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。     

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。     

?12 m级泥水盾构刀盘的载荷转矩计算及力学性能分析

为研究某盾构隧道?12 m级大直径泥水盾构刀盘设计的合理性以及对高水压密实砂层施工的适应性,结合大直径泥水盾构的特点以及以密实砂层为主的地层条件,提出考虑土压力与刀具贯入阻力、忽略砂土间的黏聚力的刀具载荷计算修正模型,综合考虑刀盘结构及其背部泥水压力对刀盘载荷及转矩的影响,获得刀盘的输入载荷和转矩。利用ANSYS软件,建立大直径泥水盾构掘进的仿真分析模型,对泥水盾构正常掘进、偏载以及脱困3种工况进行有限元分析。结果表明:偏载工况下,刀盘的应力和变形最大,最大应力出现在刀盘下半部的主臂支撑筋板与法兰连接处,达到128.46 MPa;最大变形出现在刀盘边缘处,达到2.85 mm,刀盘性能满足设计要求。     

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。     

土压平衡盾构螺旋输送机排土及保压作用分析

螺旋输送机的排土和保压作用的发挥对土压平衡盾构的施工安全与效率有重要影响,对其作用机制及影响其作用发挥的因素进行系统的理论分析,并参考工程实测数据,得出以下结论:1)盾构施工中的土压平衡包括土仓内外与螺旋输送机内的压力平衡和进、出土量的平衡,其通过螺旋输送机排土量的控制来实现;2)渣土进入螺旋输送机后,依靠自身重力及与螺杆、叶片和筒壁界面间的摩擦作用来抵抗土仓内的水土压力,保持出渣过程的稳定性;3)渣土性质对螺旋输送机的排土和保压效果有较大影响,主要通过向刀盘前方和土仓内添加改良材料的方法对渣土状态进行调整;4)从螺旋输送机结构分析,可通过减小螺距、采用间断式螺杆或双螺旋输送机3个方面进行改造,以增加保压效果。     

成都地铁盾构设备配置

成都地质条件以高富水、高卵砾石含量著称,何种配置的盾构更能适合成都这种地质,一直是大家争论的焦点。根据成都地铁1号线一期工程4个盾构标段存在刀盘消耗成本大、换刀困难、地表易坍塌及刀盘和螺旋输送机磨损严重等实际问题,分析盾构设备的优缺点,提出将刀盘的开口率增大、螺旋输送机由轴式改变为带式、对卵石的处理方式由破碎为主变为排出为主,可以大大降低刀具成本,同时刀盘和前盾进行适当改动,解决换刀困难和地表易坍塌的问题。更改后的盾构设备配置更适合成都地铁盾构施工。     

复合地层双模盾构风险分析与针对性设计

为解决富水圆砾—泥岩复合地层采用双模盾构的适应性设计问题，依托南宁市轨道交通5号线五一立交站—新秀公园站隧道工程，针对穿越邕江、下穿浅基础建筑物、圆砾—泥岩复合地层中地表沉降和刀盘固结泥饼等施工风险，提出泥水/土压双模盾构结构和功能系统的针对性设计。在结构设计方面，双模盾构增设气垫仓稳定泥水压力，并配合排浆口优化设计实现了对地层沉降的稳定控制；加设中心面板和扭腿冲刷及“P0泵小循环”系统降低泥饼形成概率；优化的螺旋输送机设计减小喷涌压力，与邻近线路相比，过江段掘进速率提高近1倍。在功能性系统方面，实现泥水和土压2种排渣体系的快速转换；推进系统总推力达39 910 kN，满足不同掘进状态的需要；通过注浆系统与合理掘进参数实现对地表沉降的严格控制。     

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。     

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。     

富水砂卵石地层矩形顶管机的研究及应用——结合成都川大下穿人民南路人行通道工程

以成都川大下穿人民南路人行通道矩形顶管项目为依托,对富水砂卵石地层矩形顶管机关键技术进行研究。1)为探索同平面多刀盘联合开挖矩形断面技术,采用ANSYS Workbench有限元仿真分析方法对刀盘结构进行优化,得出:刀盘采用箱体式4辐条结构外加大圆环支撑形式,可满足强度需求的同时有效提高刀盘开口率。2)研究针对大粒径卵石的双螺旋输送机排渣技术,利用ANSYS仿真分析对螺旋叶片厚度进行优化,通过工业性试验表明:大直径、大节距螺旋叶片设计可有效提高卵石地层的排渣效果,实现450 mm粒径卵石的顺利排出。3)采用正交试验对掘进过程中渣土改良工艺进行研究,获得适应该地层的渣土改良方案。     

国内典型砂卵石地层土压平衡盾构设计改进及应用

为解决砂卵石地层掘进的刀盘刀具异常磨损、泥饼阻塞及地表沉降明显等问题,从刀盘刀具、螺旋输送机、渣土改良及注浆控制等方面进行研究,并结合成都地铁和北京地铁现场应用及试验数据,对刀盘开口率的确定、刀具的布置、轴式/带式螺旋输送机的选取、渣土改良系统及注浆系统的配置进行比较,得到了相应地层土压平衡盾构设计的解决方案,为类似地层土压平衡盾构的设计提供参考。     

