深圳轨道交通11号线车公庙站—红树湾站区间复合地层 7 m盾构刀盘的适应性分析

盾构刀盘与地层间的适应性是制约盾构应用效果的关键因素,这一点在复合地层中尤为突出。深圳地铁11号线采用了7 m CET6950型复合土压平衡盾构,分析其盾构刀盘与深圳复合地层的适应性,既利于工程建设的开展,又利于推动我国盾构技术的发展。依托深圳城市轨道交通11号线车公庙站—红树湾站区间隧道工程,依据盾构刀盘的设计经验和广州、深圳复合地层中盾构施工的案例,并结合本区间盾构始发段掘进参数,就盾构刀盘与复合地层之间的适应性进行分析。分析指出： CET6950型盾构刀盘与复合地层具有良好的适应性。     

土压平衡盾构掘进施工中泡沫改良工艺的研究

为适应土压平衡盾构在复合地层中施工,需将盾构开挖地层中的土体改良成具有良好的塑性流动性、较低的渗透性,以及较小的内摩擦角,通常采取在开挖面及土仓内注入土体改良剂。现对土压平衡盾构掘进施工中的泡沫改良工艺进行叙述,对泡沫改良机理、泡沫使用参数、盾构机改良系统等方面进行了研究。     

无水砂层土压平衡盾构长距离掘进施工技术

在石家庄典型地质全断面无水砂层及无水粉质黏土与砂层组成的复合地层,土压平衡盾构掘进施工中易出现“盾构推力扭矩大、盾构出土不顺利、地表沉降量较大、刀盘螺旋输送机磨损严重、盾构掘进姿态控制不易控制”等施工难点。以石家庄市轨道交通1号线和平医院站-烈士陵园站区间施工为背景,通过盾构选型、掘进参数统计及分析,得出盾构在全断面砂层中掘进时必须向改良土体注入膨润土泥浆和泡沫,以达到改良和建摩的作用;盾构在粉质黏土和中粗砂组成的复合地层中掘进时,单独使用泡沫改良土体就能满足掘进要求,膨润土泥浆将不以改良渣土为第一目的,而以润滑为第一目的;在这种地层掘进时,不应只注重掘进是否顺利,还应保护盾构构件,因此在黏土地层和砂层的复合地层掘进时,加入水或膨润土泥浆是必要的。     

上海软土地区盾构施工中采用泡沫改良剂的试验研究

以上海地区典型的3，4，5，6号土为对象，对盾构施工中采用泡沫改良剂进行了试验研究。结果表明:上海软土进行盾构施工时，当室内试验中切削仪扭矩低于2150 kN·m时可不进行土体改良。对于需要改良的土体，如高黏性的上海6号土，可通过添加30%的泡沫进行改良。添加一定量的水（添加土体含水率提高约10%的水量）后，改良效果更佳。     

盾构在富水粉细砂层中长距离平行下穿有压敏感管线施工控制技术

郑州地铁2号线国基路站-北环路站区间隧道在富水粉细砂地层中长距离下穿3条有压给水管线,给水管为混凝土管材,稳定性较差。为满足设计单位和产权单位对施工沉降的要求,分析盾构隧道下穿施工过程中,不均匀沉降导致地层土体变形的施工风险,地层沉降主要受刀盘结构形式、刀盘支撑形式（影响渣土改良效果）、渣土改良剂在刀盘上的注入位置3方面影响。从设备选择及改造、施工工艺措施方面予以优化： 1）盾构刀盘结构形式及相应配置要适应富水粉细砂层掘进和保压; 2）合理的施工参数及工艺措施对地表沉降控制的必要性。监测结果表明,管线最大沉降满足风险源控制目标。     

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。     

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。     

土压平衡盾构刀盘掘削动态数值模拟

在盾构掘进过程中,刀盘与土体之间的相互作用非常复杂。应用大型通用有限元分析软件ABAQUS建立了在砂土和黏土地层条件下土压平衡盾构刀盘掘进的非线性动力学模型,依据德鲁克-普拉格塑性屈服准则,采用包含单元删除功能的损伤失效准则模拟土体的屈服和破坏。模拟结果反映了土体在受到切削时累积塑性应变直至破坏的变化规律;刀盘在掘进过程中所受载荷呈一定周期性变化;在其他掘进参数不变的情况下,刀盘在砂土中掘进时所受轴向力和扭矩大于黏土;刀盘在砂土中的切削效率低于黏土。研究结果能够为土压平衡盾构刀盘的设计研究提供一定的理论指导。     

