盾构刀具关键技术及其最新发展

针对盾构刀具技术研究存在的不足,从刀具种类及适应性、性能差异性等方面对盾构刀具技术及其发展历程进行概述。将盾构刀具关键技术分为刀具结构、刀具材料、刀具制造工艺及磨损检测技术等4个方面,对梯度结构刀圈、新型刀毂、内腔带压滚刀等新型盾构刀具结构进行介绍;对新型硬质合金刀圈、粗晶颗粒硬质合金、耐磨堆焊材料等具有优越性能的刀具材料进行研究;从熔炼及锻造、等温球化退火、热处理工艺等方面分析刀具制造工艺;在统计分析刀具失效形式的基础上,全面分析刀具质量稳定性、现场管理措施、安装形式等影响因素,阐述刀具磨损检测技术现状,提出刀具磨损量可视化测量等发展方向。最后对盾构刀具技术的最新发展进行总结,提出今后的研究方向,为盾构刀具优化设计及盾构施工中的刀具管理提供指导。     

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。     

复合盾构土舱可视化实时监测系统研究

为了在复合盾构掘进过程中实时监测土舱的情况,获得刀盘的旋转状态、刀具的磨损状况、开挖地层的图像信息和渣土的流动特性,建立一套土舱可视化实时监测系统,该系统通过上位机监控系统实时监测前端设备的工作状态,并将摄像机采集的信号实时传输到视频采集系统。介绍该系统方案,重点探讨其结构设计、硬件设计、软件设计,并通过室内和现场试验进行验证该系统的有效性。结果表明,该系统可实现土舱的实时视频监控、录像、回放以及系统温度、湿度和压力的监测。     

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。     

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。     

盾构刀具切削研究进展及非正常磨损实例分析

盾构刀具在切削岩土体过程中的受力形态和磨损情况是决定工程施工顺利与否的关键因素之一。然而,在穿越高磨蚀性的砂卵石及土岩复合地层时,常会面临因刀具过量磨损而导致盾构机无法正常掘进等难题。针对刀具切削岩土体过程的受力与磨损问题,从刀具磨损监测方法、切削机理、切削过程受力的试验和数值模拟等方面系统地总结了近年来的相关研究进展,并通过典型工程案例分析了目前严重困扰盾构掘进的刀具非正常磨损问题。关于刀具磨损监测方法,目前通电式和超声波式监测技术在盾构施工中被广泛应用,并逐步发展形成连续成像的摄影测量和DCRM技术;在刀具切削力学模型方面,重点阐述了滚刀张拉破岩模式和CSM力学模型,以及刮刀的流动切削模型和Mckyes-Ali模型;刀具切削和磨损试验分别从岩土磨蚀单元试验、单个刀具切削试验和刀盘整体切削的模型试验3个方面研究刀具切削磨损效果;数值模拟研究则偏重于研究岩土体在不同的切削条件下应力状态和破碎形态的变化情况;刀具非正常磨损直接缩短刀具的使用寿命,具有突发性和不规律性的特点,是工程实际中最为典型的刀具磨损方式。最后,针对盾构刀具切削与磨损形式,展望了盾构刀具切削磨损在刀具监测方式、外形及布置方式、合金材料和焊接工艺等方面的发展趋势。     

TBM、盾构盘形滚刀硬岩掘进的刃口磨损形状分析及优化对策

为探索TBM、盾构盘形滚刀在破岩中与岩石的相互作用过程,优化掘进机在不同类型及类别岩层中的设备选型及刀盘刀具配置,提高破岩效率,以TBM、盾构在国内不同地区硬岩掘进实际工程案例中正常磨损的滚刀刃口磨损形状为依据,分析其磨损机制,得到以下结论:1) TBM、盾构的硬岩掘进对应于不同的机型、掘进模式、掘进参数、岩石强度、滚刀梯度硬度,其正常磨损的滚刀刃口会出现不同的特定的磨损形状。2)刃口磨损形状是在特定的边界条件下出现的结果,反过来会影响掘进效率。3)根据刃口磨损形状分析结果可知,优化及选择合适的机型、掘进模式、掘进参数、滚刀配置可以提高破岩能力及效率,延长滚刀使用寿命。     

