浅析超大直径泥水盾构刀盘扭矩的组成及影响因素

在复杂地质条件及盾构掘进参数的影响下,超大直径泥水平衡盾构机的刀盘扭矩会出现不同的响应。刀盘扭矩过小会降低盾构机的掘进效率,而扭矩过大会造成刀盘磨损严重,无法保证设计的开挖直径,严重时会造成整条隧道的报废。因此,研究刀盘扭矩的计算模型,明确刀盘扭矩的影响因素,找到控制刀盘扭矩的方法,已经成为亟待解决的课题。通过在南京纬七路过江隧道施工中积累的原始数据,结合盾构机的设计文件,研究了刀盘扭矩的组成及计算模型,对扭矩的影响因素进行了分析,并得出了控制刀盘扭矩的结论。     

基于神经网络的双模盾构复合地层掘进参数预测模型

依托深圳市轨道交通12号线怀德站-福永站区间隧道工程，基于EPB/TBM双模盾构穿越地质参数和现场掘进监测数据，采用BP神经网络方法建立双模式盾构掘进参数预测模型，分别对地层参数及掘进模式进行量化，将刀盘扭矩、刀盘转速、螺旋机转速、总推进力、隧道埋深、围岩等级、岩石单轴饱和抗压强度及不同掘进模式作为输入参数，预测出在不同掘进模式及不同地层条件下的设备掘进速率，针对3类典型地层的预测结果进行可视化分析验证，并对预测模型精度进行改进分析。结果表明：神经网络预测模型在TBM模式下的微风化段平均相对误差为8.6%,EPB模式下的强风化段平均相对误差为10.6%,EPB模式下的中风化段平均相对误差26.2%;该模型对强风化段及微风化段等地层强度变化较为稳定的地层预测精度较高，同时，该预测模式适用于22个隐层神经元并对掘进速率采用直接放缩的方法。     

北京地铁砂卵石地层土压平衡盾构施工刀盘扭矩研究

根据砂卵石地层力学特性,结合北京地铁4个标段工程,分析土压平衡盾构刀盘扭矩各组成部分所占的比例,提出简化的刀盘扭矩计算公式.分析计算结果表明:刀盘开口率与刀盘扭矩成反比,开口率每增加10％,刀盘扭矩降低8％～10％;土体的流塑性对刀盘扭矩影响较大;土体的摩擦系数每降低0.1,刀盘扭矩相应降低约35％～40％.在北京地铁10号线二期工程现场进行盾构掘进试验,分别通过刀盘改造(开口率增大至40％)及土体改良,使刀盘扭矩保持在2 500～3 500 kN·m,盾构推进速度明显得到改善.试验结果进一步验证了增大开口率及土体改良是在砂卵石地层降低刀盘扭矩的2项非常有效的措施;也验证了刀盘扭矩计算公式是合理的、可靠的,满足工程实际需求.     

基于传递函数标定法的异型盾构隧道地铁列车运行振动分析

基于某城市地铁的异型盾构隧道,采用实际场地传递函数标定数值模型的方法,对异型盾构隧道地铁振动问题进行了研究.研究结果表明:异型盾构隧道埋深增加量与Z振级衰减量不是线性关系;单从地铁环境振动控制角度而言,存在1个最佳经济埋深,本算例的最佳经济埋深为15～20 m;地铁列车运行引起的80 Hz以上频段的振动衰减非常快,传至地面时振动峰值频率为63 Hz;若采用钢弹簧浮置板进行隔振,隧道正上方地面位置Z计权总振级可以减小14.6 dB.     