砂性地层土压平衡盾构渣土改良试验研究

土压平衡盾构在砂性地层中施工时,土舱内的土体很难形成塑性流动状态,土舱压力平衡难以建立,易导致开挖面失稳崩塌、排土不顺畅、地表变形过大等影响盾构推进的问题。为确保盾构顺利推进,找出适应于该地层的改良剂及改良参数,对砂性地层土体改良进行研究。针对砂性地层采用添加泡沫剂和膨润土等方法进行改良,分析泡沫半衰期及发泡倍率随泡沫浓度变化的规律,膨润土泥浆黏度及相对密度随泥浆浓度变化规律,找出泡沫剂最优发泡浓度及膨润土最佳浓度,通过坍落度试验确定改良剂注入比,通过现场掘进试验分析改良效果,研究出适用于砂性地层的渣土改良方案。     

突变载荷下盾构刀盘设计验证分析

在复杂地层条件下,由于掘进载荷不稳定,盾构刀盘受力不均、震动变形及刀具非正常损坏等是盾构施工中较为突出的问题。以工程现场刀盘与地层相关参数为基础,采用有限元方法,在不稳定载荷条件下对盾构刀盘受力特性进行分析,得出盾构在该地层不稳定载荷条件下掘进过程中刀盘应力、应变状态,可确保刀盘设计的可靠性。     

盾构施工新型防结泥饼泡沫剂的研制与应用

针对黏性土层内摩擦角小、黏聚力大、渗透系数低等特点所导致的土压平衡盾构掘进中易发生土体黏附刀盘、土舱结饼堵塞等难题，研制黏土地层专用分散型泡沫剂DCA，并在高液限、强塑性黏性土地层盾构区间进行应用。通过对新型泡沫剂应用期间盾构掘进参数分析以及与同种地层其他泡沫剂的使用情况对比，对泡沫剂的应用效果进行评价。应用结果表明： 1）分散型泡沫剂DCA的碴土改良效果与现场使用的某进口泡沫剂相当，产品性能优于国内同类产品，满足强风化泥岩地层及砂卵石夹泥岩复合地层盾构施工对碴土改良的要求； 2）使用分散型泡沫剂DCA每环可节省10%~15%的材料用量，成本较优，经济效益明显，具有广泛的推广应用价值。     

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。     

风化花岗岩地层的盾构滚刀磨损预测研究

为了研究风化花岗岩地层盾构区间盾构机滚刀的磨损状态和使用寿命,采用基于土体性质的线速率分析法、试验段滚刀磨损实测数据的直接判定法和盾构实测掘进参数的间接判定法,对深圳地铁7号线珠光站—龙井站隧道工程盾构机刀盘正面滚刀的使用寿命进行了预测,对施工中的滚刀磨损状态进行了判断。研究结果表明:预测的滚刀磨损量与实测数据误差较小;计算推断的滚刀弦磨情况与盾构开仓检查的结果相符;提出的刀具使用寿命可供施工中换刀里程选取时参考。     

郑州地铁砂性地层盾构长距离掘进技术研究

为解决盾构在砂性地层中长距离掘进可能存在的风险难题,以郑州地铁1号线2期工程为背景,分析盾构在砂性地层长距离掘进施工中可能存在的风险,在盾构掘进前针对所穿越地层的物理力学参数从耐磨性、刀盘开口率等方面对盾构进行适应性设计,在盾构掘进过程中通过现场试验确定合理的土体改良措施和注浆参数,最终顺利完成掘进。结果表明:采取上述技术措施能够有效提高盾构在砂性地层中的耐磨性和掘进效率并且控制了地表沉降,从而克服了盾构在砂性地层中长距离掘进的施工风险。     

