矩形顶管在城市地下空间开发中的应用及前景

论述了矩形顶管机的一般结构形式,重点对平行中心轴式刀盘矩形顶管机、偏心多轴式刀盘矩形顶管机、行星齿轮式切削矩形顶管机、多联分体组合式矩形顶管机的结构特点和地层适应性进行了论述。详细介绍了矩形顶管在城市过街通道、地下商业空间、地下停车场等领域地下空间开发中的应用成果;同时对矩形顶管在地下综合管廊、地下物流通道、海绵城市建设等其他地下空间中的应用前景进行了探索;最后,对矩形顶管设备进行了展望并对其发展方向提出了一些建议。     

砂卵石层矩形顶管机切削技术及排渣系统研究与应用

为探索矩形顶管机在砂卵石层中的适应性,以成都市下穿人民南路人行通道矩形顶管项目为依托,对矩形顶管机在砂卵石地层中的组合式刀盘布置、下部刀盘减阻技术、螺旋机叶片安装位置和闸门结构形式等切削及排渣关键技术进行研究。结果表明： 1）采用同平面刀盘开挖形式,可减少前后刀盘布置带来的卡卵石现象,避免卵石对刀盘的的冲击,更能适应砂卵石地层的施工; 2）全部或部分切除下部刀盘加强大圆环,进行结构优化,在满足砂卵石地层开挖需求的同时,降低切削转矩20％左右; 3）带式双螺旋输送机螺旋叶片伸入土舱设计使螺旋输送机携渣能力提高3倍,且弧形闸门装置能够对渣土实现有效封堵。     

郑州市下穿中州大道超大断面矩形隧道顶管姿态控制技术

郑州市下穿中州大道矩形顶管隧道工程具有断面超大、覆土浅、4条隧道平行布置、净间距小等特点。为有效控制顶管掘进姿态,全方位介绍了顶管姿态控制、纠偏措施,并对铰接纠偏、双螺旋机出土、六刀盘操控、注浆纠偏、小间距推进控制等关键控制技术进行了详细阐述。实践表明,超大断面矩形顶管在浅覆土、小间距、多次扰动的情况下,采取铰接纠偏、双螺旋机出土、六刀盘操控、注浆纠偏等技术可有效控制顶管姿态。     

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。     

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。     

海底复杂地层超大直径盾构刀盘设计与优化

为解决海底复杂地层超大直径盾构刀盘设计中面临的刀间距布置、刀盘结构分析、刀盘功能优化等难题，基于某海湾隧道工程地质、水文特点，对盾构穿越海域段全断面软土层、孤石侵入的软土地层、基岩突起地层等工况开展分析。首先，开展室内不同刀间距破岩实验确定中心区域间距并提出刀盘刀具的总体布置方案；其次，采用数值计算对刀盘结构进行静力学和模态分析，结构的最大应力为190 MPa，最大变形为6.2 mm，前6阶频率为26.6~42.9 Hz，固有频率避开了工作频率；最后，考虑工程特点进行集中控制分布式冲刷系统、刀具运行状态监测及耐磨保护措施的刀盘功能优化。工程应用表明，刀盘结构强度、刚度满足要求，刀间距设计合理，刀盘优化措施提升了盾构在淤泥及海底软硬不均地层的适应性，可为类似海底复杂地层盾构选型及设计提供一定的参考。     

浅埋小间距矩形顶管掘进姿态控制技术探讨

为解决采用结构分割转换工法（CC工法）建造的某地下停车场小间距隧道群矩形顶管施工中顶管机出现栽头及掘进姿态控制困难的问题，结合项目施工过程的姿态监控数据，对产生栽头及姿态偏差的原因进行理论分析，提出相应的控制技术，并采取现场试验的方法进行效果验证。结果表明： 1）顶管机栽头现象的原因主要有顶管机体重心偏差、漏浆、姿态预留不够、后靠不稳； 2）通过设备和管节定位处理、洞门密封处理、增加始发姿态预留量、后靠稳定性控制等措施可有效防止顶管机栽头； 3）始发阶段采取洞门预留、破除等控制措施，掘进阶段控制掘进速度并辅以“E”型导向槽进行轴线控制等措施，可有效控制顶管机顶进姿态； 4）通过采取调整铰接油缸行程差、主推油缸行程差及姿态偏差方向的土压等姿态纠偏技术措施，取得了良好的施工效果。     

