盾构直接切削桩基施工关键技术

为解决盾构刀盘在切削桩基过程中出现的刀盘刀具异常损坏、刀盘卡死及掘进效率低下等问题，依托以色列特拉维夫轻轨红线项目，采用刀盘切削桩基实体模型方法，通过模拟不同刀具布置和多种掘进工况，分析掘进参数及刀具布置对桩基破坏形态、刀盘破坏形态的影响规律。研究结果表明，在盾构刀盘切削桩基过程中，存在最佳切削推进速度（3~5 mm/min）、刀盘转速（1.0~1.2 r/min）和最佳转矩（3 300~4 300 kN?m）等，且滚刀和切刀的数量对于切削桩基有着一定的影响。现场实际掘进和监测结果表明，利用该实验结果合理地调整相关参数，在轻轨项目中盾构切削桩基过程未出现卡机、刀盘损坏等现象，取得了良好的效果。     

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。     

盾构切削混凝土模拟试验和切削桩基施工技术

城市轨道交通盾构施工中经常遇到穿越地下障碍物(如混凝土桩、挡土结构、管渠、地下构造物等)的难题,一般采取桩基托换、拆除桩基或人工凿桩的方法进行处理,但传统处理方法具有造价高、工期长、对周边交通影响大等缺点。通过采用小直径(400mm)盾构切削素混凝土、玻璃纤维混凝土及钢筋混凝土的模拟试验,对盾构直接切削桩基施工技术的可行性进行研究,分析了盾构刀盘的改造,获取了掘进施工参数控制资料。并通过上海轨道交通7号线和10号线工程采用盾构切削钢筋混凝土桩基的实践,证明:1)盾构直接切削钢筋混凝土施工是可行的;2)盾构始发前应对刀盘进行改造,宜在面板上增加一定数量先行刀和贝壳刀;3)盾构切削桩基过程中推进速度宜慢(小于10 mm/min),盾构设定土压、推力、刀盘扭矩宜稳定;4)在盾构切削桩基过程中,应向土仓内添加润滑减摩材料,以防混凝土碎块堵塞螺旋输送机。在盾构通过后,应根据监测情况进行管片背后的二次注浆,以控制地面和建筑物沉降;5)采用盾构直接切削桩基具有施工经济、安全,对环境影响小的优点。     

北京铁路地下直径线泥水盾构刀盘、刀具适应性分析

结合北京站至北京西站铁路地下直径线工程实例,通过不同盾构刀盘刀具配置在砂卵石下的应用对比,重点对本工程刀盘刀具改造前后对地层的适应性进行详细研究,总结分析出:1)对致密的砂卵石地层的刀盘刀具配置采用盘形滚刀是必要的,并应根据卵石粒径、密实程度尽量加大滚刀尺寸,加大1和2层刀高差,以提高切削贯入度,提高掘削效率;2)通过滚刀、撕裂刀、切刀等长短刀具的合理配置,可以实现对砂卵石地层的有效切削;3)切刀形式由原来螺栓连接方式优化为销轴连接方式,可以有效防止切刀在掘进过程中的掉落等主要成果。最终解决了砂卵石条件下刀盘刀具配置应注意的关键问题,保证了工程的顺利进行,对类似工程有借鉴作用。     

扩径再制造盾构穿越高架桥桩施工适应性研究

为研究盾构切削穿越高架桥桩基工况下的扩径再制造技术以及再制造后盾构对切桩工程的适应性,以北京地铁12号线盾构切削西坝河桥桩工程为背景,分析盾构刀盘系统、推进系统以及排渣系统切桩难点,并依据难点提出再制造要求,再对盾构各系统进行改造,最后研究再制造后各部分的切桩适应性。结果表明:1)刀盘系统采用Q345B钢材、开口率达61%、配备切桩专用刀具以及搅拌棒,实现了刀盘系统耐磨性能、切削性能以及渣土改良性能的提升,基本适应切桩工况对刀盘系统的要求; 2)再制造后,对盾构转矩、推力进行校核,满足切桩要求,且留有较大的调整余度; 3)采用无轴式螺旋输送机出土器,降低了排出钢筋卡螺旋输送机的概率,螺旋输送机的输送能力、转矩、转速得到提升,可适应切桩对排渣系统的要求。     

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。     

适合极软淤泥土中掘进及适应破除混凝土纤维墙钢套筒始发接收的盾构选型

福州地铁5号线金华路站～金山站区间工程始发与接收处于富水砂层,采用钢套筒来应对涌沙涌水风险,会遇到刀盘切削玻璃纤维筋混凝土墙,此时,配有滚刀刀盘的的内置注浆盒的盾构更便于切削及穿越混凝土墙。但本区间隧道的隧底有85%为45Kpa的极软淤泥地层,会引起机头下栽、盾构姿态较难控制的状况,此时,应该选用尽可能轻的软土刮刀刀盘而非重一倍的复合滚刀刀盘。同时,注浆盒外置的盾构开挖直径较小的盾构,由于刀盘开挖轮廓与盾体的间隙较小,对地表沉降的影响也相对较小,注浆盒外置带来的问题是如何对应不被混凝土墙体卡住,因为一旦卡住,处置也是相当困难。因此,为了满足这2种互相矛盾的需求,我们进行了针对性的刀盘选型及穿越墙体时的防卡设计。     

