复合地层大直径泥水盾构滚齿刀常压更换技术研究

泥水盾构在掘进过程中,由于受到环境条件有限、地质条件差、水土压力高、地层复杂多变等多种因素的影响,如何安全高效地更换滚刀和齿刀一直是盾构施工所面临的工程难题。本文提出一种高水土压力条件下滚刀、齿刀常压更换技术,介绍该技术的工作原理和作业要点,并以武汉地铁8号线越江隧道工程为例,针对越江隧道江中段的上软下岩复合地层以及工程所面临的特有工程难点,详细阐述滚刀、齿刀常压更换技术的具体操作步骤及其技术优势。通过采用该技术,有效提高了换刀效率,降低了安全风险,确保了施工的顺利进行。     

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。     

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。     

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。     

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。     

盾构法施工超高水压换刀技术研究

为适应水底隧道盾构法技术的大深度化施工需求,通过研究带压换刀装置、超高水压条件下常压进入刀盘轮幅的常压换刀装置、超高水压作业设备的配置、超高水压进舱换刀开挖面透气控制标准与降低开挖面透气性的措施、超高水压作业程序、超高水压换刀压缩气体压力确定及超高水压作业模式的确定等,以解决超高水压条件下刀具检查与更换的技术难题。得出饱和气体盾构进舱换刀的作业原理与饱和气体潜水作业基本相同,具有实施的可能性。     

厦门轨道交通3号线跨海段盾构滚刀磨损预测

为有效控制海底隧道盾构刀具更换风险,提高盾构施工效率,针对厦门轨道交通3号线跨海段复杂地层,通过开展不同类型岩石的缩尺滚刀磨损试验和岩石磨蚀性试验,揭示滚刀材料磨损速率与岩石磨蚀性指标CAI值呈幂指数关系,建立通过测定拟建工程岩样CAI值预测工程刀具消耗的方法。利用建立的预测方法,对厦门轨道交通3号线中微风化花岗岩地层的滚刀批量换刀距离进行预测,得到该地层下边滚刀的批量换刀距离为50 m,正滚刀的批量换刀距离为215 m; 并在此基础上给出滚刀更换位置与换刀工法建议,为该工程与类似工程施工提供参考。     

大直径盾构端头素桩加固技术

本文对大直径盾构的端头加固技术进行了探讨,通过北京地下直径线盾构工程建设的实例,讨论采用素混凝土桩的加固方法,解决砂卵石地层大直径盾构始发安全及长距离掘进中途实现常压换刀的技术难题。结果表明:工程加固效果明显,盾构始发成功,地表下沉较小,无坍塌情况出现。     

超大直径泥水盾构带压进舱换刀技术研究与应用

对于复杂地质条件下的盾构掘进,刀具更换往往不可避免。由于地质的复杂性、多变性和周边条件的局限性,常常无法实施盾构周边土体加固常压进舱换刀。带压进舱换刀技术以无需地层加固、地质适应性强、对周边环境要求低和影响小等特点,解决了苛刻条件下的换刀难题。为了能实现强渗透地层气压状态下开挖面稳定,采用室内试验对进舱泥膜的气密性进行了研究,研究结果表明： 进舱泥膜不仅要在开挖面形成一层致密的不透气泥皮型泥膜,还需在地层中形成均匀的透渗带泥膜,方能达到最佳的闭气效果。基于研究成果,南京纬三路过江通道N线工程实现了泥水盾构开挖面大面积气压支护进舱作业,并采用压缩空气作业与饱合潜水作业完成了盾构刀盘的维修和刀具的检查与更换。     

南京地铁过江隧道总体设计与施工

以南京地铁3、10号线过长江隧道为背景,针对其距离长、风险高、施工难度大等特点,在国内地铁行业首次提出采用单洞双线大直径盾构隧道的断面形式。分别从设计与施工难点及采取的措施出发,通过工程类比、仿真计算、现场试验等研究手段,确立了11.2 m外径的单管双线三层内部结构的地铁过江大直径盾构隧道横断面,解决了地铁大直径盾构隧道衬砌环分块形式,提出了利用隧道顶部富裕空间的纵向通风模式。实践证明,在直径为10～12 m类大直径盾构隧道的常压换刀的应用中是可行的、安全的。研究成果可为城市大断面越江地铁盾构隧道工程提供借鉴。     

