盾构掘进机刀盘研制实例

刀盘是盾构机中的重要部件，具有开挖地层、稳定开挖面、搅拌碴土等功能，处于盾构机与地质状态紧密关联的最前沿。文章通过对刀盘研制实例的剖析，简单介绍了刀盘设计的基本方法、刀盘的制造工艺以及刀盘样机在工业性试验中所取得的成果。     

国内典型砂卵石地层土压平衡盾构设计改进及应用

为解决砂卵石地层掘进的刀盘刀具异常磨损、泥饼阻塞及地表沉降明显等问题,从刀盘刀具、螺旋输送机、渣土改良及注浆控制等方面进行研究,并结合成都地铁和北京地铁现场应用及试验数据,对刀盘开口率的确定、刀具的布置、轴式/带式螺旋输送机的选取、渣土改良系统及注浆系统的配置进行比较,得到了相应地层土压平衡盾构设计的解决方案,为类似地层土压平衡盾构的设计提供参考。     

基于刀盘摩擦扭矩参数的刀具磨损状态识别

盾构在砂卵石地层掘进时,刀具磨损量大一直是困扰施工的难题。从土压平衡盾构的工作原理及砂卵石地层特性2方面分析刀盘扭矩的构成,并通过数学和力学分析建立了摩擦扭矩计算模型。以成都地铁3号线红牌楼南站-红牌楼站区间为研究背景,依托盾构施工安全风险监控系统,对计算模型进行验证;分析刀具磨损时,根据地质条件将摩擦扭矩进行分段计算,同时将摩擦扭矩除以总扭矩得到摩擦比例系数,运用比例系数跟踪判断刀具磨损程度。研究结果表明,砂卵石地层中构成刀盘扭矩的主要组分是刀盘正面、背面和侧面上的摩擦扭矩;摩擦扭矩计算模型符合工程实际;得到的摩擦比例系数与换刀形态具有较好的对应性,可定性判断刀具磨损程度,指导工程实践。     

富水地层下外置乌龟壳式土压平衡盾构无障碍始发技术研究

在福州地铁5号线1标4工区盾构区间施工中,通过对常规土压平衡盾构刀盘切削地下连续墙的钻研,针对刀盘设计一种无需扩径和改造的布置方案,针对外置注浆管路设计一种保护和侧面切削地下连续墙墙体的刀具,同时采用全钢套筒密闭始发技术的一种富水地层下外置乌龟壳式常规土压平衡盾构无障碍始发体系.该体系无需对传统的土压盾构机进行改造,即保留了常规软土盾构外置注浆管路设计的盾尾,无需配备复合刀盘,避免了盾构机重心前移、刀盘直径的扩大等造成后期掘进困难的问题;也可直接切削穿越高强度地下连续墙,规避了人工凿除盾构洞门的工序,从而避免盾构始发过程中的涌砂、涌水等高风险,大幅提高盾构始发的安全性.     

复合地层盾构施工中泡沫对刀盘扭矩的影响分析及参数优化

在盾构施工过程中通常添加泡沫进行土体改良,土体的改良效果会直接影响盾构的掘进性能,而且对维持开挖面的稳定、提高掘进效率、减小刀具磨损具有至关重要的作用。依托穗莞深城际轨道交通虎门商贸城站到长安厦边站盾构区间工程,利用正交试验的方法对复合地层盾构掘进过程中土体改良效果进行研究,建立复合地层盾构施工中刀盘扭矩与其他掘进参数的数学模型,并对泡沫对刀盘扭矩的影响进行分析与参数优化。结果表明： 当添加泡沫溶液量为0.01 m3、泡沫体积分数为7%时,刀盘扭矩达到最优值2 033.1 kN·m。     

引绰济辽输水工程顶管机刀盘关键技术研究

为选配更具适应性的刀盘，对引绰济辽输水工程配置多梯度二次周边锥破机构的辐板式刀盘和面板式刀盘2种不同结构形式刀盘进行关键结构设计研究。采用有限元法得到结构的应力分布规律，通过数值计算得到刀具布置在力学性能上的分布情况。结果表明： 1）辐板式刀盘开口率更大，尤其中心区域开口大，针对黏土、泥砾等复合地层，“结泥饼”的可能性会降低； 2）2种刀盘结构形式均能满足结构强度要求，其中面板式刀盘结构强度更具优势； 3）面板式刀盘的类“米字形”滚刀布置方式产生的径向不平衡力和倾覆力矩更小，2种结构方式的数值均较小，满足设计要求； 4）综合工程地质情况、结构形式、强度分析、刀具布置、力学性能及其他多方面因素考虑，选择辐板式刀盘结构作为本工程的刀盘主体结构。通过在工程项目中的实际使用情况可知，刀盘掘进中运行稳定，具有良好的地质适应性，满足施工要求。     

