复合地层超大直径泥水气压平衡盾构施工第四代常压换刀技术应用研究

为了提高超大直径盾构在长距离复杂地层掘进过程中刀具更换的安全性和经济性,本文结合武汉轨道交通7号线三阳路长江隧道工程,通过对第四代常压换刀技术在复合地层盾构施工中的应用研究,总结出刀具检查与更换可遵循的一般规律,并针对换刀工法提出风险应对与优化改进措施。     

繁华城区富水砂卵石地层大直径泥水盾构隧道施工关键技术

以北京铁路地下直径线双线大直径泥水盾构隧道施工为背景,针对施工中的重难点,总结分析该盾构隧道的选型、进洞加固、掘进参数控制、泥水处理、进仓换刀等关键技术,主要有以下结果：1)对掘进参数及刀盘刀具配置进行了优化改造研究,确定了合理的施工参数及刀具配置方式,有效地减少了刀盘刀具磨损,降低了施工对周边环境的影响程度,确保了施工安全。2)多种方法的综合运用,对施工过程进行多方面多角度的沉降监测,及时进行反馈,确保了施工安全。3)较好地解决了砂卵石地层中带压换刀技术的气密性难题,最大限度减小了对周边环境和居民正常生活的干扰;复打空心桩替代常规竖井带压进仓技术,克服了带压进仓动火作业的风险。4)采用大合金块的刀具设置,增强了切刀及周边刮刀的抗冲击性和耐磨性;滚刀作为先行刀有效地松动了地层,减少了刀具的非正常损坏,确保掘进工作顺利进行。     

盾构隧道刀具更换技术综述

盾构穿越复杂水文地质地层时,常因刀盘刀具过量磨损而导致盾构被迫停机,这已成为困扰盾构施工的重要难题之一,进行刀具更换是目前解决这一难题,恢复盾构掘进的主要方法。然而,工程界尚未形成系统的盾构换刀技术体系。针对这一问题,在对已有技术研究理解和总结的基础上,阐述了盾构刀具更换技术的内涵和主要分类,并结合典型盾构工程换刀作业实例和笔者所在课题组的研究成果,对加固地层-常压换刀、基于常压可更换刀盘设计的换刀、带压换刀等3种主要换刀技术的原理、技术流程、关键技术、适用范围和优缺点等进行系统的分析和总结。最后介绍了日本最新的刀具更换技术,并对中国盾构隧道刀具更换技术进行了展望。结果表明：地层加固-常压换刀技术和带压换刀技术都是在常规刀盘设计条件下形成的,其关键都是保障开挖面地层的稳定性;差别在于,前者是使加固开挖面地层达到自稳后,在常压条件下实施的,而后者则是通过泥浆渗透成膜等辅助工艺提高开挖面地层的闭气性后,在气压支护条件下实施的;对于基于常压可更换刀盘设计的换刀技术来说,开挖面地层的稳定性不需要重点考虑,盾构机特殊的中空刀盘辐臂和常压可更换刀具设计才是该技术的关键。     

泥水盾构掘进砂卵石夹黏土地层泥饼处置技术研究

为解决泥水盾构在含黏性土的地层中掘进时，因刀盘易结泥饼而引发的刀具切削能力下降、渣土滞排等降低盾构掘进效率的问题，依托北京南水北调配套工程泥水盾构施工实例，结合富水砂卵石夹黏土地层中的盾构掘进参数和地层岩性变化趋势，分析刀盘出现结泥饼的具体表现，提出将刀盘转矩与贯入度、推力与贯入度的比值作为判别刀盘是否结泥饼的指标；开展双氧水、Ⅰ型和Ⅱ型分散剂泥饼浸泡试验，最终比选出效果较好的Ⅱ型分散剂进行刀盘泡舱处理，有效地软化了泥饼，使得盾构得以顺利掘进。     

