汕头海湾隧道复合地层超大直径泥水盾构掘进参数预测研究

为研究复合地层超大直径泥水盾构掘进参数之间的复杂关系，以汕头海湾隧道工程为背景，选取700环掘进数据，通过优选函数类别和网络结构，建立基于BP神经网络的复合地层超大直径泥水盾构掘进参数预测模型，定量预测刀盘转矩、刀盘能耗和平均泥水压力。研究表明： 1）复合地层盾构贯入度和掘进速度、贯入度和刀盘转速、刀盘电流和刀盘转速的皮氏积矩相关系数绝对值均在0.75以上，具有良好的线性相关性，其他掘进参数之间相关性较不明确； 2）复合地层盾构刀盘转矩和刀盘能耗预测值与实际值的算术平均误差在5%左右，平均泥水压力预测值与实际值的算术平均误差为1.31%，预测精度较高，满足盾构施工要求； 3）基于BP神经网络预测模型，软土地层各掘进参数预测效果得到进一步提升； 4）根据BP神经网络预测模型输入参数定量预测其他掘进参数，操作简单，预测效果良好，能够为盾构主司机提供参考，同时提高施工效率，为实现智能掘进打下基础。     

管道更新掘进机关键技术研究与应用

为解决城市地下管道更新、扩容面临的原位非开挖技术难题，设计、研发机械化非开挖管道更新掘进机，对开挖舱压力平衡系统、管道保通环流系统、整机集约化设计等关键技术进行研究，并成功应用于管道更新试验段工程项目。通过分析试验数据，构建实际顶推力模型，得到刀盘转速、推进速度、刀盘切削阻力等设备配置参数。实际掘进效果表明： 该非开挖管道更新掘进机能够有效解决大直径钢筋混凝土管道原位破挖更新、管道清淤、管道保通等技术难题； 设备月进尺达150~450 m，保通流量为500 m3/h左右，开挖舱压力大部分时间在50~80 kPa浮动，沉降控制在4 mm以内，实现了钢筋混凝土旧管道原位破挖和新管道同步敷设一次施工成型，提高了城市管道更新施工的自动化水平，为老旧城区机械化非开挖管道更新提供了新的工法借鉴。     

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。     

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。     

盾构直接切除大直径桩基的试验与工程实践

为研究盾构直接切削大直径桩基的可行性、评价滚刀和切刀的切桩性能、获取盾构切桩的关键掘进控制参数，进行盾构直接切削大直径桩基的模型试验。研究结果表明： 1)盾构切除大直径桩基宜采用“低推进速度，高转速”的磨桩方式，刀盘推进速度建议取3~5 mm/min，刀盘转速建议取1.0~1.2 r/min； 2)滚刀对混凝土的切削效果较好，切刀对钢筋的切削效果较好； 3)混凝土强度越高，滚刀对钢筋的切割效应越好； 4)滚刀切桩时，刀盘轴向振动作用明显，在低推进速度和低转速下，其刀盘的振动小于切刀切桩时刀盘的振动; 5)切刀切桩时，刀盘环向振动强烈，在高推进速度下刀盘易卡顿，提高转速可减少刀盘卡顿。     

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。     

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。     

复合地层盾构刀盘掘进速率及受力特性分析

为探究复合地层中盾构刀盘的掘进速率及受力特性,基于连续-非连续单元法（CDEM）,建立盾构-岩土体这一完整系统的数值计算模型。通过在CDEM中引入简单有限体积法、虚拟质量法、单元溶蚀算法等系列算法,实现盾构刀盘掘进全过程的三维模拟。建立5种刀盘面花岗岩占比的刀盘破岩数值模型,并对不同刀盘面花岗岩占比下的刀盘进尺、掘进速率、平均转矩、平均倾覆力矩等进行详细分析。数值模拟结果表明： 1）在某一特定复合地层中掘进时,随着掘进时间增加,刀盘进尺基本呈线性增大的趋势,但进尺曲线中平缓段及速升段交替循环出现; 2）刀盘面花岗岩占比由0增大至100%,掌子面处拉伸破坏单元增加,剪切破坏单元减少,且刀盘的掘进速率呈指数衰减趋势,掘进速率降低88.7%; 3）刀盘面花岗岩占比由0增大至100%,平均转矩值逐渐增大,增大比例为117.5%,平均倾覆力矩值则呈现先增大后减小的趋势,且在花岗岩占比为50%时最大。     