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。     

复杂地层盾构掘进速率和刀盘扭矩预测模型及其地层适应性研究

以复杂地层地质分段为基础,统计不同地质分段的盾构掘进参数,开展针对盾构掘进速率与刀盘扭矩的多元回归分析,得到适用于复杂地层的掘进参数回归模型,并分析回归模型系数与全断面等效岩体基本质量指标间的相关性。研究表明： 全断面等效岩体基本质量指标考虑了复杂地层中不同区段掌子面内各地层面积占比差异,可作为地质分段标准; 掘进速率与刀盘扭矩的回归预测值与实测值间相对误差较小,回归模型对均质地层及复合地层均有较好的拟合精度; 围岩等级提高时,掘进速率、刀盘扭矩回归模型系数具有明显的分段变化特征。其量化结论可用于定量预测不同地层盾构掘进参数,以提高盾构施工效率。     

贵阳岩溶地区盾构机配置的几点思考

贵阳地区将首次采用盾构法施工地下区间隧道,通过对贵阳工程地质及水文地质条件进行分析,对贵阳岩溶地区盾构机的配置提出建议。经研究,盾构整机方案可采用主动铰接方式或被动铰接方式;盾构机面板建议采用复合式刀盘,刀盘开挖直径建议控制在6 450 mm~6 470 mm,开口率建议控制在35%左右;刀具配置建议采用滚刀、刮刀相结合的方案;为防止喷涌,盾构机建议采用单螺旋输送机+双闸门设计+聚合物改良+预留保压泵接口方案,且在盾尾安装三道密封钢丝刷;为适应岩溶地区盾构施工,盾构机建议配置超前钻机及注浆设备,并预留超前钻通道及密封装置;盾构面板建议开口均匀,配备土仓高压水冲刷系统,刀盘面板预留注入泡沫通道,以防备结泥饼现象;盾体建议采用梭型结构,配备壳体润滑孔,并设计主机脱困及后退能力,以防止卡盾。     

某地铁工程盾构刀盘改造力学分析

为了适应富水中砂地层盾构掘进,需要对原有刀盘结构进行改造,并研究改造前后的刀盘力学特性。采用理论计算土压平衡和土压不平衡2种工况下的刀盘外载,并利用有限元法分析改造前后盾构刀盘的应力及变形情况。研究结果表明:1)土压不平衡工况下的最大等效应力和最大变形高于土压平衡工况。2)对于同一种工况,改造前后刀盘的最大等效应力变化不大,但最大变形量增加了10%左右;最大等效应力位于刀盘背板与牛腿的连接处,最大变形发生在刀盘左下侧及右上侧的边缘位置。改造后刀盘的强度和刚度均满足施工要求,实际掘进效果良好,掘进效率明显提升。     

盾构刀盘设计系统开发

为快速准确地完成不同类型和尺寸盾构刀盘的设计,根据刀盘自身机械数据结构和施工过程的数据关系,结合刀具破岩机制实验数据和刀盘三维参数化机械模型和结构分析模型,利用VB完成刀盘参数化建模系统的开发,方便了刀盘设计人员准确且快速地完成各种不同地层、不同规格盾构刀盘的设计及分析。     

不同孤石处理方法对盾构掘进参数影响的研究

以厦门市轨道交通一号线集美中心站-诚毅广场站区间隧道工程为依托,针对该区间隧道中含有大量孤石群的特殊地层,分析了全回旋转机、旋挖钻机、冲击钻孔机以及爆破法处理孤石的适用条件,获得了全回旋转机、旋挖钻机、冲击钻孔机以及爆破法处理孤石段所对应的盾构推进速度、总推力、刀盘扭矩、土仓压力等掘进参数的变化规律。     