高磨蚀复合地层盾构刀盘受力分析与计算

盾构在复合地层中施工,经常会遇到盾构姿态难以控制、刀盘刀具异常或过量磨损、刀盘变形与开裂等问题,目前是盾构施工一大难题。针对芜湖过江隧道其中一段软硬复合地层的工程地质特点,将其在盾构掘进断面内的地层简化为上软下硬的二元地层结构,对刀盘受力公式进行推导并建立刀盘受力计算模型,基于LabVIEW编制盾构刀盘受力计算程序。该程序可以计算盾构机在复合地层掘进过程中的刀盘有效推力、有效扭矩、倾覆力矩和不平衡力及它们的变化情况。最后实例计算,得出刀盘受力和力矩随软岩比、刀盘转角和贯入度的变化规律,解释了盾构在复合地层施工难题的原因,为其提供依据。     

砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工土体改良试验研究

盾构机在卵石含量高、粒径大的砂卵石地层中掘进时,由于土体塑流性差,土体在土舱内无法及时排出,时常出现盾构推力、刀盘扭矩异常增大,推进速度极其缓慢等现象;由于土舱内土体颗粒间力的传递是点对点,使支护压力不能有效施加到开挖面上,极易出现地表沉降超限、塌方等事故.为此,以北京地铁9号线盾构隧道工程为背景,进行砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工土体改良试验研究.试验结果表明:采用泡沫十膨润土作为土体改良剂对砂卵石地层土体进行改良是可行的;在土体改良过程中应根据出土量、土压力、盾构推力及刀盘扭矩等参数的控制情况,及时调整土体改良剂的注入时间、注入量等参数;在确保盾构出土量可控的前提下,采用满舱欠压掘进模式可以提高砂卵石地层盾构掘进的效率.     

北京地铁无水砂卵石地层盾构施工技术难点及施工对策研究

针对土压平衡盾构在砂卵石地层掘进中经常出现土压建立困难,刀盘推力与扭矩大且磨损严重,经常出现刀盘"卡死"、螺旋输送机磨损严重及抱死现象,采取对土体进行塑流化改良、刀盘改造及刀具优化、调整注浆配比等措施,很好地控制了地面沉降,确保了该区间的顺利贯通。     

基于滑移线场的土压平衡盾构刀具切削扭矩研究

为了较合理地估算刀盘的切削扭矩,对刀盘2种主要刀具即切刀和滚刀的切削扭矩进行研究:首先基于塑性力学中滑移线场,对滚刀和切刀分别建立与其切削机制相对应的塑性力学模型,推导具体的表达式;然后,根据盾构刀具的配置参数及红层掘进参数对刀盘的切削扭矩进行计算,分项求和得到刀盘总扭矩。最后对刀盘计算总扭矩与施工实测总扭矩相比较,并分析理论计算模型存在的误差原因。研究结果表明:滚刀在红层中受均匀磨损,磨损量小,刀盘扭矩的实际装备系数为3.2,有一定的富余。研究结果可为盾构刀盘的设计、施工提供参考。     

关于盾构机刀盘结构强度验算的逆向直接法

根据土压平衡式盾构机辐条式刀盘的工作原理,基于经典结构力学原理,采用逆向思维逻辑,研究提出刀盘结构强度验算的逆向直接法。该方法将盾构机系统施加于刀盘结构上的推力和扭矩的作用点视为刀盘结构的支承点,将掌子面上岩土抵抗刀盘推进和旋削的反作用力视为施加于刀盘结构的外载荷;在此基础上,将刀盘的格栅梁结构整体模型等效地离散化为具有不同约束条件的若干种梁系结构计算模型,以此作为验算刀盘结构的抗推力和抗扭矩强度的计算模型;采用经典结构力学的方法求解模型,完成刀盘结构强度验算。该方法在我国最大直径的土压平衡式盾构机的设计、制造和使用的实践中经受了考验,证明了该方法的实用性、先进性和创造性。     

基于有限元数值模拟的盾构施工对地表沉降的参数影响分析

以实际工程为背景,采用有限元数值方法探讨了隧道埋深、掘进压力、应力释放系数等因素对地表沉降的影响。分析中采用控制变量法,将单因素取合理范围内不同参数进行数值模拟和结果对比分析,研究各因素在不同值域对地表沉降的影响程度。结果表明,随着隧道埋深的增加,地表沿隧道纵、横向位移极值均逐渐减小,沉降曲线的曲率随之减小;盾构掘进压力对隧道掘进施工过程产生的地表沿隧道纵向位移影响较大,对横向位移影响较小;盾尾注浆的及时性对于地表位移影响较大,未注浆条件下地表位移沉降远大于其他情况,注浆的强度对于地表位移影响相对较小;随着刀盘与盾尾刷之间岩土体应力释放系数的增加,地表沿隧道纵、横向位移均逐渐增加。     

