上海崇明越江通道长江隧道工程综述（二）——长江隧道工程实施

本工程选用两台直径15430mm的超大型泥水平衡式盾构机（见图11）进行7．5km长的圆隧道施工,一次掘进完成。 5．1盾构设备性能和特点 盾构机包括本体和后配套系统,全长约134m,总重约3250t,包括刀盘、盾体、盾尾、推进、拼装、同步注浆、运输、导向、数据采集和泥水输送等部件和系统。     

砂土地层中全断面盾构掘进机顶进推力和刀盘切削扭矩的模型试验研究

在盾构的掘削过程中,千斤顶顶进推力和刀盘切削矩是重要的施工参数,它不仅决定着施工速度的快慢,而且还影响着刀盘转动速度、螺旋机出土速度等其它参量。为此,文章通过开展土压平衡盾构的掘削模型试验,研究在不同埋深、不同刀盘开口率以及不同土性时顶进推力和刀盘扭矩的变化规律,并对其相互影响进行了分析。     

φ800mm土压平衡式模型盾构试验系统的研制

文章针对自主研发的φ800 mm土压平衡式模型盾构掘进系统,详细介绍了盾构机壳体、掘削系统、螺旋出土器、推进系统和控制台5个重要部件各自的结构形式、布局特点、参数确定及具体功能等,并指出该模型盾构试验系统可根据不同的需求开展原样土体掘进试验、相似模型试验,以及盾构近接施工等复杂条件下的模拟试验;通过在原样砂土地层中的掘进试验结果,分析了地表沉降形态与发展过程及地层损失率与地层位移间的关系;运用Peck公式对地表沉降进行了计算并与试验值进行了对比,验证了该土压平衡式模型盾构掘进系统的可靠性。     

盾构隧道施工地层变形三维解及影响因素分析

文章以某区间隧道富水砂层条件下盾构施工过程为研究对象,重点考虑了盾构正面附加推力、刀盘与土体之间的摩擦力、盾壳与土体之间的摩擦力、地层损失及盾尾同步注浆压力五方面因素的影响,建立了盾构推进力学模型。基于Mindlin解,建立了考虑同步注浆压力及刀盘摩擦力影响的地层变形三维解析解,并结合现场监测数据和数值分析结果对其进行了验证。分析结果表明:盾构施工引起的横向地表变形曲线呈"V"形,纵向地表变形历时曲线呈"S"形;刀盘与土体之间的摩擦力引起的地层变形曲线左右两侧呈反对称分布;盾尾同步注浆压力引起地层隆起变形,设置合理的注浆压力并及时注浆能有效控制施工变形。该方法得到的结果更为合理,可用于预测盾构施工阶段的地层变形。     

岩质地层盾构掘进施工控制参数分析

盾构机掘进施工参数的影响因素繁多,盾构机各参数之间的相关性研究主要以理论分析为主,盾构掘进施工参数的影响因素与影响机制难以阐明。文章对大连岩质地层中土压平衡盾构掘进施工控制参数进行了收集与分析,结果表明:盾构机的总推力与顶推速度、刀盘转速与刀盘扭矩以及螺旋输送机转速与其扭矩的相关性均不显著;因岩质地层中土拱效应明显,盾壳与围岩之间的摩阻力较小,总推力主要用于提供刀盘与开挖面之间的水平相互作用力;盾构机的螺旋输送机转速与盾构机顶推速度之间的相关性显著;螺旋输送机通过转速来调整土舱饱满度,进而影响开挖面上被切削的土体进入土舱内的难易程度,因此螺旋输送机的渣土输出效率对顶推速度与刀盘扭矩影响明显。     

盾构机刀盘驱动系统动力计算分析

通过对广州地铁西草区间两台盾构机现场实测刀盘转速、刀盘扭矩数据,结合盾构配置的电机、液压泵、马达、减速箱的铭牌标定参数,计算分析得出制造商配置的减速箱并不能满足招投标时的产品承诺和现场实际需要。     

盾壳摩擦对周围土体工作性状影响的研究

文章以天津地铁二号线东南角站至建国道站区间左线盾构掘进项目为依托,采用ABAQUS对盾构掘进过程产生的地表沉降进行了计算,并结合工程实测结果对其进行验证,并进一步分析了在一定掌子面推力下的盾构掘进过程中,不同盾壳摩擦作用对周围土体变形与受力的影响。研究结果表明:盾壳摩擦作用对土体沿掘进方向的水平位移和附加应力影响较大,且影响最敏感区域位于盾构机头和盾尾附近;当距离隧道超过一倍隧道直径时,盾壳摩擦产生的土体附加应力衰减至可被忽略的程度。     