考虑刀盘摩阻因素的盾构施工引起地层横向位移分析

为了全面和准确地计算盾构施工引起的地层横向总位移值,依据弹性力学Mindlin解,在已有研究的基础上,增加考虑面板式及辐条式刀盘的摩擦力对地层横向位移的影响,给出刀盘的简化计算模型,通过坐标转化和积分的方法分别推导2种结构形式刀盘正面及圆周面摩擦力产生的地层横向位移计算公式,并采用位移叠加的方法,给出盾构施工引起地层横向总位移计算公式,并对已有工程算例计算和分析,将结果与实测值对比。结果表明：计算结果可以反映盾构施工阶段地层横向变形的特点;在盾尾附近的一定范围内,同步注浆压力和盾壳摩擦力对地层横向位移的影响程度较大,为主要影响因素;在刀盘附近的一定范围内,盾壳摩擦力,刀盘圆周面环向摩擦力和刀盘正面摩擦力对地层横向位移的影响程度不可忽略;各因素产生的地层横向位移值随着深度的增加而衰减并向深层土体逐渐扩散;地层横向位移值受刀盘不同结构形式的影响程度较小,分布规律相仿;在刀盘推进面周围的一定范围内,地层横向总位移值正负区域的分布与刀盘的旋转方向有关。     

盾构下穿对既有铁路路基影响的模型试验研究

为研究盾构隧道开挖对既有铁路路基的影响，基于相似比理论建立室内大型试验模型，模拟盾构开挖扰动作用下周围土层及既有铁路路基的受力变形过程。结果表明:模型试验能较好地反映盾构下穿对土层及地表线路的影响；盾构隧道轴线方向各土层土压力变化较两侧明显，其中在一倍洞径范围内土体是受扰动影响的重点区域；模型试验中盾构下穿开挖导致既有线路沉降变形呈近似线性，若增加埋深，既有路基沉降速度及沉降量将大幅降低。建议在盾构施工前对既有铁路的下穿段路基进行加固，确保行车安全。     

基于大数据的盾构掘进与地质关联关系分析方法

为解决盾构掘进参数设定主要依赖盾构司机的经验，且掘进过程中影响因素较多，很难做到掘进参数与地质参数有效关联的问题，依托盾构TBM大数据平台的海量数据，通过施工经验对关联掘进与地质的参数进行选取和分类，并确定关联参数的范围。通过参数范围界定、数据连续性分析和数据频次统计等方式进行数据的初步清洗；通过提取变量的数字特征建立分布统计算法模型库的方式，对数据库中的数据实时处理，去除异常数据并确定经验区间的频数分布；通过对各关联参数的组合检索，进行关联参数的可视化分析，得到不同盾构在各类地质中主要掘进参数（如刀盘转速、刀盘转矩、掘进速度、油缸推力等）的经验区间和关联关系。将该关联分析方法部署在盾构TBM大数据平台，经过长时间的应用和现场反馈，验证了该方法的适用性和有效性，对盾构施工及盾构选型具有积极的指导作用。     

成都地铁7号线火神区间盾构选型与关键参数计算分析

盾构选型的合理性和关键参数的准确确定是盾构法工程施工成败的关键。针对成都地铁7号线火车南站至神仙树区间地质和水文特征,结合盾构对不同地层的适应性比较,论证采用土压平衡盾构施工的可行性和必要性。同时就盾构施工可能出现的问题,对盾构各个系统进行选型分析。在盾构推进阻力和刀盘回转阻力计算方法基础上,结合实际的地质参数,计算出该区间内最大的推进阻力为10 659 k N,最大刀盘回转阻力矩为4 072 k N·m;选取合适的储备系数,确定盾构最大推力和刀盘装备扭矩的建议值分别为26 648 k N和6 108 k N·m。最后通过与实际值进行对比,验证了盾构推力和刀盘驱动扭矩理论选型值的准确性。     

盾构静-动态泥浆渗滤成膜及支护效率控制方法

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。     

矩形盾构机模拟掘进试验研究

介绍了矩形盾构机的特点和技术参数,分析了其施工优势,对矩形盾构机模拟掘进试验进行了设计,完成了矩形盾构机掘进模拟土层试验和切削不同硬度混凝土试验,通过采集掘进参数、监测周围土层情况,分析了矩形盾构掘进对周围土层的影响。试验结果表明,矩形盾构机能在不同的地层条件下掘进,但切削混凝土能力有限。