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。     

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。     

盾构穿越富水大粒径漂石地层施工技术研究

北京地铁九号线玉渊潭区间在富水条件下穿越砾岩及卵砾、圆砾地层,该区域间分布有连续、粒径超过1 000 mm的漂石,可见漂石粒径有1 500 mm×1 700 mm,且区间隧道大部分处于高透水地层中。为保证盾构在施工过程中能安全、顺利掘进,通过分析常规破岩机制和盾构破岩机制,最终选择了尖锐划割挤压破碎机制。通过对盾构设备进行改进、设定盾构推进参数、掘进管理及其他辅助技术的改革,解决了用盾构刀盘、刀具连续破碎漂石、孤石等技术难题。通过对进度、刀盘刀具磨损情况等推进情况进行分析,并对盾构刀盘刀具的磨损情况等进行仿真验证,可知撕裂刀在解决漂石破碎、孤石等起了重要作用,最后对盾构设备及刀盘刀具的优化等提出了建议。     

复合地层中盾构盘形滚刀偏磨机理研究

对滚刀在盾构掘进过程中的受力进行了分析,滚刀在复合地层中偏磨的主要原因为阻力扭矩大于转动扭矩而导致滚刀不能转动。阻力扭矩主要由刀箱、土仓及刀盘启动的阻力力矩组成。因此,要减少偏磨就要减小滚刀的阻力扭矩。     

基于现场试验的TBM滚刀磨损分析及预测

为准确判断和预测滚刀磨损生命周期,指导TBM安全、高效施工,采用现场跟踪试验和理论预测模型相结合的方法对滚刀磨 损进行分析研究。 由滚刀磨损机制分析得到,TBM滚刀磨损主要为磨粒磨损;基于滚刀破岩磨损现场跟踪试验,分析TBM滚刀磨 损失效形式,并结合刀盘刀具分布特点,研究滚刀磨损规律特性。 基于Rabinowicz磨粒磨损简化计算模型,引入CSM滚刀破岩模 型,构建滚刀磨损速率、线性磨损速率预测模型,对比分析高黎贡山正洞TBM 2 000 m掘进里程滚刀磨损实测数据与理论模型预测 结果。 结果表明: 1)正滚刀磨损发生规律性变化,中心滚刀易出现侧向滑移,边滚刀发生二次磨损; 2)TBM滚刀理论预测与实测 分析结果的相对误差小于10%,可准确预测滚刀磨损,同时得到正滚刀磨损速率与刀具、围岩物理参数具有相应的定量关系。     

基于磨损比耗指数的滚刀磨损定量预测方法

为定量预测盾构掘进复合地层时不同刀位的滚刀磨损量,以滚刀磨损的逐刀量测及相应的破岩体积的分层统计为基础,将位置各异的滚刀磨损比耗指数(SWI)——滚刀磨损增加量与破岩体积之比,按滚刀掘进地层进行分类统计,得到以掘进参数为自变量、适用于4种均质地层的SWI回归方程。将SWI回归方程与磨损量的分层求和法相结合,提出基于磨损比耗指数的复合地层滚刀磨损的定量预测方法。研究表明:1)磨损比耗指数同时考虑磨损量与滚刀安装位置、掘进距离的关系,物理意义明确;2)SWI回归方程预测精度较高,可为刀圈极限磨损预测提供掘进参数预警值。通过分析方程系数与岩性的相关性,提出在不同地层中有利于减缓滚刀磨损的掘进参数调整方法。实测结果表明,复合地层滚刀磨损定量预测方法在磨损量预测,尤其是滚刀寿命预测中具有较高的精度。     

厚卵砾漂石地层注浆止水新型材料注浆效果试验研究

在富水厚卵砾漂石地层中,采用传统的注浆浆液进行止水,浆液极易在地层内大量流失,且注浆后浆液扩散不均、多呈"糖葫芦"状扩散,无法保证注浆效果。针对富水厚卵砾漂石地层的地质特点,针对注浆材料进行一系列室内配比试验,并通过注浆模型试验及现场试验进行卵砾漂石地层的注浆材料研究。试验表明:在厚卵砾漂石地层中,采用2种新型浆液即CD-SCA(水泥+聚羧酸钠盐型分散剂-水玻璃+硫酸铜+明矾)浆液和PC-SCA(磷酸-水玻璃+硫酸铜+明矾)浆液,注浆浆液呈柱状均匀扩散,扩散半径满足设计要求,地层的渗透性明显改善,满足了帷幕止水墙的止水效果,为今后同类地层注浆止水工程施工提供了有效借鉴。     

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。     

成都砂、卵石地层盾构机耐磨性及刀具适用性研究

针对成都砂、卵石地层盾构施工中刀盘、刀具和螺旋输送机等磨损大的问题,提出和实施了预防磨损和提高耐磨性的几方面措施,提出和应用了适用于成都砂、卵石地层的刀具,并特别强调了滚刀在成都砂卵石地层中使用的重要性和适用性。延长了刀盘、刀具和螺旋输送机的使用寿命,降低了磨损和消耗,减少了在砂卵石地层中的修理和更换刀具次数,顺利达到长距离掘进和施工的目标。     

