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。     

盾构刀盘参数化建模系统开发

为满足设计人员快速完成盾构刀盘设计,采用CATIA三维建模软件和Visual Basic进行盾构刀盘参数化建模的方法,参照此方法可以完成盾构刀盘参数化建模系统的开发。通过建模系统,根据盾构施工的边界参数、材料参数和刀盘关键参数可快速生成盾构刀盘模型,在一定程度上缩短了刀盘的设计时间,减少了设计人员的劳动强度。     

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。     

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。     

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。     

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。     

盾构刀盘设计系统开发

为快速准确地完成不同类型和尺寸盾构刀盘的设计,根据刀盘自身机械数据结构和施工过程的数据关系,结合刀具破岩机制实验数据和刀盘三维参数化机械模型和结构分析模型,利用VB完成刀盘参数化建模系统的开发,方便了刀盘设计人员准确且快速地完成各种不同地层、不同规格盾构刀盘的设计及分析。     

盾构掘进过程离散元仿真与交互作用分析

针对成都砂卵石地层的特殊性给盾构施工带来的刀盘卡停、中心结泥饼、刀盘过度磨损以及螺旋输送机断轴等问题,采用离散元理论及分析方法,通过模拟砂卵石地层盾构掘进过程,对盾构掘进过程中土体运动规律和受力特征进行研究。得出:1)盾构掘进过程中刀盘掌子面外围土体颗粒运动速度要高于刀盘中心土体颗粒;2)土舱中心和螺旋轴伸入土舱段左右两侧的土体运动速度较慢;3)刀盘掌子面土体及土舱内土体压缩力分布与刀盘旋转方向有关。利用EDEM与ANSYS耦合对刀盘及螺旋输送机进行有限元分析,得出:1)盾构掘进过程中刀盘的最大应力值为123.27MPa,位于云腿与法兰盘连接处,最大变形量为1.69mm,位于刀盘最外围的环形梁;2)螺旋输送机的最大应力值为59.01MPa,位于土舱后隔板和螺旋输送机筒体连接处,最大变形量为0.49mm,位于土舱和螺旋输送机筒体连接处附近的螺旋叶片外圈。     

复杂岩石地层盾构掘进速率预测模型研究

为提高盾构掘进效能,指导盾构掘进施工,对泥岩砂岩交互地层条件下越江隧道盾构掘进速率预测模型进行了研究。在施工现场进行盾构掘进试验,通过盾构数据采集存储系统,获取盾构掘进的基本参数,并进行点荷载强度试验以获得岩石强度数据。运用多元回归分析的方法,分析了盾构掘进速率与岩石点荷载强度及刀盘推力的关系,分别构建了泥岩和砂岩地层盾构掘进速率的预测模型,并对其进行了应用。研究和应用表明,在泥岩和砂岩两种地层条件下,盾构掘进速率均随岩石强度的增大而降低,随刀盘推力的提高而增大,掘进速率与刀盘推力、点荷载强度均呈幂函数关系。     

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。     

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。     

大直径泥水盾构针对长距离施工的优化

大直径泥水盾构在复杂砂卵石地层中长距离掘进施工,盾构经常会受到刀盘刀具磨损严重、进排浆管及阀磨损严重、破碎机及泥舱门故障和突发事件等因素影响而导致停机,从而降低了盾构设备的性能,严重时将直接威胁施工安全。为了优化盾构设计、方便检修及降低施工风险,对北京某项目12 m级泥水盾构在施工过程中出现的问题,通过对刀盘刀具、泥水循环系统、破碎机和泥浆门、电气系统、监控检测系统等的优化,提高了设备的利用率和施工效率,降低了施工风险和施工成本,确保了人员和设备的安全。     

有限元分析在盾构掘进机壳体设计中的应用

 介绍了ZRCAE1.1有限元分析软件在盾构掘进机研发中的应用，简要叙述了盾构掘进机壳体设计的过程，着重介绍了载荷分析、三维实体造型、网格剖分、施加载荷与约束、后处理结果分析的方法，对三维实体造型、网格剖分、施加载荷与约束中的技巧也作了相应介绍。     