高水压过海盾构隧道建设关键技术可行性初探

过海隧道在我国发展迅速,拟建的琼州海峡通道、渤海海峡通道等跨海通道将面临超长距离、超高水压隧道掘进安全等技术难题的重大突破。根据目前的研究和实践,盾构隧道掘进水压在0. 8 MPa左右,一次掘进距离在8 km以内。为解决高水压条件下过海盾构隧道安全掘进和运营期间安全服役的难题,以琼州海峡中线盾构隧道(水压1. 2 MPa、掘进长度12 km)为工程背景,采用工程类比、施工阶段关键技术分析的方法,对高水压长距离过海盾构隧道关键技术可行性进行分析,提出盾构主动换刀+被动饱和潜水带压换刀+非常状态冻结加固脱困的综合换刀技术以及可更换密封综合技术,可保障盾构超长距离掘进;提出超高水压盾构复合式管片衬砌和内外结合的多道防水结构,可保障超高水压条件下盾构管片结构的安全服役。     

盾构穿越花岗岩球状风化孤石群的施工关键技术

为解决盾构穿越孤石群地层的难题,对花岗岩风化孤石的形成机制及盾构穿越孤石群产生的地面沉降、姿态控制、设备安全的风险进行研究,并分析传统孤石处理方法在孤石群地层中运用的局限性。主要结论如下:1)盾构穿越孤石群施工应系统考虑孤石预处理、掘进和开舱换刀方案;2)采用地下隐蔽岩体爆破技术对孤石进行爆破破碎后能降低盾构掘进风险,并且盾构通过期间须严格控制掘进参数;3)采用压密注浆改良刀盘周边地层,盾尾止水和舱内制作泥膜措施辅助带压进舱,能提高开舱成功率,解决刀具更换的问题。     

大直径盾构掘进风险分析及对特大直径盾构挑战的思考

目前,基于建设规模和设计功能的需求,特大直径盾构已多次应用于铁路、公路、城市轨道交通、地下管廊等领域隧道工程建设。初步统计了国内外15.5 m以上的特大直径盾构隧道工程,总结了大直径盾构在掘进过程中的主要风险及常见问题,包括主轴承损坏失效、盾构管片拼装脱出盾尾后上浮、刀具磨损随盾构直径增大而加剧、刀盘前泥饼粘结、渣土滞排、刀盘升温等,并结合案例分析其原因。针对特大直径盾构带来的事故风险,从土压盾构与泥水盾构主轴承密封问题、管片盾尾脱出后上浮风险、常压刀盘与常规刀盘的选择、泥饼粘结和渣土滞排难题、预探前方复杂地质、海中基岩爆破及注浆固结辅助处理等方面提出思考和建议。     

大直径泥水盾构针对长距离施工的优化

大直径泥水盾构在复杂砂卵石地层中长距离掘进施工,盾构经常会受到刀盘刀具磨损严重、进排浆管及阀磨损严重、破碎机及泥舱门故障和突发事件等因素影响而导致停机,从而降低了盾构设备的性能,严重时将直接威胁施工安全。为了优化盾构设计、方便检修及降低施工风险,对北京某项目12 m级泥水盾构在施工过程中出现的问题,通过对刀盘刀具、泥水循环系统、破碎机和泥浆门、电气系统、监控检测系统等的优化,提高了设备的利用率和施工效率,降低了施工风险和施工成本,确保了人员和设备的安全。     

成都富水砂卵石地层盾构刀盘设计及应用

针对成都富水砂卵石地层盾构施工过程中刀盘刀具磨损严重、结泥饼和地表沉降大等问题,从盾构刀盘结构设计、刀具配置、耐磨保护及刀盘碴土改良等方面入手,对刀盘进行了针对性地改良设计。改良后的盾构刀盘不仅实现了长距离掘进,而且也有效地控制了地表沉降,对类似地层盾构刀盘设计具有一定的指导和借鉴作用。     