盾构机刀盘的地质适应性设计研究

为了提高盾构机的地质适应性,减少盾构施工过程中因地质因素造成的工程问题,盾构机刀盘必须根据地质条件进行地质适应性设计.文章基于多个盾构隧道施工实践,分析了国内外盾构隧道施工中出现的掘进困难、刀盘刀具快速磨损、结泥饼和开挖面失稳等工程问题,发现刀盘对岩土类型、岩土物理力学性质和水文地质条件不适应是产生这些工程问题的根本原因.基于岩土体与刀盘相互作用的机理和盾构施工经验,文章分别总结了刀盘结构、刀具选型布置和刀盘碴土改良装置在地质适应性方面的设计经验.     

盾构机的集中润滑

盾构机中的集中润滑是作用于盾构机的关键部位刀盘驱动大轴承、唇口密封等。刀盘驱动大轴承润滑不良，会带来大轴承的咬死，造成刀盘不能工作，影响盾构使用；唇口密封润滑不好和压力过低；会造成唇口密封摩擦阻力增大，磨损增加，缩短使用寿命，润滑油压力过低，会造成盾构机外部的泥沙进入唇口密封，损坏唇口密封，进一步进入刀盘轴承，引起轴承咬死，会使盾构无法掘进，所以盾构机中的集中润滑是一个非常重要的位置，同时，盾构机中的集中润滑是强制性的润滑。     

成都地铁盾构4标段泥水与土压两种盾构机的适应性分析

成都地铁盾构4标段是成都地铁一号线盾构施工试验段,为便于以后盾构机能更准确地选型,本试验段分别采用一台泥水盾构机与一台土压盾构机进行左右线的掘进.通过对两台掘进机的适应性分析可以看出:泥水盾构的缺点是容易堵塞、出碴效率低、对地层完整性要求高、在含泥地层中容易封住开口、对进出洞密封要求高、施工中需要较大场地、施工成本高;优点是对地层扰动小、便于带压进舱.土压平衡盾构的缺点是刀盘磨损严重、地表沉降控制难度高,带压进舱困难;优点是不受出碴限制、掘进速度快、便于维护、成本低.施工实践证明:在地表要求不太严格的情况下适于用土压平衡盾构;在地表要求高、场地较大情况下,适合用泥水盾构.     

基于PSO算法的盾构掘进参数寻优方法及应用

为了辅助盾构机司机驾驶盾构机，提供相应的操作建议，依托9座盾构隧道工程，选取5 075 101条盾构掘进状态的时间步数据，分别以盾构耗能最小和施工工期最短为决策目标，基于PSO算法对盾构机司机主动操作的刀盘转速和总推力两种掘进参数进行寻优，从而根据不同种类土的寻优范围给予司机实操建议，并对比优化前后的效果。研究发现：（1）以盾构耗能最小为决策目标优化后，刀盘转速和总推力的分布范围大幅度缩小，分布范围由大到小依次是砂层、土层和砾石层，掘进速度也有一定的提升。（2）以施工工期最短为决策目标优化后，刀盘转速的分布范围由大到小依次是土层、砂层和砾石层；总推力和掘进速度的分布范围由大到小依次是砂层、土层和砾石层。优化后能显著提高掘进速度，缩短工期。（3）以工期最短为决策目标的刀盘转速、总推力和掘进速度总体上大于以耗能最小为决策目标的刀盘转速、总推力和掘进速度。适当增加刀盘转速和总推力可以增加掘进速度，缩短施工工期。     

浅议土压平衡盾构机刀具的配置、维修和管理

盾构机刀具配置、维修和管理是盾构施工设备管理的重要内容。文章着重介绍了盾构机刀盘的特点和刀具布局,以及分类、维修和盾构施工掘进中刀具的管理;针对不同地层情况,提出了刀盘选型和刀具配备方式;结合深圳地铁2号线东延线2222标段盾构施工实例,对刀具的配置情况、维修和失效形式等作了进一步阐述。     

斜井盾构栽头及推力配置研究

斜井盾构栽头是盾构下坡掘进中出现的不良姿态,其栽头程度直接影响斜井隧道的成型质量。目前国内对于斜井盾构栽头问题研究较少,且缺乏可用于描述斜井盾构栽头的模型。此外,采用推进系统进行斜井盾构栽头调整,其推力配置主要依据人工经验,存在一定的盲目性。鉴于此,文章以内蒙古新街台格庙盾构煤矿斜井为工程背景,从盾首盾尾沉降量不一致的角度出发,建立了可用于描述斜井盾构栽头的地基反力分布模型,研究了推进系统推力配置与斜井盾构栽头程度之间的关系,获得了推进系统的临界推力配置方案。该初步研究成果可为斜井盾构栽头问题的后续研究提供一定的理论参考。     