地铁隧道不同轨道结构形式对建筑物减振的仿真分析

建立隧道-土层-某建筑物的二维有限元模型,分别施加整体道床和钢弹簧浮置板道床区段的实测边墙竖向加速度,计算出不同轨道结构形式下建筑物的振动响应.计算结果表明,埋深相同时钢弹簧浮置板道床相对于整体道床可使邻近建筑物竖向振动加速度减小约80%;采用整体道床时邻近建筑的竖向振动加速度随隧道埋深增大迅速减小,而采用钢弹簧浮置板道床时建筑竖向振动加速度随埋深增大减小缓慢.     

复合地层下盾构掘进速度与掘进参数匹配关系研究

在盾构隧道施工过程中,为了有效提高掘进效率、保持开挖面稳定、减少刀具磨损,需根据实际地质情况,正确选择合适的掘进参数。文章以穗莞深城际轨道交通线隧道工程为背景,针对隧道工程所处复合地质的特点,采集并分析掘进参数,得到复合地层条件下掘进速度的非线性模型,进而分析得出在复合地层中掘进速度与掘进参数的相关性。研究结果表明,在复合地层中,掘进速度与总推力、贯入度、刀盘转速、刀盘扭矩之间存在非线性关系,且掘进速度与总推力、贯入度和刀盘转速成正比例关系;复合地层软土掘进建议采用低转速小推力组合,在复合地层软岩掘进中建议采用高转速大推力组合。研究结果可为复合地层下盾构掘进参数的设定提供参考,具有重要的工程价值。     

双线盾构扭矩分析及邻近管线变形影响研究

研究目的:为研究双线盾构隧道施工引起的管线横向及纵向变形规律,本文依托杭州地铁2号线某盾构区间段工程,采用适合杭州软土地区的土压平衡盾构刀盘扭矩计算方法,计算本工程对应的各种刀盘扭矩因子并得出最大理论扭矩值,将计算得到的刀盘扭矩因子与其他学者的研究成果进行对比分析,并研究盾构掘进时管线变形与刀盘扭矩的相关性。研究结论:(1)软土区双线盾构引起的管线横向变形在研究断面上呈现"W双峰"形状,且后行线施工引起的变形量大于先行线;(2)对于双线盾构施工引起的管线纵向变形,测得盾构接近时与刚通过时对管线变形影响较大,盾尾通过研究断面4 d左右纵向变形趋于稳定;(3)通过对比不同案例下刀盘扭矩计算因子得出影响盾构施工刀盘扭矩的主要因子是T_4与T_5;(4)分析得出管线变形与刀盘扭矩和单环排土量的比值呈现正相关的趋势;(5)本研究成果对控制杭州软土区双线盾构施工引起的管线变形具有参考价值。     

中粗砂地层中降低盾构机刀盘扭矩的措施研究

盾构法施二已成为开挖城市地铁隧道的主要工法。但盾构施工中,刀盘驱动扭矩过大,始终是制约施工进度的主要因素。从盾构机刀盘驱动系统、土仓内切削土体、泡沫系统、刀盘开口率、刀具选型等5个方面对盾构机刀盘驱动扭矩过大的原因进行了分析,提出了切实可行的解决办法,并在沈阳地铁一号线云沈区间盾构施工中得到了成功的应用。     

地铁盾构刀盘改造及掘进性能对比研究

为更好地适应富水中砂地层的盾构施工,对土压平衡式盾构机原有刀盘结构、刀具布置等进行了改造。刀盘开口率由28%增加到40%;在刀盘中间增加了鱼尾刀;增加了两根长度为50 cm、直径为15 cm的主动搅拌棒;对富水中砂渣土进行了改良。对比改造前后的刀盘掘进性能发现改造后的刀盘掘进性能得到明显提升,具体表现在:盾构机掘进速度提升了4倍,刀盘平均扭矩降低了20%,土压波动范围变小,渣土温度降低了40℃,地面沉降亦得到了明显改善。     

