泥水盾构掘进砂卵石夹黏土地层泥饼处置技术研究

为解决泥水盾构在含黏性土的地层中掘进时，因刀盘易结泥饼而引发的刀具切削能力下降、渣土滞排等降低盾构掘进效率的问题，依托北京南水北调配套工程泥水盾构施工实例，结合富水砂卵石夹黏土地层中的盾构掘进参数和地层岩性变化趋势，分析刀盘出现结泥饼的具体表现，提出将刀盘转矩与贯入度、推力与贯入度的比值作为判别刀盘是否结泥饼的指标；开展双氧水、Ⅰ型和Ⅱ型分散剂泥饼浸泡试验，最终比选出效果较好的Ⅱ型分散剂进行刀盘泡舱处理，有效地软化了泥饼，使得盾构得以顺利掘进。     

超大直径泥水盾构土岩交互地层掘进载荷计算与分析

为解决土岩交互地层超大直径泥水盾构推力、转矩参数设计取值与施工参数控制问题,提出土岩交互地层掘进载荷计算模型。根据泥水盾构特点分析载荷各分项组成,建立掘进载荷数学模型,基于土岩交互地层模型、刀盘几何模型对载荷计算模型进行数值仿真,利用汕头苏埃通道基岩段施工数据对模型进行计算验证,分析基岩侵入高度、岩石强度、贯入度等影响因素对刀盘转矩的影响规律。计算分析结果表明： 1）掘进载荷计算模型理论推力与实测值误差为-6.4%~5.6%,刀盘理论转矩与实测值误差为-9.5%~9.0%,模型具有较高的精度,可满足装备设计和工程应用的实际需要; 2）随基岩侵入高度和贯入度增加,推力、转矩均增加,但转矩对岩石侵入高度、贯入度变化更灵敏; 3）岩石单轴抗压强度每增加10 MPa,转矩约上升7%（强度在50~100 MPa,贯入度5 mm/r）; 4）在高贯入度下,〖JP2〗刀盘转矩随岩石侵入高度的增加效应越显著; 5）在刀盘1/2位置附近,岩石高度增量引起的转矩增加最为显著。建议在施工中根据地勘确定的基岩侵入高度、岩石强度、贯入度参数计算出对应的转矩,可作为施工中掘进控制参数。     

清华园盾构隧道复杂互层地层下的掘进参数研究

为探明北京地区大直径泥水平衡盾构在复杂互层地层下的掘进参数变化情况,依托北京地区目前最大直径泥水平衡盾构工程清华园隧道,使用数理统计的方法针对盾构由粉质黏土掘进至卵石土、砂、粉质黏土互层地层时盾构掘进参数的变化规律及波动情况进行研究。研究结果表明： 泥水平衡盾构在粉质黏土区域掘进时,盾构刀盘转矩及盾构推力波动情况不明显;泥水平衡盾构在复杂互层地质条件下掘进时,盾构刀盘转矩及盾构推力分别增长46.43%和46.03%,同时盾构刀盘转矩的波动情况较粉质黏土区域有所增长,而盾构推力的波动情况与粉质黏土区域类似。     

超大直径泥水盾构软土地层推力、转矩分析与计算

为提高软土地层超大直径泥水盾构推力、刀盘转矩计算的准确性,结合苏埃通道超大直径盾构结构特点分析推力、转矩的主要组成成分,基于开挖面土体分层建立推力、转矩各分项的理论计算模型。运用MATLAB软件编写推力、转矩的数值计算程序并根据苏埃通道工程相关参数开展计算。将依托工程盾构段现场掘进数据与计算结果进行对比,得出如下结论:1)推力、转矩的实测值与计算值误差均在±10%内,相对Krause模型或Ugur Ates回归,该计算方法精确度高; 2)在总推力中泥水阻力占比最高,其次为盾壳与土层的摩擦阻力,而刀具切削阻力占比可忽略; 3)在刀盘转矩中,切削转矩在总转矩中占比最高,其次为刀盘在流体中摩擦阻力矩,相对推力而言,转矩对地层更加敏感。     

管道更新掘进机刀盘切削钢筋混凝土管道转矩试验研究

为研究掘进机直接切削钢筋混凝土管道，实现管道原位破除更新的可行性，对新型刀盘切削过程中的参数进行分析。通过力学与数学方法，从条齿滚刀切削钢筋混凝土管道机制入手，研究切削转矩的计算方法；设计刀盘试验，系统研究切削参数的变化规律与影响因素，并提出管道更新掘进施工控制指导参数。研究表明： 1）刀盘全断面切削钢筋混凝土管道时，刀盘转矩与时间呈Boltzmann函数关系。2）刀盘推进速度提高，刀盘转矩呈线性增加；刀盘转速提高，刀盘转矩呈先减小后增大的规律。3）结合刀盘切削参数与切削比能，确定8~12 mm/r为较优贯入度区间。     