土压盾构在富水粉砂地层中浓泥渣土改良技术研究

为解决土压盾构在富水粉砂地层掘进过程中存在的刀盘转矩过大、开挖面稳定难以控制及排土困难等问题,提高该地层盾构施工的安全性及稳定性,以无锡地铁3号线富水粉砂地层盾构区间为依托,提出土压盾构浓泥渣土改良技术,并开展土压盾构浓泥渣土改良现场试验,研究掘进过程中开挖面前地层中孔隙水压力、盾构掘进参数及地层沉降的变化规律。结果表明： 1）向开挖面注入4 m3/环泥浆后,能够将渣土的坍落度由原来的7.5 cm提高至14.5 cm,降低盾构闭舱和喷涌风险,且能减小土压、推力及转矩的变化波动; 2）浓泥浆在开挖面形成泥膜效应,可以有效降低掘进过程引起的孔隙水压力,最大可减小20 kPa。掘进完成地层稳定后,与未添加浓泥渣土改良掘进的地层相比,地表沉降值减小26.7%。     

成都地铁4号线砂卵石地层土压平衡盾构施工技术

针对土压平衡盾构在成都地铁4号线一期工程4标区间砂卵石地层条件下掘进的施工特点,根据工程施工经验和相关研究材料,从掘进速度、推力、刀盘扭矩、出渣量、同步注浆及土仓压力控制等方面,详细分析盾构关键掘进参数协调控制技术和相关注意事项,以实现掌子面的稳定和盾构安全、高效掘进。从施工难点、故障原因及应对措施等方面,对施工过程中遇到的管片整环旋转、小半径曲线段掘进、滞后沉降等施工难题进行分析和解决,从而更好地控制整个工程质量。     

大粒径富水卵石、漂石土地层大直径土压盾构掘进关键技术

为解决大直径土压盾构在大粒径富水卵石、漂石土地层条件下刀盘刀具磨损严重、刀盘被卡、地表塌陷、渣土喷涌等工程难题,结合都四山地轨道交通项目DSZQ-1标永丰站—蒲阳站区间盾构隧道工程的施工情况,从盾构选型设计、超前地质预警处理、掘进参数选择、渣土改良、螺机防喷涌等方面进行研究,总结出都江堰地区大粒径富水卵石、漂石土地层大直径土压盾构掘进关键技术,为后续工程在此类地层施工提供了借鉴依据。     

盾构掘进过程离散元仿真与交互作用分析

针对成都砂卵石地层的特殊性给盾构施工带来的刀盘卡停、中心结泥饼、刀盘过度磨损以及螺旋输送机断轴等问题,采用离散元理论及分析方法,通过模拟砂卵石地层盾构掘进过程,对盾构掘进过程中土体运动规律和受力特征进行研究。得出:1)盾构掘进过程中刀盘掌子面外围土体颗粒运动速度要高于刀盘中心土体颗粒;2)土舱中心和螺旋轴伸入土舱段左右两侧的土体运动速度较慢;3)刀盘掌子面土体及土舱内土体压缩力分布与刀盘旋转方向有关。利用EDEM与ANSYS耦合对刀盘及螺旋输送机进行有限元分析,得出:1)盾构掘进过程中刀盘的最大应力值为123.27MPa,位于云腿与法兰盘连接处,最大变形量为1.69mm,位于刀盘最外围的环形梁;2)螺旋输送机的最大应力值为59.01MPa,位于土舱后隔板和螺旋输送机筒体连接处,最大变形量为0.49mm,位于土舱和螺旋输送机筒体连接处附近的螺旋叶片外圈。     

天津地铁盾构施工对地表沉降影响的风险评估及精细化控制研究

目前我国城市地铁建设中对地表变形的要求愈加严格,仅依靠工程经验已很难实现。结合天津地铁天津站-建国道站盾构区间试验段的现场监测结果,对掘进过程中盾壳摩擦力、刀盘扭矩、掌子面压力和注浆压力等盾构掘进参数对地表沉降影响进行参数化模拟分析,并针对盾构掘进参数的波动造成的地表沉降计算结果进行风险损失等级的可拓法风险评估,基于风险损失评估结果以及盾构掘进参数实测结果进行统计分析得到风险失效概率,从而计算出各致险因子的风险值并提出相应的精细化控制措施。结果表明： 1）该隧道试验段致险因子按风险值从大到小依次为盾壳摩擦力、注浆压力、掌子面压力、刀盘扭矩; 2）在该区间后续下穿高速铁路的盾构掘进过程中,针对风险值较大的盾壳摩擦力、注浆压力波动制定精细化的风险控制措施,最终使地表沉降稳定在5.1 mm,满足了铁路运营的要求。     

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。