日本开发小型盾构常压机械换刀技术

正盾构长距离施工时常常伴随着刀具磨损,近年来不少大直径盾构隧道都配备了常压换刀装置。然而,这些装置并不适用于外径3 m左右的小直径盾构。日本大成建设和日立造船共同开发了机械式换刀技术——THESEUS(Taisei-Hitz Easy and Speedy bit Exchange Unit Systems)工法,实现小盾构的机械式常压换刀。THESEUS工法该工法从盾构内部通过可动式人闸和滑移式换刀装置完成换刀,无需设置换刀井,因此对周边环境影响小,具有更高的安全性和施工效率。     

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。     

滚刀常压换刀技术研究

针对大直径高水压条件下盾构施工刀具更换难度高、风险大的问题,结合大直径盾构刀盘结构,通过开发滚刀常压换刀装置,实现在刀盘保压的情况下,常压更换部分滚刀,不但降低了带压条件下滚刀更换成本,而且降低了换刀风险。     

AVN2440DS泥水平衡盾构机的快速换刀技术

城陵矶长江穿越隧道盾构施工中在换刀时,利用盾构机自身的泥水处理系统降低开挖仓的泥水压力,进行常压下的换刀技术。     

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。     

基岩破碎带与软硬不均等不良地层盾构掘进技术分析

为了解决并进一步研究盾构在基岩破碎带或上软下硬等不良地层中掘进时易出现的问题和盾构设备的适应性问题,针对广深港客运专线狮子洋隧道和长株潭城际铁路湘江隧道2个不同的工程项目和盾构形式,在硬岩地层掘进中出现的坍塌受阻情况和处理技术方案进行了阐述和总结。分析2个工程的地层特点、掘进时采取的措施和施工中存在的问题,论证泥水和土压平衡2种盾构在相关不良地层中的适应性和掘进技术的观点,并对双模盾构和常压刀盘的应用提出了质疑和建议,以期对今后类似工程的盾构选型和掘进施工有一定的借鉴意义。     

上软下硬特殊地层的加固换刀方法

在地铁盾构法施工中,最难通过的应属"上软下硬"地层,其表现为刀具损伤快且无法常压及压气换刀。针对深圳市填海区施工的特殊性在实践中采用旋喷桩将盾构切口环及刀盘前方进行加固及仓内砂浆回填的方法,彻底解决了"上软下硬"地质条件下的换刀难题,保障了换刀人员的安全,同时实现了低成本及短时间恢复掘进。     

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。     

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。     

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。     

双护盾TBM在深圳地铁应用中存在的问题及对策

为解决双护盾TBM在城市地铁施工中始发困难、极限小转弯半径、穿越极硬岩及断层破碎带等工程难题,结合双护盾TBM在深圳地区的应用需求,研究双护盾TBM在深圳地铁施工中存在的问题及对策。1)提出双护盾TBM在R260 m极限小转弯半径施工中的刀具磨损消耗规律、步进控制措施及测量顶台振动解决方案; 2)提出一种分体始发技术方案以解决双护盾TBM始发场地狭小、空间受限问题; 3)提出在210 MPa极硬岩工况下双护盾TBM的针对性设计及刀具优化改进措施; 4)提出双护盾TBM穿越断层破碎带掘进参数建议及应对策略。     

滚刀破岩引致岩石振动特性试验研究

隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)技术是一种安全高效的隧道工程施工方法。在TBM掘进中,滚刀刀盘系统与岩石相互作用时会产生振动现象,其振动特性与破岩机制均会影响到TBM的掘进效率和刀盘刀具的使用寿命。通过制作大尺寸砂浆材料试件,采用自主研制的TJ-TS500型线性切割试验平台,设计较为精细的振动测试系统,进行滚刀线性切削试验。试验方案考虑切深、切割速度以及试样节理特征等因素,同时在切削过程中对滚刀三向力以及试样的振动信号进行监测。通过对采集的振动信号进行快速傅里叶变换（fast Fourier transformation,FFT）,分析不同切削参数条件下的滚刀破岩振动特性。     

高黎贡山隧道高适应性TBM设计探讨

为了应对高黎贡山隧道“三高四活跃”的特殊地质条件,研制高适应性TBM迫在眉睫。通过对高黎贡山隧道TBM施工段地质特征的勘察,总结了高黎贡山隧道的主要不良地质条件,分析了TBM施工存在的软弱破碎和大变形围岩洞段TBM卡机、高地应力掌子面与护盾后方岩爆、围岩收敛挤压变形支护破坏、高压突涌水和高温热害等方面的施工风险。提出高适应性TBM的针对性设计方案,包括TBM支护系统设计、刀盘刀具设计、应对涌水设计、应对高地热设计以及其他适应性设计的初步方案。研究结果可为高黎贡山隧道高适应性TBM的设计选型和制造提供参考。     