全断面岩石隧道掘进机滚刀磨损影响因素分析

为了有效控制和降低全断面岩石隧道掘进机施工时滚刀的磨损,较准确地预测滚刀的磨损量,通过室内实验和现场实验从地质影响因素和机械影响因素2个方面对滚刀磨损问题进行了分析。通过水泥试样实验,得出等效石英含量EQC和单轴抗压强度UCS单独对岩石磨蚀性的影响规律;通过现场岩样实验,得出两者共同对岩石磨蚀性的影响规律。通过对比进口与国产TBM的刀盘刀具布置,得出滚刀破岩面积对磨损速率的影响规律;通过统计现场掘进参数与刀具磨损数据,得出场切深指数FPI对滚刀平均磨损速率的影响规律。研究结果表明： 岩石对滚刀磨损的地质影响是岩石等效石英含量和单轴抗压强度共同作用的结果;破岩面积是刀盘刀具设计参数对滚刀磨损的敏感指标;场切深指数是设备掘进参数对滚刀磨损的敏感指标。     

TBM盘形滚刀重复破碎与二次磨损规律研究

秦岭隧道TB880E掘进机在施工过程中积累了大量宝贵而完整的滚刀磨损统计数据,为深入研究滚刀磨损规律和磨损机制提供了依据。从TB880E现场实测滚刀磨损数据入手,结合TB880E滚刀一次破岩体积的理论计算结果,建立了滚刀磨损量与一次破岩体积的关系;对滚刀单位破岩体积磨损量进行分析,得到了滚刀单位破岩体积磨损量与滚刀安装半径的关系曲线,总结出刀盘上滚刀磨损的4个区域,分析了不同区域滚刀磨损的机制;首次提出滚刀重复破碎与二次磨损的定量计算方法,得到了TB880E滚刀重复破碎体积与二次磨损量的分布规律。研究表明： 正面滚刀磨损的主要影响因素是一次破碎,而边缘滚刀的主要影响因素是重复破碎引起的二次磨损。     

引汉济渭岭南TBM工程二长花岗岩地层滚刀磨损研究

针对秦岭二长花岗岩条件下TBM滚刀消耗严重的问题,依托引汉济渭岭南TBM工程,通过对现场岩样和刀圈材料开展室内试验,明确岩石的磨蚀性能和刀圈的耐磨性能指标,发现岩石的磨蚀性由其抗压强度与矿物成分共同决定,刀圈的耐磨性主要取决于材料的成分及组织。通过对前2 000 m试掘进段刀具使用情况和磨损数据的分析,掌握各个刀位的磨损规律:1)正滚刀的累计磨损量随滚刀安装半径的增加近似呈线性增长;边滚刀中处于过渡区域的滚刀累计磨损量最大,两侧逐渐减小。2)与滚动距离磨损速率相比,破岩体积磨损速率更能准确衡量滚刀磨损的快慢程度。3)重复磨损对边滚刀磨损影响较大,而通过在边缘区域增加滚刀数量来提高耐磨性的方法可以起到一定作用,但不能从根本上解决问题。     

厦门轨道交通3号线跨海段盾构滚刀磨损预测

为有效控制海底隧道盾构刀具更换风险,提高盾构施工效率,针对厦门轨道交通3号线跨海段复杂地层,通过开展不同类型岩石的缩尺滚刀磨损试验和岩石磨蚀性试验,揭示滚刀材料磨损速率与岩石磨蚀性指标CAI值呈幂指数关系,建立通过测定拟建工程岩样CAI值预测工程刀具消耗的方法。利用建立的预测方法,对厦门轨道交通3号线中微风化花岗岩地层的滚刀批量换刀距离进行预测,得到该地层下边滚刀的批量换刀距离为50 m,正滚刀的批量换刀距离为215 m; 并在此基础上给出滚刀更换位置与换刀工法建议,为该工程与类似工程施工提供参考。     

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。     

基于复合磨蚀试验台的滚刀磨损试验研究

为提高TBM滚刀与地层的适应性,降低滚刀磨损速率,应用滚刀复合磨蚀试验台进行滚压磨损试验,对小尺寸滚刀开展不同岩性、几何参数（刃宽、刃形、直径）和贯入速度的磨损规律研究。通过对磨损量统计发现： 磨损量与岩样CAI值的平方正相关; 宽刃滚刀较窄刃滚刀磨损速率快; 圆刃滚刀相对平刃滚刀有更好的耐磨性; 滚刀直径与磨损速率相关性不强,但大直径滚刀具有径向磨损量大的优势; 在一定区间内较大的贯入速度能够减少刀具磨损,同时具备较高的破岩效率。     

引绰济辽输水工程顶管机刀盘关键技术研究

为选配更具适应性的刀盘，对引绰济辽输水工程配置多梯度二次周边锥破机构的辐板式刀盘和面板式刀盘2种不同结构形式刀盘进行关键结构设计研究。采用有限元法得到结构的应力分布规律，通过数值计算得到刀具布置在力学性能上的分布情况。结果表明： 1）辐板式刀盘开口率更大，尤其中心区域开口大，针对黏土、泥砾等复合地层，“结泥饼”的可能性会降低； 2）2种刀盘结构形式均能满足结构强度要求，其中面板式刀盘结构强度更具优势； 3）面板式刀盘的类“米字形”滚刀布置方式产生的径向不平衡力和倾覆力矩更小，2种结构方式的数值均较小，满足设计要求； 4）综合工程地质情况、结构形式、强度分析、刀具布置、力学性能及其他多方面因素考虑，选择辐板式刀盘结构作为本工程的刀盘主体结构。通过在工程项目中的实际使用情况可知，刀盘掘进中运行稳定，具有良好的地质适应性，满足施工要求。