盾构刀具切削研究进展及非正常磨损实例分析（双语出版）

盾构刀具在切削岩土体过程中的受力形态和磨损情况是决定工程施工顺利与否的关键因素之一。然而,在穿越高磨蚀性的砂卵石及土岩复合地层时,常会面临因刀具过量磨损而导致盾构机无法正常掘进等难题。针对刀具切削岩土体过程的受力与磨损问题,从刀具磨损监测方法、切削机理、切削过程受力的试验和数值模拟等方面系统地总结了近年来的相关研究进展,并通过典型工程案例分析了目前严重困扰盾构掘进的刀具非正常磨损问题。关于刀具磨损监测方法,目前通电式和超声波式监测技术在盾构施工中被广泛应用,并逐步发展形成连续成像的摄影测量和DCRM技术;在刀具切削力学模型方面,重点阐述了滚刀张拉破岩模式和CSM力学模型,以及刮刀的流动切削模型和Mckyes-Ali模型;刀具切削和磨损试验分别从岩土磨蚀单元试验、单个刀具切削试验和刀盘整体切削的模型试验3个方面研究刀具切削磨损效果;数值模拟研究则偏重于研究岩土体在不同的切削条件下应力状态和破碎形态的变化情况;刀具非正常磨损直接缩短刀具的使用寿命,具有突发性和不规律性的特点,是工程实际中最为典型的刀具磨损方式。最后,针对盾构刀具切削与磨损形式,展望了盾构刀具切削磨损在刀具监测方式、外形及布置方式、合金材料和焊接工艺等方面的发展趋势。     

基于超声波的盾构切刀磨损无线检测系统研究

刀具磨损检测已经成为盾构法施工隧道的关键技术之一,也是施工遇到的最大难题之一。为实现实时探查复杂地质条件下刀具磨损情况,掌握刀具磨损变化规律,及时更换刀具,减少盾构被迫停机次数,加快施工进度,结合超声波检测技术及无线通讯技术,研发一套盾构切刀磨损检测系统。现场应用证明:1)系统检测结果与实际测量结果一致性较好,超声波检测技术可用于盾构刀具磨损检测;2)433 MHz频段无线通讯技术传输信号准确、可靠,可用于盾构刀具在线实时测量;3)检测系统运行状态稳定,其方案设计合理,具有抗振、抗干扰和防水的性能。     

复合盾构滚刀磨损的无线实时监测系统

为了实时监测复合盾构掘进过程中滚刀的磨损和工作情况,建立了一套滚刀磨损的无线实时监测系统,将滚刀刀圈与传感器之间的距离变化转换为电压信号,经计算处理后得到滚刀刀圈的磨损量。在信号传输中使用无线结合有线的方式,将监测数据从终端节点经中继路由传输到上位机监控系统。分析了滚刀失效的主要类型、监测及判断机制,重点探讨了其安装结构和实现方案。结合某工程现场实验,证明该系统能有效地监测滚刀刀圈的磨损量,从而实现滚刀刀圈磨损的实时监测。     

盾构刀盘切削钢筋混凝土桩基室内试验研究

针对盾构穿越钢筋混凝土桩基的工程难题,开展盾构刀盘切削钢筋混凝土桩基的室内试验,设计全刀盘滚刀和全刀盘撕裂刀直接切削钢筋混凝土桩基的各6组掘进试验方案。通过对切削桩基效果、钢筋破坏形态、刀盘振动特性及刀具损伤形式进行统计分析,揭示全刀盘滚刀和全刀盘撕裂刀2种刀具对钢筋混凝土桩基的切削原理,并进一步评价滚刀和撕裂刀切削混凝土桩基的优缺点。结合不同掘进参数下盾构刀盘推力、转矩的变化情况,提出盾构刀盘直接切削钢筋混凝土桩基的滚刀和撕裂刀高低组合配置方案以及合理掘进参数。通过以色列地铁项目验证了该方案能有效将钢筋完全切断切短,有利于钢筋直接通过螺旋输送机排出,可提高施工效率和避免开舱处理钢筋风险。     

隧道盾构机开仓换刀环境的选择

受地层条件及刀具耐磨的影响,盾构机在掘进隧道施工到一定工程量后,刀具将会磨损,须换刀处理。由于地层条件的复杂性,开仓换刀条件的确定很重要。结合广州地铁三号线大石—汉溪盾构区间施工实例,介绍了盾构机开仓换刀环境的选择与经验。     

土压平衡盾构脱困技术及经验教训

为解决土压平衡盾构通过硬岩地层时被卡死的难题,以重庆地铁6号线土压平衡盾构施工为例,施工中采取以下脱困措施:1)采用爆破方法破除盾体上方围岩使盾构脱困;2)采用抬高刀具和增大开挖直径的方法解决边滚刀磨损超限造成盾体被卡的问题;3)爆破脱困后,对爆破形成的空腔进行注浆回填,保证盾构施工安全。针对盾构卡机问题,提出以下防卡措施:1)盾构在硬岩条件下施工,给盾构机配备扩挖刀;2)定期对刀盘情况进行检查。     