海底复杂地层超大直径盾构刀盘设计与优化

为解决海底复杂地层超大直径盾构刀盘设计中面临的刀间距布置、刀盘结构分析、刀盘功能优化等难题,基于某海湾隧道工程地质、水文特点,对盾构穿越海域段全断面软土层、孤石侵入的软土地层、基岩突起地层等工况开展分析。首先,开展室内不同刀间距破岩实验确定中心区域间距并提出刀盘刀具的总体布置方案;其次,采用数值计算对刀盘结构进行静力学和模态分析,结构的最大应力为190 MPa,最大变形为6.2 mm,前6阶频率为26.6~42.9 Hz,固有频率避开了工作频率;最后,考虑工程特点进行集中控制分布式冲刷系统、刀具运行状态监测及耐磨保护措施的刀盘功能优化。工程应用表明,刀盘结构强度、刚度满足要求,刀间距设计合理,刀盘优化措施提升了盾构在淤泥及海底软硬不均地层的适应性,可为类似海底复杂地层盾构选型及设计提供一定的参考。     

南宁地铁2号线盾构选型设计与适应性分析

盾构的选型与设计对地铁区间盾构施工具有重要意义,其选型的合适与否直接影响到盾构施工的成败。针对南宁地铁2号线所遇到的黏土层、硬岩层、夹杂碎石砂砾层、上软下硬地层及岩溶地层等多种地层相结合的特殊复杂地质条件,提出盾构选型总体要求,开展对盾构动力设备、刀盘、刀具等关键部位的选型研究,同时优化防泥饼、螺旋输送机、小倾角皮带机和同步注浆设计方案以及地质加固方案。通过实际掘进参数和地表沉降数据分析,结果表明盾构设备选型及优化设计方案对南宁地区特殊复杂地质条件适应性良好。     

大断面矩形盾构开舱处理障碍物技术

为解决矩形盾构掘进过程中不明地下障碍物导致的刀具脱落、螺旋输送机阻塞、刀盘卡顿及刀盘无法启动等问题,对大断面矩形盾构开舱处理障碍物的施工技术进行总结。主要结论如下:1)带压进入土舱查明掌子面稳定情况后,常压开舱成功移除导致刀盘无法启动的孤石以及土舱内废弃的铁管;2)浅埋矩形盾构施工前,尽量在盾构到达前清除隧道范围内的障碍物,以避免后期处理的重大工程风险与经济损失;3)盾构掘进前,应充分考虑掘进过程中可能遇到地下障碍物的风险及应对措施,尽可能地配置满足条件的进舱带压作业班组,并准备相应的带压进舱设备等。     

某地铁工程盾构刀盘改造力学分析

为了适应富水中砂地层盾构掘进,需要对原有刀盘结构进行改造,并研究改造前后的刀盘力学特性。采用理论计算土压平衡和土压不平衡2种工况下的刀盘外载,并利用有限元法分析改造前后盾构刀盘的应力及变形情况。研究结果表明:1)土压不平衡工况下的最大等效应力和最大变形高于土压平衡工况。2)对于同一种工况,改造前后刀盘的最大等效应力变化不大,但最大变形量增加了10%左右;最大等效应力位于刀盘背板与牛腿的连接处,最大变形发生在刀盘左下侧及右上侧的边缘位置。改造后刀盘的强度和刚度均满足施工要求,实际掘进效果良好,掘进效率明显提升。     

南宁地铁5号线“泥水+土压”双模式盾构掘进模式快速转换关键技术

以南宁地铁5号线五新区间为工程背景,对并联式双模盾构掘进模式快速转换技术进行介绍。并联式双模盾构"土压+泥水"平衡掘进模式均可以独立运行。掘进过程中采用双模式盾构2套出渣系统相配合的方式改变舱内渣土性状,以满足螺旋输送机和泥浆管道出渣要求,进而启动相应模式下渣土改良方式完成掘进模式转换。通过以上措施双模式盾构完成计划内模式转换2次、试验性掘进模式转换12次,共计14次,未出现明显螺旋输送机喷涌或泥浆管道堵塞的情况,地表沉降控制良好。     

无刀盘土压平衡盾构概念性设计

为解决传统土压平衡盾构刀具切削效率低、磨损不均匀、刀盘转动惯量大及开挖异形断面困难等不足,创新设计一种具有土压平衡功能的无刀盘盾构。该盾构具有切削效率高、刀具寿命均衡、无需滚动纠偏、对隧道断面形状适应性强等特点。针对这种新机型的功能特点,从结构方面进行概念性设计。     

土压平衡盾构穿越河道地下障碍物施工技术研究

南昌地铁1号线5标段盾构隧道穿越抚河,抚河下有破除桥梁残留的临时钢筋混凝土桩等障碍物。采用地质雷达确定了抚河段内未知地下障碍物的位置,同时对盾构机刀盘配制、螺旋输送机和掘进参数进行了分析。研究表明：为了保证盾构机安全穿越地下障碍物区,刀盘刀具需具备一定的破岩能力,同时需对刀盘转速和掘进速度进行控制;最后分析了穿越地下障碍物对盾构机的影响。这对今后地铁盾构隧道工程有一定的指导意义。     

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。