琼州海峡隧道超大直径盾构新技术展望

为适应跨江越海隧道工程建设不断发展的需要,盾构正在向超大直径、超长距离、超大埋深方向发展。以琼州海峡隧道为工程背景,结合其超大埋深、超高水压、超大断面、特长距离及地质复杂多变等特点,在详细分析国内外大埋深超大直径盾构技术发展的基础上,对琼州海峡隧道等类似大埋深超大直径盾构工程所面临的超大直径盾构设计制造、盾构特长距离掘进、超高水压条件下盾构密封及特长隧道水下对接等技术挑战进行了论述,并对预期可望获得的大埋深超高水压条件下的超大直径盾构总体设计及集成技术、高效破岩及长寿命刀盘刀具优化设计技术、盾构防水密封设计与制造技术、常压换刀装置设计技术、特长距离掘进地中对接施工装备技术等盾构新技术进行了展望。     

TBM刀盘的有限元参数化建模系统开发

针对设计和研究人员快速构建TBM刀盘有限元模型的需求,采用APDL与VC++可视化编程技术相结合的方法,在编制刀盘建模APDL程序的基础上,开发友好的人机交互界面,实现了VC++与ANSYS之间的参数传递,建立了一套可视性良好的TBM刀盘有限元参数化建模系统。以某型号直径4 m TBM刀盘为例构建有限元模型,验证了该系统良好的实用性和可靠性。通过对此建模系统的开发,可实现TBM刀盘数字化建模、分析等全套设计。     

南昌地铁泥水盾构穿越赣江浅覆盖透水层施工关键技术研究

结合南昌市轨道交通1号线一期工程秋水广场站—中山西路站区间隧道工程,对泥水盾构穿越赣江浅覆盖透水层时易出现的掌子面失稳、刀盘结泥饼、掘进姿态难控制等工程难题展开针对性研究。首先,从泥浆参数选择、切口水压计算、掘进控制技术3个方面对开挖面稳定控制技术进行分析;其次,在统计分析刀盘结泥饼现象及原因的基础上,提出严控泥浆指标等针对性的防控措施;最后,对NFM-07、S367这2台泥水盾构掘进前100环(第165~265环)的掘进参数进行统计分析,进而得出了泥水盾构在浅覆盖透水层掘进时的盾构主要控制参数,以期为类似工程施工提供参考。     

沈阳地铁过河隧道盾构施工技术

沈阳市地铁二号线北起北陵北部，终点在浑南新区的21世纪大厦前的世纪广场，线路正线全长19.245km。五里河—奥体中心站区间下穿500m宽的浑河河道，根据隧道穿越地层的地质条件和水文条件，介绍了过河区间隧道盾构的选型、刀盘型式、刀具布置、刀盘开口形式、岩石破碎机、盾构的工作模式等主要设计特点与性能，同时论述了在施工过程中拟采取的开挖面稳定措施、泥水处理系统布置思路、换刀措施、联络通道施工思路、盾构施工接口、端头地层加固设计等。     

土压平衡式盾构机刀盘扭矩的计算及试验研究

综合考虑了土压平衡式盾构机的直径、刀盘开口率、刀盘与土体的摩擦系数、盾构机的埋深、盾构机施工地层的土性、盾构机和地层之间的相互关系、盾构机推进速度以及螺旋输送机转速等参数的影响因素,推导出刀盘扭矩的理论模型。在盾构机模拟试验平台上进行试验,分析了两种典型开口率的刀盘在3种典型土层中扭矩的变化及土仓压力对刀盘扭矩的影响。分析结果表明,刀盘扭矩的理论模型与试验结果相符,并能满足盾构机实际施工的要求。     

越海泥水盾构提前到达施工关键技术研究

由于竖井施工进度滞后,为解决盾构提前到达并保证顺利出洞这一技术难题,以台山核电站1#取水隧洞盾构提前到达施工为例,在理论研究的基础上,对盾构到达前的掘进控制措施进行分析,阐述了预留段隧洞爆破参数设计,并对提前到达的关键技术及控制要点进行总结。得出以下结论:1)盾构提前到达盾构井预留5 m的安全距离,并将刀盘后退掌子面0.7 m的方案是可行的,既能加快施工进度,又能有效地保护盾构设备;2)盾构到达预留段前采用"小推力、低转速"的掘进原则,预留5 m段采用"爆破开挖+锚喷支护+管片二次衬砌"相结合的施工方法,保证了盾构安全顺利出洞,有效地控制了管片上浮、错台和接缝处漏水等现象。