大直径盾构刀盘刀具选型及常压换刀技术研究

由于盾构在软土地层和岩石地层的刀具切削原理和配置形式不同,对于不同地质,尤其复合地质刀盘刀具的适应性配置与磨损刀具的安全更换一直是当前大型盾构施工中遇到的技术难题。针对武汉地铁8号线越江隧道工程及其特殊的水文地质,分析大直径泥水盾构在软土和硬岩复合地层中刀盘刀具的选型配置,创新采用复合刀盘设计理念,并开发应用常压条件下滚刀齿刀互换技术,最后针对不同地质条件给出了刀具配置方案。通过采取以上措施,延长了刀具使用寿命,提高了刀具更换效率,降低了施工风险,实现了在复杂地层隧道的顺利穿越。     

极硬岩层条件下盾构推进参数的优化

深圳地铁5号线长龙站—百鸽笼站区间隧道洞身部分位于全断面高强度微风化角岩地层,采用盾构法施工。文中对盾构穿越极硬岩地层时所遇到的施工技术难题进行分析,通过优化掘进参数与合理配置刀具,顺利解决了盾构在极硬岩层条件下掘进施工时由于推进参数和刀具设置不合理,造成的刀具磨损严重、换刀频繁、推进速度缓慢等影响施工进度的问题。     

上软下硬复合地层盾构隧道设计施工难点及对策研究

基于国内上软下硬地层盾构隧道典型工程案例，对上软下硬地层盾构工程案例区域分布特点及发展趋势、施工主要问题及其产生的原因进行分析。在此基础上，分别从隧道设计、盾构设计及工程实施的角度提出相应的对策措施，并结合相应的工程实例进行阐述。 研究得到上软下硬地层盾构实施主要问题，包括刀盘刀具磨损、刀盘结泥饼、刀盘卡死、排土器喷涌、盾构掘进姿态不良、衬砌损坏、地表沉降过大等方面。针对这些问题，采取如下措施： 1）隧道设计上可采取线型避让、特殊地层预处理、隧道结构特殊构造设计进行应对； 2）盾构制造上应充分考虑刀盘刀具、盾构机驱动、防冲刷及泡沫注入口的优化和超前地质探测装置的增设； 3）在施工上应优化施工参数，加强巡视和监测，做好应急预案。     

滚刀常压换刀技术研究

针对大直径高水压条件下盾构施工刀具更换难度高、风险大的问题,结合大直径盾构刀盘结构,通过开发滚刀常压换刀装置,实现在刀盘保压的情况下,常压更换部分滚刀,不但降低了带压条件下滚刀更换成本,而且降低了换刀风险。     

并联式泥水/土压双模式盾构施工技术与冷冻刀盘开舱技术的创新与实践

针对盾构施工过程中经常遇到的2大问题:1)盾构在复杂地层中掘进遇到的盾构选型难问题,如盾构区间一段适合土压盾构掘进,另一段适合泥水盾构掘进,而采用单一掘进模式的盾构都无法应对较大的地层变化; 2)盾构在复杂地层、长距离掘进施工时,开舱检查并更换刀具不可避免,盾构在上软下硬/软弱地层/含水砂性地层开舱存在极大的工程安全风险。在原有盾构的基础上,通过采取改造盾构内部结构、搭载冷冻设备、改进设备系统等手段,研制出并联式双模式盾构及搭载冷冻刀盘式盾构。通过广州地铁9号线、广州地铁21号线、220 kV石井—环西电力隧道(西湾路—石沙路段)工程案例,总结出双模式盾构施工技术与冷冻刀盘技术。并联式泥水/土压双模式盾构兼具土压平衡盾构和泥水平衡盾构的功能及施工优势,可根据隧道沿线地表环境条件和隧道穿越地层条件,合理划分采用泥水或土压模式施工的地段,且盾构施工环境适应性强,可在不拆装任何部件的情况下安全、快速地实现掘进模式的切换。将冷冻法与盾构刀盘结合在一起,使盾构刀盘具备冻结地层的功能,通过冷冻刀盘在隧道内对土舱外土层冻结加固,使其达到常压开舱的要求,与双模式盾构相结合,兼容性好,不存在功能上的冲突。     