超大直径土压平衡盾构近距离下穿人行通道施工控制技术

该文采用数值模拟方法分析超大直径土压平衡盾构下穿人行通道施工时的土舱压力设定;提出主要通过控制注浆压力来控制穿越阶段的同步注浆施工;建议将穿越段分为不同的控制阶段,各区长度的确定则要综合考虑盾构穿越层土压力的大小、盾构机推进的影响范围、盾构机土舱压力的调整能力等。推进过程中结合其他措施将某隧道近距离下穿人行通道的不均匀变形控制在2mm左右。     

电涡流传感器在盾构滚刀磨损监测系统中的应用研究

为了在盾构掘进过程中实时监测滚刀的磨损和工作情况,建立一套基于电涡流传感器的滚刀磨损实时监测系统,将滚刀刀圈与传感器之间的距离变化转换为电压信号,经计算处理后得到滚刀刀圈的磨损量。重点探讨电涡流传感器的检测机制,并设计制作结构紧凑、测量精度较高的非接触式电涡流传感器。结合某工程现场试验结果进行温度补偿,实现了滚刀磨损的实时监测,试验结果表明了电涡流传感器在该系统中的有效性。     

大直径泥水盾构针对长距离施工的优化

大直径泥水盾构在复杂砂卵石地层中长距离掘进施工,盾构经常会受到刀盘刀具磨损严重、进排浆管及阀磨损严重、破碎机及泥舱门故障和突发事件等因素影响而导致停机,从而降低了盾构设备的性能,严重时将直接威胁施工安全。为了优化盾构设计、方便检修及降低施工风险,对北京某项目12 m级泥水盾构在施工过程中出现的问题,通过对刀盘刀具、泥水循环系统、破碎机和泥浆门、电气系统、监控检测系统等的优化,提高了设备的利用率和施工效率,降低了施工风险和施工成本,确保了人员和设备的安全。     

盾构刀具磨损超声波检测系统室内试验研究

为实现准确检测刀具磨损量,判断换刀时机,节约刀具成本费用,确保施工安全的目的,结合目前超声波检测技术现状及国内外相关工程技术资料对盾构刀具磨损检测系统进行介绍,并在检测仪安装调试的基础上进行室内试验。验证检测仪的应用效果如下:1)研发的检测仪具备RS485通讯方式,具有实时显示功能,并通过电滑环的应用解决了测线在盾构运行过程中的绕线问题;2)新型超声波检测仪可在振动且具有一定温度的掘进环境中实时、准确地检测磨损量,并具有较好的系统稳定性。     

刮刀及撕裂刀磨损实时监测系统

为降低人工检修的风险,提高施工效率,辅助盾构操作司机判断是否需要更换刀具,对刮刀磨损量的可视化管理系统进行研发。通过对电阻排式的磨损传感器进行研究,介绍传感器如何很好地将信号传至接收仪器并在上位机实时显示,并对刮刀及撕裂刀磨损实时监测系统进行详细阐述。将此套系统应用于北京新机场线地铁项目,结果表明： 磨损传感器精确度较高,通用性较强,磨损量可实时在上位机界面上显示,提高了盾构施工的效率。     

压气条件下大直径泥水盾构饱和法开舱技术

针对目前大直径盾构在水文地质条件复杂、江河湖海底部等不利环境下,排除盾构故障、清理障碍开舱方法的缺陷,提出盾构压气条件下饱和法开舱作业技术。先根据地质勘查报告了解本次盾构停机区域的地质情况,再在介绍饱和法开舱作业原理的基础上介绍掌子面压力计算、闭气泥膜的形成、饱和法盾构开舱设备及其开舱技术工艺流程等。通过工程实际应用可以得出:饱和法开舱作业可成功处理施工中遇到无法采用常规方式进行的停机检查或刀具更换等作业的施工难题,提高盾构对复杂地层的适应性,并拓宽盾构的应用范畴。     

基于磨损比耗指数的滚刀磨损定量预测方法

为定量预测盾构掘进复合地层时不同刀位的滚刀磨损量,以滚刀磨损的逐刀量测及相应的破岩体积的分层统计为基础,将位置各异的滚刀磨损比耗指数(SWI)——滚刀磨损增加量与破岩体积之比,按滚刀掘进地层进行分类统计,得到以掘进参数为自变量、适用于4种均质地层的SWI回归方程。将SWI回归方程与磨损量的分层求和法相结合,提出基于磨损比耗指数的复合地层滚刀磨损的定量预测方法。研究表明:1)磨损比耗指数同时考虑磨损量与滚刀安装位置、掘进距离的关系,物理意义明确;2)SWI回归方程预测精度较高,可为刀圈极限磨损预测提供掘进参数预警值。通过分析方程系数与岩性的相关性,提出在不同地层中有利于减缓滚刀磨损的掘进参数调整方法。实测结果表明,复合地层滚刀磨损定量预测方法在磨损量预测,尤其是滚刀寿命预测中具有较高的精度。