基于ABAQUS的盾构切刀群模拟切削研究

为了解决复合式土压平衡盾构(earth pressure balance)在实际施工时常出现刀盘结饼、刀箱堵塞等工程问题,从刀群切削效果角度研究刀盘刀具布置的合理性,采用切刀群和滚刀群的动态切削模拟方法,提出土体质量变化和刀盘受载的评价指标,得到以下结论:软土地质下切刀群存在内偏角时的切削效果明显好于无内偏角的情况;掘进地层地质较软时宜采用小切刀切削重叠量,地质较硬时宜采用大切刀切削重叠量。刀群布置的研究过程为实际工程问题的解决提供了方法,数值仿真结果为复合式土压平衡盾构刀盘刀群的组合设计提供了参考。     

复合地层下盾构施工模态系统刀盘荷载及振动特性研究

基于苏埃通道盾构工程和盾构及掘进技术国家重点实验室的盾构施工模态系统的刀盘实体,利用JHC本构模型对岩体进行仿真,通过显示动力学软件LS-DYNA对不同模式下的滚刀群切削复合地层进行数值模拟,并结合滚刀、刀盘的力学分析及傅立叶变换函数,得到滚刀和刀盘的三向荷载-时间历程曲线及荷载的频谱图。通过分析荷载曲线及频谱图可知:1)在荷载特性方面,切削过程中滚刀和刀盘荷载均具有突变性、随机性和冲击性;当滚刀运动经过软硬岩层交界面时,滚刀切点荷载发生突变,有可能发生剧烈震荡。2)在振动特性方面,刀盘荷载的频率主要集中在0~5 Hz,属于典型的低频振动,并与滚刀的频率分布一致;软岩及硬岩仅对滚刀荷载的幅值产生影响,对其频率分布影响有限。结合刀盘在软硬不均地层条件下静力学的分析结果,确定刀盘在不均匀受力状态下的最大应力、应变位置,为苏埃通道滚刀破岩物理模型试验刀盘测试系统的构建提供了依据。     

大直径盾构刀盘受力不均分析及对策研究

为解决大直径盾构刀盘受力不均问题,分析软硬不均地层刀盘受力模型,提出大直径盾构刀盘设计改进方案。采用增加辅助支撑轮的方法,使大直径盾构刀盘由悬臂状态改为简支状态。通过有限元模拟分析对比改进前后的刀盘受力情况,刀盘增加辅助支撑轮后受力效果得到明显改善。     

深圳地铁9号线盾构切削群桩数值模拟与实测分析

为解决在不影响既有桩基建筑物安全条件下保证盾构法隧道正常施工问题,以深圳地铁9号线大鹿区间盾构长距离连续切削群桩为背景,采用数值模拟及实测分析,研究盾构切削穿越桩基对地表沉降和桩基的影响,分析推力、扭矩等施工参数以及沉降监测数据,总结盾构切削穿越桩基时施工参数的变化规律以及建筑物沉降规律。主要结论如下:1)切桩时刻产生的沉降量占总沉降量的比例较大;2)桩基的数量、直径或位置不同时的地层响应各有不同的特点;3)合理选取施工参数需要综合考虑桩基情况和地质条件。     

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。     

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。     

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。     

盾构刀盘变形修复技术及理念

珠三角城际隧道施工中盾构刀盘出现了较大变形,为实现仓内维修并恢复掘进,探讨在不具备全面、系统修复的安全空间和作业条件情况下进行刀盘应急修复的特殊技术,总结出仓内变形刀盘的修复要点即控制修复刀箱在刀盘径向和轴向的安装位置,以保证各滚刀间距及破岩轨迹与原设计相符,并使滚刀表面保持弧形过渡。为盾构刀盘仓内特殊条件下维修积累了经验,也是对修复表面要求“从平到不平”的理念做了尝试与探讨。     

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。     

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。     

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。     

土压平衡盾构刀盘掘削动态数值模拟

在盾构掘进过程中,刀盘与土体之间的相互作用非常复杂。应用大型通用有限元分析软件ABAQUS建立了在砂土和黏土地层条件下土压平衡盾构刀盘掘进的非线性动力学模型,依据德鲁克-普拉格塑性屈服准则,采用包含单元删除功能的损伤失效准则模拟土体的屈服和破坏。模拟结果反映了土体在受到切削时累积塑性应变直至破坏的变化规律;刀盘在掘进过程中所受载荷呈一定周期性变化;在其他掘进参数不变的情况下,刀盘在砂土中掘进时所受轴向力和扭矩大于黏土;刀盘在砂土中的切削效率低于黏土。研究结果能够为土压平衡盾构刀盘的设计研究提供一定的理论指导。     

土压平衡盾构穿越河道地下障碍物施工技术研究

南昌地铁1号线5标段盾构隧道穿越抚河,抚河下有破除桥梁残留的临时钢筋混凝土桩等障碍物。采用地质雷达确定了抚河段内未知地下障碍物的位置,同时对盾构机刀盘配制、螺旋输送机和掘进参数进行了分析。研究表明：为了保证盾构机安全穿越地下障碍物区,刀盘刀具需具备一定的破岩能力,同时需对刀盘转速和掘进速度进行控制;最后分析了穿越地下障碍物对盾构机的影响。这对今后地铁盾构隧道工程有一定的指导意义。