不同几何结构的TBM刀盘静力学性能对比分析

刀盘是全断面岩石掘进机（TBM）的核心部件,其变形量是否满足要求、应力分布是否合理决定了掘进机能否安全可靠地工作。为对比分析不同几何结构TBM刀盘的静力学性能,基于应用在秦岭隧道的TB880E型平面刀盘,设计了具有相同开挖直径和滚刀数目的锥面刀盘和球面刀盘;通过建立3种刀盘的有限元计算模型,分析了相同工况下3种刀盘的变形和应力分布。分析结果表明： 相同工况和掘进参数条件下,平面刀盘的应力最小,而锥面和球面刀盘的盘面变形较小。这说明平面刀盘结构平滑,不易产生应力集中,刀盘强度较高;球面和锥面刀盘的刀盘面呈拱形结构外凸,可以有效提高刀盘结构的整体刚度。     

顶管机在含有钢筋等柔性杂物复杂地层中的改进及应用

为解决顶管施工穿越含有钢筋等柔性杂物的复杂回填土层时出现的破碎不完全、刀盘缠绕、排渣管道堵塞等问题，首先，分析钢筋的破碎特性和复杂回填土地层的特点，研究贝壳刀切削、破碎机制； 其次，针对含有混凝土、石块等硬物质和钢筋等柔性杂物的复杂地层，对顶管机结构进行改进和创新性结构设计； 再次，对顶管机渣土排放设备、泥舱结构进行改造设计； 最后，采用特殊控制系统和施工工法辅助施工。将该创新技术应用在深圳海斯比顶管工程中，顶管成功穿越了含有大量钢筋等柔性杂物的建筑垃圾回填土层。     

砂卵石地层泥水盾构施工技术难点及控制措施分析——以兰州地铁穿黄隧道工程为例

为解决泥水盾构在砂卵石地层掘进过程中所面临的刀盘结构磨损严重、刀盘开口率调节不便、刀具磨损严重、泥水环流系统堵塞以及泥浆管路磨损严重等工程技术难题,针对兰州地铁穿黄隧道工程富水砂卵石地层条件,提出刀盘结构适应性改进措施、刀具磨损控制措施、环流系统改进措施以及泥浆管路磨损控制措施。研究表明： 1）对刀盘结构进行适应性改进,可有效解决砂卵石地层刀盘结构磨损严重和刀盘开口率调节等问题; 2）将边缘单刃滚刀改为双刃滚刀,导流刀改为撕裂刀,可有效增强盾构刀具的耐磨性能,提高盾构的掘进效率; 3）从碎石系统改进和大漂石、卵石处理2个方面对盾构环流系统进行改进,可有效解决盾构环流系统堵塞的问题; 4）将整体泥浆管路分为3段,相邻管路之间用法兰盘连接,可有效解决泥浆管路局部磨损严重的难题。     

富水砂卵石地层矩形顶管机的研究及应用——结合成都川大下穿人民南路人行通道工程

以成都川大下穿人民南路人行通道矩形顶管项目为依托,对富水砂卵石地层矩形顶管机关键技术进行研究。1)为探索同平面多刀盘联合开挖矩形断面技术,采用ANSYS Workbench有限元仿真分析方法对刀盘结构进行优化,得出:刀盘采用箱体式4辐条结构外加大圆环支撑形式,可满足强度需求的同时有效提高刀盘开口率。2)研究针对大粒径卵石的双螺旋输送机排渣技术,利用ANSYS仿真分析对螺旋叶片厚度进行优化,通过工业性试验表明:大直径、大节距螺旋叶片设计可有效提高卵石地层的排渣效果,实现450 mm粒径卵石的顺利排出。3)采用正交试验对掘进过程中渣土改良工艺进行研究,获得适应该地层的渣土改良方案。     