穿越湘江地层裂隙密集区域大直径泥水平衡盾构掘进参数控制

依托长沙市南湖路隧道工程,统计分析了大直径泥水盾构穿越地层裂隙密集带的掘进参数,并从理论方面分析参数变化的原因,最后对盾构穿越地层裂隙密集带掘进参数进行了控制。研究结果表明：地层裂隙密集带内裂隙的存在和不均匀分布导致岩体的整体性下降,强度降低,从而使得泥水盾构的总推力值和刀盘扭矩值降低;刀盘每转切深值参差不齐;泥水损失量比较大,裂隙密集区域内的泥浆损失量比正常区域内的大78％左右。在穿越地层裂隙密集区域时,盾构机应提高盾构总推力,防A：．2／盘每转切深的减小,从而使盾构机快速穿越裂隙带;增加泥水进浆量,弥补泥浆的损失,以保证掌子面的稳定性。这对今后泥水盾构越江穿越裂隙密集区域时掘进参数的控制有一定的指导意义。     

泡沫剂原液比例对盾构掘进参数的影响

根据成都地铁3号线和7号线部分区间的现场掘进情况,在不同泡沫剂种类、不同工程地质条件和不同原液比例设定条件下,统计分析盾构总推力和刀盘扭矩的变化情况。经分析,原液比例对盾构推力及刀盘扭矩的影响最大,拟合得到原液比例同盾构总推力及刀盘扭矩具有高度线性相关性。     

复合地层大直径盾构刀盘及扭矩计算

刀盘作为盾构机的关键执行部件,设计、制作得好坏直接关系到盾构机的工作效率及成败。通过分析狮子洋隧道工程的地质特点,给出刀盘结构设计、开口率和刀具配置方案,并给出刀盘扭矩计算公式,使盾构在开挖过程中避免因刀盘强度不足而引起的施工问题。     

散粒体地层土压盾构掘进掌子面稳定性研究

采用三维离散元方法开展了考虑动态掘进过程条件下的散粒体地层土压盾构掌子面稳定性研究。首先建立与文献[14]室内模型试验相匹配的三维离散元模型,通过对比两者之间结果验证数值方法的合理性,然后采用验证的数值方法建立原型土压盾构模型并在散粒体地层中掘进,探讨隧道埋深、地层特性以及施工扰动等因素对掌子面稳定性的影响规律,并从颗粒运动层面解释隧道失稳机理。研究结果表明:盾构施工过程削弱掌子面稳定性,极限支护压力pf增加,影响程度与面板开口率和掘进状态相关。pf随土体内摩擦角增大而减小,砂土和砂卵石中pf随隧道埋深线性增加。当隧道埋深较大时,密实砂卵石地层中pf基本不再变化。当埋深较浅时,失稳区发展至地表,覆土厚度较大时拱顶上方形成稳定塌落拱,失稳区分布范围随内摩擦角增大而减小。研究成果对散粒体地层中修建盾构隧道确保掌子面稳定具有指导意义。     

基于离散元方法的TBM刀盘磨损研究及优化设计

研究目的:刀盘位于全断面隧道掘进机的最前端,工况恶劣,刀盘刀具磨损严重,是刀盘失效的主要原因。本文应用离散元分析方法对刀盘面板的磨损进行模拟仿真,并对磨损大小进行定量分析;通过对刀盘面板进行分区,研究面板的磨损规律;开展刀盘面板的堆焊结构优化设计,提出米字形堆焊的面板结构。研究结论:(1)刀盘面板滚刀分布密集区及出渣槽区域附近的面板磨损较为严重,易发生磨损激增;(2)优化后的新刀盘面板结构平均磨损量较原刀盘面板下降了近25%,优化后的刀盘面板耐磨特性得到明显提升,新刀盘面板结构固有频率较原刀盘面板更远离其工作频率,工作更加安全;(3)本文研究可为刀盘磨损的计算提供方法指导,优化的耐磨结构可应用于修复磨损严重的刀盘。