复合地层中不同盾构掘进参数下碴土的颗粒特征研究

为定量研究盾构掘进复合地层时掘进参数对碴土颗粒级配特征的影响，以试验研究和统计分析为手段，得到掘进参数和颗粒特征之间的量化规律。首先，通过开展现场掘进试验，在不同有效推力和刀盘转速下实地采取碴样颗粒； 然后，对颗粒筛分结果进行统计分析，提出碴土颗粒级配预测方程； 最后，对级配预测方程的系数进行多元回归预测和影响性分析，定量研究方程系数和掘进参数之间的相关性。研究结果表明： 1）当盾构刀盘转速或盾构有效推力增大时，碴样特征粒径减小，碴土中的粗颗粒含量降低，细颗粒含量增大，碴样粒度分布范围增宽； 2）碴土颗粒的粒径存在上限，Rosin Rammler分布函数更加适用于盾构破岩颗粒级配特征分析； 3）在一定掘进参数范围内，盾构碴土颗粒级配方程系数的预测模型预测精度较高，能够较好地反映工程实践中掘进参数对方程系数的影响。     

?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。     

盾构土压平衡动态神经网络逆控制技术研究

盾构密封舱的土压平衡作为地表沉降控制的关键因素对盾构安全施工具有重要保障。为映射影响土压平衡掘进参数之间的非线性耦合关系，增强非线性控制模型的动态性能，提高土压平衡的控制精度，根据盾构施工中影响密封舱内土压平衡的掘进参数调控的难易程度，依托现场监测数据建立基于动态神经网络逆控制前馈作用下的螺旋输送机转速控制模型。对控制模型的性能与效果进行分析验证，结果表明： 动态神经网络输出的前馈螺旋输送机转速能够对推进速度、刀盘转矩的变化响应灵敏； 在给定掘进条件下与通过人工调节螺旋输送机转速控制土舱压力的方法相比，动态神经网络逆控制前馈作用下密封舱土压的最大波动误差由9.8%降为5.3%。     

基于深度学习的破碎带盾构施工沉降预测分析

为进一步提高复杂地层条件下盾构沉降预测的准确性，以广州地铁7号线1期工程谢村站-钟村站区间盾构工程为依托，针对破碎带盾构隧道沉降控制难题，提出基于深度学习的人工智能预测模型。通过分析开挖面破碎带分布规律，确定将破碎带面积比作为地层特性参数。采用相关系数矩阵分析不同施工参数与破碎带面积比的相关性，确定采用刀盘转矩代表破碎带面积比实时描述地层分布特性。以刀盘转矩、盾尾间隙与注浆量作为输入值，地面沉降作为输出值训练深度学习模型，并利用训练后的深度学习模型进行沉降预测分析。通过分析预测结果与沉降实测值的对比验证预测模型的有效性。     

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。     

超大直径泥水盾构常压换刀设计关键技术——以汕头海湾隧道及深圳春风隧道为例

统计国内外超大直径盾构工程应用案例,并分析超大直径盾构设计选型时需考虑的关键因素,重点以汕头海湾隧道和深圳春风隧道超大直径盾构项目为依托,阐述超大直径盾构研发制造和施工中遇到的难题,探索解决高水土压力下刀盘维护及换刀、破碎地层长距离掘进等一系列难题的关键技术。主要从刀盘设计、常压换刀、主驱动伸缩摆动及可靠密封系统、防滞排双破碎机布置等方面开展针对性设计,对超大直径盾构的研制和应用推广有较好的意义。     

水底隧道上软下硬地层超大直径盾构掘进技术难点与对策探讨

为了解决水底软硬不均地层超大直径盾构施工技术问题,以某水底盾构隧道工程为依托,对超大直径盾构在水底上软下硬地层掘进中面临的技术难点、盾构机选型、施工方案选择、试验段掘进效果、方案可行性以及掘进管理控制等进行了分析和探讨。结果表明,采用有针对性设计功能的盾构机,在低刀盘转速、低掘进速度下,超大直径盾构直接掘进通过水底上软下硬地层的施工方案具有很高的可行性,并得到了成功实施。     

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。     

汕头海湾隧道超大直径泥水盾构针对性设计及不良地质施工技术

为应对海域环境土-岩-孤石复合地层超大直径泥水盾构施工存在的重难点及风险,以汕头海湾隧道为工程依托,对泥水盾构的刀盘刀具、冲刷系统、主驱动等进行针对性设计以提高设备适应性,并在孤石处理、刀具配置、掘进参数、施工管理等方面采取针对性施工方案。通过采取以上措施,实现了降低刀具损坏、控制管片上浮、提高施工效率的效果,保障盾构安全、快速通过了不良地质地层。     

