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。     

加泥式土压平衡盾构机在成都砂卵石地层中应用的几个关键性问题

成都地铁一号线一期工程区间隧道大多通过富水砂卵石地层,且含有少量大粒径漂石。结合地层这一特点,对成都地铁采用加泥式土压平衡盾构施工的几个关键问题--大漂石处理方案、刀盘刀具的耐磨性、喷涌防治等进行了分析和探讨。     

盾构穿越花岗岩球状风化孤石群的施工关键技术

为解决盾构穿越孤石群地层的难题,对花岗岩风化孤石的形成机制及盾构穿越孤石群产生的地面沉降、姿态控制、设备安全的风险进行研究,并分析传统孤石处理方法在孤石群地层中运用的局限性。主要结论如下:1)盾构穿越孤石群施工应系统考虑孤石预处理、掘进和开舱换刀方案;2)采用地下隐蔽岩体爆破技术对孤石进行爆破破碎后能降低盾构掘进风险,并且盾构通过期间须严格控制掘进参数;3)采用压密注浆改良刀盘周边地层,盾尾止水和舱内制作泥膜措施辅助带压进舱,能提高开舱成功率,解决刀具更换的问题。     

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。     

盾构刀具磨损机理及预测分析

为准确判断和预测盾构刀具服役寿命周期,指导盾构掘进施工,采用理论分析推导和实测工程数据分析的方法,对盾构隧道掘进过程中的刀具磨损机理和磨损预测模型进行分析研究。基于金属摩擦学理论,分析得到盾构刀具磨损主要由磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损3种机制共同组成,其中磨粒磨损和黏着磨损是盾构刀具磨损的主要原因。针对盾构掘进刀具磨损定量计算,考虑磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损共同作用,结合Rabinowicz磨粒磨损、Archard黏着磨损和疲劳磨损计算公式,引入科罗拉多矿业大学滚刀破岩力学模型和中南大学切刀破岩力学模型,推导得到盾构滚刀和切刀磨损预测通用计算模型;基于大连某盾构区间的复杂地层刀具磨损实测数据,借助于MATLAB软件编程,对实测数据进行分析,并与预测模型计算值对比。结果表明:模型预测值与实测磨损数据的误差小于15%,表明了预测模型具有较好的准确性;采用该模型对不同地层条件下刀具磨损量预测可行,研究结果对盾构掘进中的刀具磨损预测和开仓换刀时机选择具有较好的指导意义和工程实际意义。     

极硬岩层条件下盾构推进参数的优化

深圳地铁5号线长龙站—百鸽笼站区间隧道洞身部分位于全断面高强度微风化角岩地层,采用盾构法施工。文中对盾构穿越极硬岩地层时所遇到的施工技术难题进行分析,通过优化掘进参数与合理配置刀具,顺利解决了盾构在极硬岩层条件下掘进施工时由于推进参数和刀具设置不合理,造成的刀具磨损严重、换刀频繁、推进速度缓慢等影响施工进度的问题。     

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。     

孤石爆破预处理技术在盾构隧道中的应用

以某地铁盾构区间为例,介绍盾构穿越风化岩地层时遇到孤石的处理经过,着重论述网格法进行孤石探测、由地面实施点对点孤石爆破处理施工技术,为盾构穿越孤石群打出一条绿色通道,降低开舱换刀风险,保障盾构顺利掘进。     

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。     

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。     

不同孤石处理方法对盾构掘进参数影响的研究

以厦门市轨道交通一号线集美中心站-诚毅广场站区间隧道工程为依托,针对该区间隧道中含有大量孤石群的特殊地层,分析了全回旋转机、旋挖钻机、冲击钻孔机以及爆破法处理孤石的适用条件,获得了全回旋转机、旋挖钻机、冲击钻孔机以及爆破法处理孤石段所对应的盾构推进速度、总推力、刀盘扭矩、土仓压力等掘进参数的变化规律。     

盾构掘进破坏孤石诱发地层塌陷的灾变机制研究

孤石地层因勘察、施工处理困难,使得隧道穿越该地层时面临风险。针对因盾构掘进破碎孤石后造成地层空洞,并最终引发地层塌陷的现象,利用研发的随机多边形生成方法,在离散元软件PFC2D中建立隧道孤石地层开挖模型,研究隧道掘进破碎孤石诱发地层塌陷的灾变机制及其影响范围。研究结果表明： 根据孤石所在不同方位可以定性判断地表突然塌陷位置; 当孤石粒径大于临界粒径或隧道埋深小于临界埋深后,孤石切削不当将引发地层塌穿型坍塌; 在相同孤石粒径时,孤石形状的改变对地层位移影响甚微。     

长距离硬岩地层盾构施工关键技术研究

深圳地铁5号线布吉-百鸽笼区间隧道所处地层以硬岩为主,区间采用盾构法施工。对盾构长距离穿越硬岩地层时所遇到的技术难题进行研究,通过合理地配置刀具,选择适宜的掘进模式、掘进参数以及同步注浆参数,同时加强刀具的处理措施,顺利解决了盾构施工时刀具磨损严重,管片错台等问题。     

兰州地铁砂卵石地层土压平衡盾构刀具使用寿命延长技术

为了降低刀具的磨损,延长刀具的使用寿命,以兰州地铁工程施工案例为背景,对土压平衡盾构在砂卵石地层中掘进刀具磨损的问题进行了跟踪研究。通过理论计算与工程实际对比分析得出刀具的磨损规律,在刀盘设计和刀具组合等研究成果的基础上,对渣土改良、盾构掘进参数、盾构姿态和一般欠土压模式掘进等控制措施进行了系统的研究和实践,成功地延长了刀具使用寿命,减少了刀具更换的次数,加快了工程进度并降低了工程成本;同时,解决了土压平衡盾构在砂卵石地层掘进刀盘被卡、地面沉降控制等技术难题。     

复合地层盾构施工中泡沫对刀盘扭矩的影响分析及参数优化

在盾构施工过程中通常添加泡沫进行土体改良,土体的改良效果会直接影响盾构的掘进性能,而且对维持开挖面的稳定、提高掘进效率、减小刀具磨损具有至关重要的作用。依托穗莞深城际轨道交通虎门商贸城站到长安厦边站盾构区间工程,利用正交试验的方法对复合地层盾构掘进过程中土体改良效果进行研究,建立复合地层盾构施工中刀盘扭矩与其他掘进参数的数学模型,并对泡沫对刀盘扭矩的影响进行分析与参数优化。结果表明： 当添加泡沫溶液量为0.01 m3、泡沫体积分数为7%时,刀盘扭矩达到最优值2 033.1 kN·m。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。