一种适用于机器人换刀的新型滚刀刀座设计与分析

针对传统刀具更换动作复杂、机器人无法快速拆装刀具的问题，分析传统刀具卡块式紧固方式的受力特点，进行联动传动链与结构尺寸综合设计，开发一种连杆闭锁刀具紧固结构，实现机器人一次动作完成刀具快速拆装。利用有限元技术和接触理论，建立刀座紧固力学模型，研究刀座设计参数对刀座结构性能和紧固性能的影响关系；通过ANSYS Workbench平台，分析掘进工作状态下刀座应力分布和变形量，验证新型刀座静强度可靠性。经分析，新型刀座能够实现机器人一次位姿调整下刀具快速拆装，且满足掘进机施工对刀座系统的力学性能要求。     

海底隧道基岩突起段地层典型滚刀破岩实验研究

为制定高强度花岗岩基岩突起地层的盾构掘进方案，在汕头海湾隧道现场取回花岗岩岩样，测试出CAI值及元素成分，进行滚刀破岩实验，对比分析相同工况下48.26 cm（19英寸）2种典型盘形滚刀（镶齿和一般平刃）的破岩效果，研究48.26 cm（19英寸）一般平刃在不同推力和刀间距下的掘进参数变化情况。实验结果表明： 1）工程现场的花岗岩岩样Si元素平均含量为37.35%，CAI值为3.56~3.91，为高磨蚀性岩石； 2）相同工况下，一般平刃滚刀具有更高的掘进效率； 3）单把滚刀总推力为300 kN时，掘进速度为4.1 mm/min。     

基于复合磨蚀试验台的滚刀磨损试验研究

为提高TBM滚刀与地层的适应性,降低滚刀磨损速率,应用滚刀复合磨蚀试验台进行滚压磨损试验,对小尺寸滚刀开展不同岩性、几何参数（刃宽、刃形、直径）和贯入速度的磨损规律研究。通过对磨损量统计发现： 磨损量与岩样CAI值的平方正相关; 宽刃滚刀较窄刃滚刀磨损速率快; 圆刃滚刀相对平刃滚刀有更好的耐磨性; 滚刀直径与磨损速率相关性不强,但大直径滚刀具有径向磨损量大的优势; 在一定区间内较大的贯入速度能够减少刀具磨损,同时具备较高的破岩效率。     

复杂地质条件下TBM刀具失效形式及原因分析与应对措施

为研究分析复杂地质条件、不合理掘进参数等与TBM刀具异常损坏、刀具消耗的关系，以利于TBM掘进效率和施工成本的控制，在系统阐述TBM刀具常见失效形式的基础上，研究分析总推力、刀盘转速、刀具贯入度等掘进参数及不同围岩单轴抗压强度、石英质量分数等地质参数对刀具磨损及异常损坏的影响规律。以引汉济渭秦岭隧洞和中天山隧道工程为例，对刀具消耗及失效形式进行统计分析，并从刀具选型、检查及维修等方面，提出针对性的优化方法。最后，基于目前刀具配置及监测技术存在不足的现状，提出应进一步研发刀间距可调的刀具配置技术，以确保不同地质条件下的刀具破岩效率；同时，加强对TBM工作环境具有较强适应性的新型刀具状态监测系统的研发及应用。     

适用于复合地层的硬岩泥水平衡顶管关键技术

为了提高国产顶管对硬岩复合地层等复杂地质条件的适应性和设计制造水平，结合南宁市邕宁区污水管道工程，对适用于复合地层的硬岩泥水平衡顶管关键技术进行探究。其关键技术包括： 研究适用于复合地层的紧凑型刀盘结构，优化刀具组合形式；基于常用的岩石破碎方法，设计一种变位剪切二次破碎机构； 通过刀盘偏心超挖、设置石粉导流槽、盾体注入黏土的方法，解决硬岩地层中易卡盾体、卡管节的难题；完成“泥水舱+气垫舱”的双舱设计，采用泥水压力快速精准测量、阀门模块化自动控制，实现地层的低扰动掘进； 进行带压换刀和常压换刀的针对性设计，实现狭小空间快捷安全换刀；结合泥水循环系统多种模式的转变和自冲洗、高压水冲洗位置的合理布置，提出泥水循环系统防堵塞措施。研制出的适用于复合地层的硬岩泥水平衡顶管在工程施工过程中掘进性能良好，地质适应性强。     

砂卵石地层大直径泥水盾构刀具配置适应性分析

针对北京地下直径线工程开展刀具配置适应性分析,通过对大直径泥水盾构在砂卵石地层中掘进施工现状进行总结及对掘进刀具的磨损量进行测量、分析,提出适应砂卵石地层大直径泥水盾构的刀盘刀具配置方式及合理的换刀距离,为后续施工及类似工程提供一定的参考和借鉴。