超大直径土压平衡盾构施工土体改良试验研究

盾构推进时开挖面的稳定对控制沉降起着决定性作用,因此要求作为开挖面支撑介质的土砂具有良好的塑性变形、软稠度、内摩擦角小及渗透率小等特点,但是一般土壤不能完全满足这些特性,为此需要对开挖面土体进行改良。目前土体改良技术主要是在土体内加入膨润土、泡沫等添加剂来改善土体的性能,但是该技术对于超大直径、工程环境敏感的上海外滩通道工程是否适应值得探讨。为此,以上海外滩通道工程为背景,通过室内试验、模拟试验和现场试验研究了土体改良技术对超大直径土压平衡盾构隧道的适应性问题;通过室内试验验证了泡沫和膨润土对上海典型土体的改良效果;根据模拟推进试验结果确定了添加剂加量、发泡率等参数;最后通过现场试验探讨了改良效果。通过在超大直径土压平衡盾构施工中对土体进行改良,有效地保持了开挖面的稳定,减少了盾构推力与扭矩,刀盘磨损和机械负荷也都得到了很好的改善,盾构在土体改良后出土流畅、推进匀速,从而验证了土体改良技术对超大直径盾构隧道的适用性。     

成都富水砂卵石地层盾构设备配置探讨

成都地铁1、2号线成功地采用了盾构法施工,但由于成都地质条件以高富水、高卵石含量著称,到现在为止还存在刀具消耗成本大、换刀困难、地表易坍塌及刀盘和螺旋输送机磨损严重等实际问题.文章通过对成都富水砂卵石的地质特点和现用盾构设备的优缺点的分析,提出了将盾体进行适当改进的设想:刀盘南面板式改变为辐条式、螺旋输送机由轴式改变为带式、对卵石的处理方式由破碎为主变为全部排出,这样将可以大大降低施工成本,解决地表易坍塌的问题,创新改进后的盾构设备配置将更适合成都地铁盾构施工.     

无水漂卵砾石地层土压平衡盾构施工关键技术

文章以北京地铁九号线丰台东大街站—丰台北路站区间全断面无水漂卵砾石地层盾构掘进工程为背景,基于地质勘查资料和试验探井的分析结果,掌握了该漂卵砾石地层的空间分布规律和力学性质。在合理选用辐条式土压平衡盾构的基础上,通过对盾构机关键部件进行适应性改造,降低了刀盘刀具磨损。施工中通过掘进参数的有效选择,实现了该类型盾构机在全断面卵砾漂石地层中的长距离掘进。     

在施工隧道内更换盾构机刀盘的中心滚刀座

在盾构隧道施工过程中,盾构机在隧道内更换刀盘的刀座（特别是中心刀座）相当困难。通过广州地铁3号线盾构区间隧道在施工过程中进行更换中心刀座的实践,总结出中心刀座更换的工艺技术和经验。     

基于Web的盾构机远程监控系统开发

基于Web的盾构机远程监控系统实现了多台盾构设备集中监控、多用户通过互联网访问盾构机信息和远程诊断预测等功能,使得系统使用更加科学合理。从系统的总体结构、硬件布置和软件开发等3方面对系统进行研究,实现了用户或技术人员远程通过浏览器访问多台盾构机、掌握运行状况的目的。监控系统提高了盾构机管理的便利性和有效性。     

无水大粒径卵砾漂石地层盾构选型研究

文章依托北京地铁9号线工程实例,针对北京典型无水大粒径卵砾漂石地层盾构施工所面临的问题,提出了"以疏为主、以隔为辅"的盾构设备选型理念,开展了盾构机刀盘、刀具、加泥及泡沫系统、螺旋输送系统、同步注浆系统、刀盘驱动系统等关键设备的适应性研究和改造升级。实践证明,改造升级后的盾构设备适用于北京典型无水大粒径漂卵砾石地层,极大地提高了掘进速度,降低了建设成本。     

盾构工程钢筋混凝土箱体辅助始发技术

在通过江、河等大埋深隧道工程中,盾构始发施工通常面临着涌水、涌沙等风险。文章针对工程特点,介绍了一种采用临时钢筋混凝土箱体辅助始发的工法,即盾构机先下井,修筑混凝土箱体并用回填土将盾构机密闭,使盾构从密闭箱体中始发,待盾构通过洞门后再补充注浆封堵洞门间隙。实践证明,该工法有效地降低了盾构始发涌水、涌沙的风险。