0.105	0.017~0.050
大连地铁一期工程华北路至山东路盾构穿越桥梁^[28]	淤泥质粉细砂层、淤泥质土层和粉细砂层	0.084	0.167~0.250
上海地铁10号线盾构切削简支梁桥桩基^[29]	黏质粉土夹粉质黏土、灰色砂质粉土、淤泥质黏土	0.067	0.083
广州地铁4号线南延段广大区间盾构机下穿大涌桥^[30]	洪积粉细砂层、粉质黏土层	0.084	0.167~0.250
北京地铁下穿桥梁桩基^[21]	粉质黏土-中细沙-卵石地层，大多为卵石	0.063	0.083~0.167
哈尔滨地铁3号线盾构切割桥桩^[31]	主要地层为中砂层	—	0.167~0.333
沈阳地铁1号线东延线下穿桥桩	主要地层为圆砾、砾砂层	0.084~0.105	0.083~0.250
沈阳地铁4号线下穿2号线车站^[32]	切桩段为砾砂层	—	0.250~0.420
广州地铁12号线官洲站—大学城北站^[33]	全风化混合花岗岩、强风化混合花岗岩和中风化混合花岗岩，局部穿越砂质黏土	切桩过程中0.084~0.105	桩前3 m时控制在0.083~0.167；切桩过程中控制在0.083内
南昌地铁2号线盾构穿越桥梁桩^[34]	素填土、粉黏土、砾砂、圆砾、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩	0.031~0.052	0.017~0.083
深圳地铁10号线穿越公路桥梁桩群^[35]	中微风化花岗岩层和砾质黏性土层	0.125~0.147	0.167~0.333
沈阳地铁6号线下穿2号线市图书馆站^[36]	切桩段为砂层	0.115	0.333~0.833

工程名	土层参数	刀盘转速	推速
工程名	土层参数	rad∙s^-1	mm∙s^-1
宁波轨道交通4号线柳宁盾构区间工程^[25]	淤泥质土、粉砂粉质黏土	贴近桩时控制在0.084	桩前1 m时0.083~0.167
杭州地铁2号线下穿凤起桥^[26]	粉夹砂质粉土、砂质粉土、淤泥质粉质黏土	0.125~0.157	接近桩基时0.500~0.830，桩前0.017~0.033
苏州2号线石路站下穿广济桥^[27]	粉砂、粉质黏土	0.052~0.105	0.017~0.050
大连地铁一期工程华北路至山东路盾构穿越桥梁^[28]	淤泥质粉细砂层、淤泥质土层和粉细砂层	0.084	0.167~0.250
上海地铁10号线盾构切削简支梁桥桩基^[29]	黏质粉土夹粉质黏土、灰色砂质粉土、淤泥质黏土	0.067	0.083
广州地铁4号线南延段广大区间盾构机下穿大涌桥^[30]	洪积粉细砂层、粉质黏土层	0.084	0.167~0.250
北京地铁下穿桥梁桩基^[21]	粉质黏土-中细沙-卵石地层，大多为卵石	0.063	0.083~0.167
哈尔滨地铁3号线盾构切割桥桩^[31]	主要地层为中砂层	—	0.167~0.333
沈阳地铁1号线东延线下穿桥桩	主要地层为圆砾、砾砂层	0.084~0.105	0.083~0.250
沈阳地铁4号线下穿2号线车站^[32]	切桩段为砾砂层	—	0.250~0.420
广州地铁12号线官洲站—大学城北站^[33]	全风化混合花岗岩、强风化混合花岗岩和中风化混合花岗岩，局部穿越砂质黏土	切桩过程中0.084~0.105	桩前3 m时控制在0.083~0.167；切桩过程中控制在0.083内
南昌地铁2号线盾构穿越桥梁桩^[34]	素填土、粉黏土、砾砂、圆砾、强风化泥质粉砂岩和中风化泥质粉砂岩	0.031~0.052	0.017~0.083
深圳地铁10号线穿越公路桥梁桩群^[35]	中微风化花岗岩层和砾质黏性土层	0.125~0.147	0.167~0.333
沈阳地铁6号线下穿2号线市图书馆站^[36]	切桩段为砂层	0.115	0.333~0.833

岩土	密度/（g∙cm^-3）	孔隙比	孔隙率/%	静止侧压力系数	泊松比	变形模量/MPa
粉细砂	1.90	0.85	46.0	0.47	0.32	10
中粗砂	2.00	0.80	44.0	0.43	0.30	20
砾砂	2.00	0.75	43.0	0.41	0.29	28
圆砾	2.05	0.65	39.0	0.35	0.26	35

岩土	密度/（g∙cm^-3）	孔隙比	孔隙率/%	静止侧压力系数	泊松比	变形模量/MPa
粉细砂	1.90	0.85	46.0	0.47	0.32	10
中粗砂	2.00	0.80	44.0	0.43	0.30	20
砾砂	2.00	0.75	43.0	0.41	0.29	28
圆砾	2.05	0.65	39.0	0.35	0.26	35