大东湖核心区污水传输支隧工程顶管施工关键技术研究与应用

为解决超深长距离曲线双管岩石顶管项目中顶进距离长、小净距曲线顶进、地质复杂等难点问题,采用适应性设计的刀盘及盾体、双极纠偏、智能化控制系统等顶管机研发技术,采用自动导向测量系统和膏浆技术、分段注浆等注浆减阻技术,采用高效的泥浆系统、严格的泥水作业管理等施工技术。结果表明:1)该种泥水平衡式顶管机满足长距离曲线顶管施工,采用智能化控制系统使设备操作及项目管理更为便捷;2)高压膏浆减阻配合常规触变泥浆分段注浆对顶管进行减阻,可有效减小顶管摩阻力,经计算实际顶力仅为理论顶力的60%左右;3)采用自动导向系统满足连续小角度、小范围的纠偏,可确保顶管机顺利出洞;4)高效的泥浆系统、严格的泥水作业管理可有效克服复杂地层、小净距双管带来的困难。     

常见盾构刀盘型式及选用

目前常见的刀盘结构有面板式和辐条式2种基本型式,以及介于2者之间的幅板式刀盘。通过文献分析和工程经验总结,首先阐述了几种型式刀盘的结构、基本配置及工程应用。随后从刀盘土舱构造、开挖面稳定、土压平衡控制、砂土的流动性、刀盘负荷、障碍物的处置、地层适应性等方面,对2种基本刀盘型式的特性进行了比较和分析。     

盾构直接切除大直径桩基的试验与工程实践

为研究盾构直接切削大直径桩基的可行性、评价滚刀和切刀的切桩性能、获取盾构切桩的关键掘进控制参数，进行盾构直接切削大直径桩基的模型试验。研究结果表明： 1)盾构切除大直径桩基宜采用“低推进速度，高转速”的磨桩方式，刀盘推进速度建议取3~5 mm/min，刀盘转速建议取1.0~1.2 r/min； 2)滚刀对混凝土的切削效果较好，切刀对钢筋的切削效果较好； 3)混凝土强度越高，滚刀对钢筋的切割效应越好； 4)滚刀切桩时，刀盘轴向振动作用明显，在低推进速度和低转速下，其刀盘的振动小于切刀切桩时刀盘的振动; 5)切刀切桩时，刀盘环向振动强烈，在高推进速度下刀盘易卡顿，提高转速可减少刀盘卡顿。     

隧道掘进机刀盘驱动多电机同步自适应耦合控制研究

为解决隧道掘进机运行过程中刀盘驱动系统各电机受力不均衡导致的部件损坏或系统故障的问题，对刀盘驱动系统结构及控制模式进行分析，建立电机矢量控制模型，提出一种改进的刀盘驱动耦合控制结构。该结构一方面可以增加从电机给定转速选择功能，消除起动阶段延时引起的同步误差； 另一方面，可以通过转速补偿耦合策略缩小电机之间的转速差。在控制方法上，设计神经网络PI控制器来控制各个电机的转速，使控制系统能够根据载荷的变化自适应调整控制参数，提高控制精度。最后，通过建立Simulink仿真模型，对比自适应耦合控制与主从控制、并行控制的同步效果。结果表明，所提出的自适应耦合控制方法能够使控制中的各个环节相互配合，可达到较好的控制性能和响应转速。     