基于线性回归法的TBM滚刀贯入度预测研究

为解决盾构施工中全断面隧道掘进机(TBM)滚刀贯入度的预测问题,使其更好地应用于所处地层,依托深圳地铁6号线的相关数据及中铁TBM云管理平台的数据处理功能,定性分析TBM破岩过程,并将破岩的宏观过程划分为3个阶段;采用线性回归方法,依次从贯入度与掘进推力的关系、贯入度与刀盘转矩的关系对TBM滚刀贯入度的变化情况进行量化分析,并在这一过程中推导得到TBM掘进的贯入度与推力、转矩的参数预测模型,并结合现场实测结果对线性回归法的预测结果进行验证。结果表明:1)TBM在不同阶段的贯入度、推力及转矩均有不同程度的变化,且相互之间存在一定的关联;2)掘进参数的线性回归预测模型经过验证是合理的,表明线性回归法适用于TBM掘进参数的预测,可视具体情况为隧道工程实施阶段掘进参数的调整提供理论指导和参考。     

大直径泥水盾构常压刀盘温度在线监测系统设计与应用———以杭州望江路过江隧道工程为例

在盾构施工过程中,刀盘温度的异常升高会导致刀盘磨损加剧,甚至造成刀盘变形,严重影响盾构施工及安全。为了实时监 测盾构刀盘温度,避免刀盘温度过高所带来的危害,以杭州市望江路过江隧道工程为依托,建立一套大直径泥水盾构常压刀盘温度 在线监测系统,结合无线传输技术,利用安装在刀盘背面的传感器收集刀盘温度数据,并对数据进行整理和分析。结果表明: 1)该 系统能避免信号屏蔽和泥水盾构掘进的干扰,长时间稳定监测刀盘温度; 2)盾构单环掘进时,刀盘温度呈周期性变化,与盾构工作 流程相匹配; 3)盾构连续掘进时,掘进产生的热量会在刀盘上稳定积累,使得刀盘温度曲线的峰值持续升高; 4)在刀盘温度异常升 高时,通过向刀盘注入分散剂,并观察刀盘温度变化,可以对刀盘形成泥饼和前方地质突变2 种情况进行区分。本文设计的刀盘温 度在线监测系统可以用于分析刀盘情况、判断地质变化和调节掘进参数。     

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。     

复合地层中超大直径泥水盾构施工开挖面泥水压力确定方法研究

在超大直径泥水盾构施工中,泥水压力的控制是保证开挖面稳定的关键。依托正在新建的上海北横通道工程,利用三维数值分析方法,总结出适用于软土复合地层超大直径泥水盾构施工的开挖面泥水压力确定方法,并根据北横通道现场实测数据对该方法进行对比分析。研究结果显示: 1）超大直径泥水盾构泥水压力最佳平衡计算点位主要与土层厚度比和上下土层有效内摩擦角差值有关; 2）在近似均一地层中可以取盾构中心点作为平衡点位,这与以往工程经验相吻合; 3）复合地层中可通过理论计算确定最佳平衡计算点位。     

基于大数据的盾构掘进与地质关联关系分析方法

为解决盾构掘进参数设定主要依赖盾构司机的经验，且掘进过程中影响因素较多，很难做到掘进参数与地质参数有效关联的问题，依托盾构TBM大数据平台的海量数据，通过施工经验对关联掘进与地质的参数进行选取和分类，并确定关联参数的范围。通过参数范围界定、数据连续性分析和数据频次统计等方式进行数据的初步清洗；通过提取变量的数字特征建立分布统计算法模型库的方式，对数据库中的数据实时处理，去除异常数据并确定经验区间的频数分布；通过对各关联参数的组合检索，进行关联参数的可视化分析，得到不同盾构在各类地质中主要掘进参数（如刀盘转速、刀盘转矩、掘进速度、油缸推力等）的经验区间和关联关系。将该关联分析方法部署在盾构TBM大数据平台，经过长时间的应用和现场反馈，验证了该方法的适用性和有效性，对盾构施工及盾构选型具有积极的指导作用。     

狮子洋隧道虎门港沙田港区地层破碎段盾构掘进施工技术研究

以广深港铁路客运专线狮子洋隧道盾构工程为依托,在虎门港沙田港区地层破碎段盾构掘进施工中,针对泥水盾构掘进施工中掌子面稳定、环流系统、刀盘被卡、刀具损坏等易发生变化的边界条件,分析了掘进参数选择、稳步掘进、泥浆质量、同步注浆和二次注浆等盾构掘进关键技术要点,制定了针对性技术保证措施和应急处置措施,对类似工程特别是大直径泥水盾构工程施工有一定的参考价值。