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。     

土压平衡盾构楔犁刀松动砂卵石地层力学行为研究

为研究砂卵石地层中土压平衡盾构刀土相互作用的力学行为，揭示楔犁刀的楔犁松动机制，首先，将刀盘前方砂卵石地层等效为连续介质，采用Terzaghi地基承载力模型与Mckyes-Ali模型求解楔犁刀楔犁松动作用下砂卵石地层的破坏强度； 然后，引入楔犁指数k表征楔犁刀反复松动地层、地层颗粒间咬合作用被逐渐破坏、地层强度逐渐降低的楔犁松动状态，分析复杂刀具配置条件下整盘刀具楔犁地层时的受力情况； 最后，通过计算得到单把楔犁刀楔犁地层所需的环向松动力及轴向顶进力，并提出砂卵石地层楔犁刀梯次松动地层与刮刀剥落渣土的受力计算方法，得到整盘刀具松动地层所需的扭矩及贯入推力，分析贯入推力和扭矩的影响因素。采用本文提出的计算分析方法计算土压平衡盾构楔犁刀与刮刀组合松动砂卵石地层时刀具的受力（推力和扭矩）与工程实测结果基本相符。研究结果表明： 楔犁刀分层、超前于刮刀布置可以有效降低松动地层所需的贯入推力和扭矩，达到降低盾构掘进所需总推力及总扭矩的目的。     

砂卵石层矩形顶管机切削技术及排渣系统研究与应用

为探索矩形顶管机在砂卵石层中的适应性,以成都市下穿人民南路人行通道矩形顶管项目为依托,对矩形顶管机在砂卵石地层中的组合式刀盘布置、下部刀盘减阻技术、螺旋机叶片安装位置和闸门结构形式等切削及排渣关键技术进行研究。结果表明： 1）采用同平面刀盘开挖形式,可减少前后刀盘布置带来的卡卵石现象,避免卵石对刀盘的的冲击,更能适应砂卵石地层的施工; 2）全部或部分切除下部刀盘加强大圆环,进行结构优化,在满足砂卵石地层开挖需求的同时,降低切削转矩20％左右; 3）带式双螺旋输送机螺旋叶片伸入土舱设计使螺旋输送机携渣能力提高3倍,且弧形闸门装置能够对渣土实现有效封堵。     

机械法联络通道管片切削试验与数值模拟研究

T接头受力复杂，易引发安全事故，为确保盾构施工安全,分析正线隧道管片弱化效应，针对主隧道特殊管片的设计施工，开展机械法联络通道刀盘切削试验，模拟始发端混凝土管片掘进切削过程，揭示刀具在不同时刻切削力的变化情况及管片、螺栓在不同工况下的内力分布规律。通过研究得到以下结论： 1)刀具切削厚度、切削速度越大，切削阻力越大，混凝土裂纹扩展越严重，刀具磨损越严重；基体强度越大的混凝土，切削时混凝土板面受损越小。2)切削对同一环的螺栓影响较大，对侧边的螺栓影响较小，随着刀盘旋转推进，管片发生位移变化，螺栓连接点的位移逐渐增大。当刀盘钻出管片时，混凝土管片及内部螺栓位移逐渐趋于稳定。3)改变切削洞口管片的强度对于隧道的变形影响很小，在改变了切削洞口强度后，洞口管片所受的位移增大，但是影响量比较小，结构仍较安全。     

分体组合式矩形顶管机关键技术探究——结合中铁装备地下停车场项目

为解决分体组合式矩形顶管机高精高效掘进难题，以中铁装备厂区地下停车场项目为依托，对矩形顶管机分体组合式结构适应性、位姿（位置与姿态）控制、组合式小刀盘开挖系统设计等关键技术展开研究： 1）提出新型组合连接形式，解决因设备组合带来的密封、管线联通等结构适应性问题； 2）创新盾体铰接结构，提出分体组合式顶管机复合位姿控制方法，即以纠偏油缸为主，双螺旋输送机互馈出渣为辅的协同纠偏策略，多刀盘转向转速控制与主机周向多点加压控制相结合的纠滚策略，实现浅覆土、零间距隧洞的高精度施工； 3）基于回归分析方法，探讨小刀盘扭矩系数随刀盘直径、刀盘布置位置的变化规律，建立直径3 m以下小刀盘扭矩系数的计算模型，为多刀盘系统驱动配置提供理论依据。