TBM施工条件下隧洞围岩分级方法研究与应用

隧洞围岩如何分级(或称分类),才能满足TBM施工条件下的隧洞施工需要,是一值得研究的问题。结合大伙房输水工程对TBM施工条件下的隧洞围岩分级,主要针对工程岩体的可掘进性进行研究,并在此基础上进行支护结构设计,这对TBM隧洞围岩的分级方法进一步研究和TBM隧洞施工都有利。     

TBM刀具岩石磨蚀性CAI值调整系数的应用

为研究TBM掘进不同岩层的刀具消耗规律，解决川藏铁路隧道TBM施工概预算定额刀具消耗量的适用问题，根据岩石磨蚀性指数特性，结合引汉济渭、高黎贡山TBM掘进现场实测数据成果，分析等效石英含量、单轴抗压强度、完整性等不同条件下刀具磨蚀消耗量的变化规律，并结合应用案例研究推导其与岩石磨蚀性CAI指数的对应关系。在此基础上，推导并验证不同CAI值条件下刀具消耗量调整系数，证明通过石英含量、单轴抗压强度等相关参数推导CAI指数的可行性，为概预算定额中岩石磨蚀性CAI值调整系数的应用提供了理论基础。     

敞开式TBM在重庆轨道交通6号线的应用分析

为了使敞开式TBM在城市轨道交通中能正常使用,以重庆轨道交通6号线一期工程为例,在TBM设计阶段,对TBM的刀盘刀具、主轴承、支护、皮带机等系统进行针对性设计;在TBM掘进施工阶段,探讨分析喷射混凝土、皮带机系统、出碴系统、垂直运输系统、刀盘刀具系统及隧道施工与车站施工互相干扰的问题,并提出相应的处理措施。实践证明,通过所采用的方法和应对措施,能够提高敞开式TBM在岩性地质中的适应性。     

预制混凝土管桩静压法施工技术

该文根据南京经济技术开发区区内一些工程实践经验,介绍了预制混凝土管桩静压法的施工方法及在不同地质条件下,施工中所应注意的一些问题。     

水下隧道工程实践面临的挑战、对策及思考

首先介绍钻爆法、TBM/盾构法以及沉管法3种主要水下隧道建设方法的优点及不足,进而从地质条件、水流速度、水面交通、隧道埋深、通行车道数量、渗漏情况、工程总量、施工工期、施工安全、工程造价等方面对3种修建方法进行对比分析。最后重点分析当前水下隧道工程建设过程中存在的主要挑战与相应对策,主要包括:沉管法施工中河床冲刷、管段局部高出河床、埋深增大的挑战及对策,盾构穿越浅覆土层、刀盘刀具磨损、埋深提高、轴承损坏及盾构通过断层和破碎地层施工中的挑战与对策。     

大直径硬岩掘进机(TBM)在吉林中部城市引松供水工程四标TBM3的应用

为了研究中铁工程装备集团有限公司自主研制的首台TBM的各项技术特点与工程适应性,结合TBM在引松供水工程总干线四标段的掘进施工情况,分析了TBM掘进地层特点以及主要设计参数。引松供水工程四标段掘进岩层复杂多变,富含大量断层破碎地层以及风化灰岩地层,部分地层岩石强度大且石英含量高,对TBM刀盘及刀具要求极高,TBM刀盘面板采用270 mm厚板设计,且刀座基座直接在刀盘面板上加工而成,刀具按非线性方式布置且刀间距控制在82~90 mm;设计了有效的TBM初期支护系统和材料运输平台,并且搭载了激发极化超前地质预报系统。工程掘进结果表明： 该台TBM刀盘设计可靠性强且能保证高效破岩,创造了最高月进尺1 226 m、日进尺70.8 m的优异成绩,TBM在不良地质下支护高效快速,超前地质探测结果可靠,各系统运行情况良好。     

岩石掘进机关键技术展望

经过5个阶段的发展,TBM在我国的应用正在不断推广,应用前景十分光明,挑战也十分严峻。简要总结我国TBM研究与应用的5个发展阶段和应用前景,分析TBM施工面临的6大挑战： 地质多样化带来更多的地质风险; 应用领域亟待拓展; 设备技术发展赶不上施工需求的变化; 施工进度不均衡; 施工环境越来越严苛; 存在不合理的施工合同。从TBM设计制造及施工应用的9个方面提出展望： 核心部件国产化; 提升各种地质条件下的破岩能力; 提高出渣能力及可靠性; 提升初期支护及超前加固性能; 研发异形断面TBM; 圆形断面TBM开挖隧道的空间合理利用; 大力推动TBM周转使用和再制造TBM应用; 研究极端恶劣地质条件下TBM施工技术; 促进国产配套施工设备研发应用。只有不断深入研究TBM设备与施工的关键技术及前沿技术,有效解决设备设计制造和施工过程中遇到的难题,才能不断提升我国TBM设备与施工技术水平,避免陷入关键技术受制于人的窘境,促进我国TBM事业持续健康发展。