厦门轨道交通2号线跨海段盾构滚刀磨损与更换预测

对盾构法施工跨海隧道,有效降低由于滚刀磨损所带来的作业风险并有计划地进行滚刀更换十分重要,针对厦门轨道交通2号线跨海段地质条件,基于理论预测模型和实验预测模型对几类岩石条件下滚刀的换刀距离进行了预测。通过分析刀具更换工法的适应性,提出对厦门轨道交通2号线跨海段换刀位置与换刀工法的建议： 1）淤泥段采用切削类刀具,换刀方式采用常压开舱换刀,换刀位置在1#联络通道附近; 2）全强风化低压段采用盘形滚刀,换刀方式以带压进舱换刀为主,在该掘进段需要换刀4次,其中第3次在大兔屿1#中间风井处更换,其余3次均在海底更换; 3）全强风化高压段采用盘形滚刀,在该掘进段需要换刀4次,换刀方式以饱和气体带压进舱换刀为主; 4）中微风化硬岩段采用盘形滚刀,在该掘进段需要换刀3次,换刀方式以减压限排换刀为主。     

日本开发小型盾构常压机械换刀技术

正盾构长距离施工时常常伴随着刀具磨损,近年来不少大直径盾构隧道都配备了常压换刀装置。然而,这些装置并不适用于外径3 m左右的小直径盾构。日本大成建设和日立造船共同开发了机械式换刀技术——THESEUS(Taisei-Hitz Easy and Speedy bit Exchange Unit Systems)工法,实现小盾构的机械式常压换刀。THESEUS工法该工法从盾构内部通过可动式人闸和滑移式换刀装置完成换刀,无需设置换刀井,因此对周边环境影响小,具有更高的安全性和施工效率。     

隧道盾构机开仓换刀环境的选择

受地层条件及刀具耐磨的影响,盾构机在掘进隧道施工到一定工程量后,刀具将会磨损,须换刀处理。由于地层条件的复杂性,开仓换刀条件的确定很重要。结合广州地铁三号线大石—汉溪盾构区间施工实例,介绍了盾构机开仓换刀环境的选择与经验。     

成都砂、卵石地层盾构机耐磨性及刀具适用性研究

针对成都砂、卵石地层盾构施工中刀盘、刀具和螺旋输送机等磨损大的问题,提出和实施了预防磨损和提高耐磨性的几方面措施,提出和应用了适用于成都砂、卵石地层的刀具,并特别强调了滚刀在成都砂卵石地层中使用的重要性和适用性。延长了刀盘、刀具和螺旋输送机的使用寿命,降低了磨损和消耗,减少了在砂卵石地层中的修理和更换刀具次数,顺利达到长距离掘进和施工的目标。     

盾构在砂卵石地层中掘进应用土体改良的技术

在成都砂卵石地层中进行盾构施工,由于砂卵石中卵石的强度很高,对盾构机刀盘、刀具的磨损相当大;同时由于砂卵石地层土质级配的不均匀,刀盘及土舱内结泥饼,螺旋机进土口的大颗粒卵石的骨架(骨架拱)效应,直接影响到土压平衡的有效建立,以致盾构在掘进过程中超挖,严重影响隧道沿线周边环境及施工进度。该文重点介绍了成都地铁1号线盾构1标区间隧道施工过程中采用的土体改良技术措施,从而消除了由于砂卵石地层的特殊性质造成的不利因素,保证了工程的顺利进行及周边环境的安全。     

过江隧道大型泥水盾构刀具使用与管理

为了进一步推进和提高我国大型泥水盾构刀具的使用与管理水平,解决其目前存在的突出问题,以南京长江隧道、南京扬子江隧道、南京地铁3号线和10号线过江单洞双线隧道等大型泥水盾构施工为背景,通过对复合地层盾构掘进施工刀具使用的分析总结,提出了刀具管理的前期设计、过程使用管理、刀具检查更换、意外事故的预防和恢复掘进注意事项等刀具使用系统管理理念,以期为今后类似工程盾构施工刀具管理提供指导与借鉴。