单护盾TBM管片旋转问题及应对措施

为了解决由于单护盾TBM掘进刀盘扭矩过大或盾体姿态发生偏差时,管片在掘进过程中产生旋转,造成管片安装精度、外观质量及运输效率受到影响等问题,结合单护盾TBM在软岩地层掘进条件下,分析管片旋转产生的原因,针对刀盘等设备的结构进行设计改进、优化掘进参数、优选刀具类型、及时清理刀盘以及必要时采取牺牲管片环缝与纵缝等措施,最终解决了单护盾TBM掘进过程中管片旋转的施工难题。     

大断面马蹄形盾构施工关键技术——以蒙华铁路白城隧道工程为例

为解决大断面马蹄形土压平衡盾构施工面临的姿态难控制、泥饼、掘进困难等难题,以蒙华铁路白城隧道工程为依托,研究大断面马蹄形土压平衡盾构施工关键技术:1)针对盾构始发难题,采取始发基座、洞门密封装置安装、始发参数控制、加强段明洞提供反力等措施,保证盾构顺利、安全始发。2)在盾构掘进时,采取分区控制油缸推力或往纠偏泥浆孔注入泥浆的措施,解决姿态难控制问题;通过在砂质黄土地层添加高分子聚合物,解决渣土改良不到位和出渣不畅问题;通过制定合理有效的掘进参数和精准测量方案,保证盾构安全下穿包茂高速。3)针对盾构刀盘底部开挖盲区问题,采取在刀盘底部增设圆锥形分渣器和增长刀盘辐条的措施,解决刀盘底部盲区导致的掘进困难问题。4)针对盾构到达技术,采取接收基座及接收端墙的正确安设措施,确保盾构安全接收。     

预热温度对盾构刀盘堆焊组织和性能的影响

为解决大直径刀盘拼装焊接后残余应力大、产生延迟裂纹的问题，提出通过控制预热温度提高堆焊质量的方案。试验采用自保护药芯焊丝对盾构刀盘使用的Q345R材料进行堆焊，分别研究预热温度为50、100、150、200 ℃时堆焊组织和性能的变化。结果表明： 经过100 ℃预热后，残余应力最小，冲击韧性最好，显微硬度梯度变化幅度最小，综合力学性能最佳。将试验得出的结论用于指导刀盘堆焊时预热温度的选取，证明通过选取合适的预热温度，刀盘焊接后UT探伤结果一次合格率达到100%，在实际应用中取得了良好的效果。     

?12 m级泥水盾构刀盘的载荷转矩计算及力学性能分析

为研究某盾构隧道?12 m级大直径泥水盾构刀盘设计的合理性以及对高水压密实砂层施工的适应性,结合大直径泥水盾构的特点以及以密实砂层为主的地层条件,提出考虑土压力与刀具贯入阻力、忽略砂土间的黏聚力的刀具载荷计算修正模型,综合考虑刀盘结构及其背部泥水压力对刀盘载荷及转矩的影响,获得刀盘的输入载荷和转矩。利用ANSYS软件,建立大直径泥水盾构掘进的仿真分析模型,对泥水盾构正常掘进、偏载以及脱困3种工况进行有限元分析。结果表明:偏载工况下,刀盘的应力和变形最大,最大应力出现在刀盘下半部的主臂支撑筋板与法兰连接处,达到128.46 MPa;最大变形出现在刀盘边缘处,达到2.85 mm,刀盘性能满足设计要求。     

长距离掘进软弱围岩的TBM刀盘扩挖技术

为解决全断面岩石隧道掘进机（TBM）在软弱围岩地层的适应性问题，应对由于围岩收敛变形导致的卡机和支护被破坏的风险，基于高黎贡山隧道TBM施工项目，从TBM装备角度提出了针对性设计方案。通过对比现有的TBM刀盘扩挖技术，提出边缘滚刀外移和预留扩挖刀箱组合设计方案，并结合一套同步抬升油缸系统和中间导向柱实现了刀盘的抬升扩挖设计。通过上述研究，使刀盘半径方向扩挖量达到100 mm，避免由于隧道底部扩挖导致的主机“栽头”现象，实现TBM在软弱围岩地质条件的长距离扩挖掘进。