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。     

突变载荷下盾构刀盘设计验证分析

在复杂地层条件下,由于掘进载荷不稳定,盾构刀盘受力不均、震动变形及刀具非正常损坏等是盾构施工中较为突出的问题。以工程现场刀盘与地层相关参数为基础,采用有限元方法,在不稳定载荷条件下对盾构刀盘受力特性进行分析,得出盾构在该地层不稳定载荷条件下掘进过程中刀盘应力、应变状态,可确保刀盘设计的可靠性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

富水地层下外置乌龟壳式土压平衡盾构无障碍始发技术研究

在福州地铁5号线1标4工区盾构区间施工中,通过对常规土压平衡盾构刀盘切削地下连续墙的钻研,针对刀盘设计一种无需扩径和改造的布置方案,针对外置注浆管路设计一种保护和侧面切削地下连续墙墙体的刀具,同时采用全钢套筒密闭始发技术的一种富水地层下外置乌龟壳式常规土压平衡盾构无障碍始发体系.该体系无需对传统的土压盾构机进行改造,即保留了常规软土盾构外置注浆管路设计的盾尾,无需配备复合刀盘,避免了盾构机重心前移、刀盘直径的扩大等造成后期掘进困难的问题;也可直接切削穿越高强度地下连续墙,规避了人工凿除盾构洞门的工序,从而避免盾构始发过程中的涌砂、涌水等高风险,大幅提高盾构始发的安全性.     

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。     

盾构掘进对邻近桩基的变形特征研究

深圳地铁7号线盾构区间在YDK14+180~+280段进行近接桩基施工中,为了严格控制施工对近接桩基的扰动,以保证施工的安全性,通过有限元软件分析了不同掘进姿态在盾构施工过程中对近接桩基的影响。指出:1)盾构掘进姿态是施工过程中对近接结构物影响十分显著的因素,施工时应加以严格控制;2)在盾构蛇行推进过程中,随桩基与掌子面距离的减小和盾构蛇行偏角的加大,盾构施工掘进对桩基的影响程度在加大;3)在盾构刀盘推进至距离桩基间距为2.0D时,应严格控制盾构施工过程中的掘进姿态,特别需要控制盾构的左右偏离。     

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。     

新街台格庙矿区斜井隧道双模式盾构关键掘进参数配置研究

为了解决盾构关键掘进参数的合理配置问题,实现盾构在不同地层条件下安全、快速、高效掘进,以新街矿区斜井隧道工程为依托,在研究斜井隧道工程地质条件的基础上,提出了双模盾构掘进参数配置的原则;分析计算双模式盾构在2种掘进模式下的最大切深、土舱压力以及盾构推力、刀盘扭矩等关键掘进参数,确定了在EPB模式和单护盾TBM模式下的最大切深分别为28r/min和19 r/min,并提出了在6个地质区间下双模盾构关键掘进参数的配置建议。     

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。     

以色列地铁粉砂地层盾构连续穿越河道和铁路施工技术

为解决土压平衡盾构连续下穿河道和铁路的施工技术难题,结合以色列Tel Aviv地铁红线盾构隧道施工实例,研究土压平衡盾构在浅埋粉砂层中2次连续切削钢筋混凝土桩基并穿越河道、运营铁路施工控制技术。综合采用深层旋喷桩加固技术、建（构）筑物自动化监测系统、盾构切削钢筋混凝土桩基试验、盾构掘进施工沉降控制施工技术,顺利实现2台盾构安全穿越河道、铁路、桩基等危险区域。通过实时监测数据对沉降、盾构切割桩基试验数据、近距离下穿河道和铁路整个过程进行调查、研究与分析,得出以下结论: 1）提出盾构下穿河道和运营铁路时沉降控制的有效技术措施; 2）总结形成一套土压平衡盾构在辅助工法配合下穿越河道、铁路等危险建（构）筑物工法,拓宽土压平衡盾构的使用范围; 3）验证盾构不同刀具配置与有效切割钢筋混凝土桩基的关系,为类似工程提供技术支撑和经验。     

砂性土层施工盾构选型应注意的问题——以西安地铁3号线TJSG-4标为例

以西安地铁3号线TJSG-4标砂性土层条件下所选用的盾构施工案例为依托,通过总结在掘进施工过程中所出现的掘进困难问题和所采取的处理措施,分析指出产生掘进困难的各种原因。当砂性土层的标贯击数大于45击时,这就是影响盾构选型和刀盘刀具设计的主要因素,对刀盘刀具的耐磨性要求比一般砂性土层更高。     

盾构穿切过程中单桩复合地基动态响应的研究

为探究盾构直接穿切复合地基对复合地基承载性状的影响规律,依托郑州地铁5号线某区间盾构穿切水泥土群桩复合地基工程,对盾构穿切单桩复合地基进行现场试验研究。分析盾构切桩全过程中地表沉降、桩顶压应力和桩间土应力的变化规律。同时,在与现场试验分析结果进行对比验证的基础上,利用数值模拟进一步对桩身轴力和桩侧摩阻力进行补充分析。主要结论如下： 1）在盾构穿切单桩复合地基全过程中,加载板沉降发展规律大体分为盾构切桩前、刀盘切桩、盾体穿越残桩、盾体脱离残桩、同步注浆层填充与凝结、残桩脱离盾尾6个阶段。2）桩土应力比随着切桩施工过程先减小后增大;桩身轴力随着整个切桩过程发生变化,最终阶段轴力值相比切桩前有所增大。3）由于残桩桩长变短,桩身应力重分配比使得桩身出现2个中性点,中性点以上为正摩阻力,桩体受压;中性点以下为负摩阻力,桩体受拉。4）与最终的累计量相比,各阶段加载板沉降增幅比分别为20%（盾构切桩前）、60%（盾构切桩—注浆层凝结）、20%（盾构远离残桩复合地基）;桩土应力比增幅分别为-8%、-16%、-53%、3%、25%、66%。