敞口式盾构关键技术与应用

为解决常规密闭式土压盾构在砂卵石、大漂石等地层中施工经常遇到刀盘被困而无法正常掘进的难题,STM063D1地铁用敞口挖掘式盾构机,采取敞开式挖掘,土体支护装置采用"帽檐式盾体结构+可伸缩前檐+可收放正面挡板"3种不同组合支护方式,螺旋机采用常压出土等技术。通过相应的部件试验检测以及整机试掘进试验,得出敞口挖掘式盾构工法相比土压盾构在特定的范围内能适应土体自立性好、基本不含水或降水的砂卵石地层的特点。敞口式盾构及相应工法值得在北京地区及全国范围推广应用。     

敞口式盾构挖掘装置有限元分析及试验研究

挖掘装置是敞口式盾构的重要部件,对敞口式盾构的作业性能起着决定性的作用。以北京市三一重机有限公司研制的首台敞口式盾构挖掘装置为研究对象,利用有限元软件,建立了挖掘装置有限元模型。选取铲斗挖掘模式和伸缩臂挖掘模式进行了强度和刚度分析,得到了挖掘装置的应力云图和位移云图,为敞口式盾构挖掘装置的设计和改进提供参考。对挖掘装置进行了应力测试,对仿真和测试结果进行了比较,验证了仿真结果的有效性。挖掘装置已成功应用于北京地铁6号线2期工程的实际施工中。     

敞口式盾构在北京地区的适用性分析

通过介绍敞口式盾构主要结构、工作原理、施工步骤,结合敞口式盾构确保开挖面土体稳定,具有较好的经济性、进度指标、特殊应对功能及风险应对能力等特点,对敞口式盾构针对北京地区地层条件的适用性进行了研究分析,认为敞口式盾构在北京地区隧道施工具有一定的适用性,并值得推广。     

敞口式矩形顶管机设计与研究

为解决稳定地层中联络通道的机械化施工问题,研发敞口式矩形顶管机,并分别对敞口式顶管机在土体中的载荷分布特性、盾体静强度和挖掘臂的工作空间进行研究。1)基于普罗托基亚卡诺夫理论,研究敞口式矩形顶管机在土体中的载荷分布特性,构建盾体的受力模型。2)采用有限元法对盾体进行静强度分析,得到盾体的应力云图和变形量云图,验证盾体在强度和刚度方面符合设计要求。3)利用D-H 方法对挖掘臂系统进行运动学建模,得到挖掘臂末端在基坐标系中的位置矢量;应用蒙特卡洛法对挖掘臂的工作空间进行分析,得到机械臂末端的工作空间点云图。研究结果可为敞口式顶管机的结构设计和设备控制系统的搭建提供依据。     

基于SolidWorks Simulation的重叠盾构隧道穿行式全自动液压支护台车设计研究

为解决传统盾构重叠隧道施工中临时支护方案普遍存在的拆装不便、结构笨重、效率低下等问题,通过与既有支护方案的技术经济指标进行比较、分析,设计一种在无卸载支护条件下具备下部不间断穿行施工车辆功能的全自动新型液压支护台车,并利用有限元分析软件SolidWorks Simulation进行强度校核。新型液压支护台车较多地引入了电气控制和液压控制技术,在一定程度上实现了盾构隧道支护的机械化,降低了作业人员劳动强度。同时,通过对支护台车结构优化设计,有效解决了传统盾构重叠隧道支护方案中施工工序间的作业干扰问题,并减轻了台车质量,降低了施工成本。通过深圳市轨道交通7号线华新站-黄木岗站区间等工程实践表明,新型液压支护台车在保证既有隧道的结构安全、提高支护效率方面效果明显。     

盾构井基坑支护设计

该文介绍的盾构井尺寸为28.0m×14.0m×19.9m,基坑支护结构采用地下连续墙+钢筋混凝土支撑体系。由于该盾构井为引水工程的一部分,同时要具备临时支护及长期使用两种功能,所以该文重点介绍了该基坑结构的分析方法及为满足后期运营所需考虑的相关工程措施。     

西门子PLC在盾构控制系统检测试验台的应用

介绍西门子PLC在国家863计划项目盾构控制系统检测试验台上的应用。该试验台是以开发控制系统关键技术和检验盾构主机及后配套控制系统的设计是否正确为目的的实验装置。重点分析了盾构的控制系统的组成、功能和特点,并提出了一些改进的意见,供同行参考。     

采用橡胶气囊实现隧道盾构密封的研究

充气式高压橡胶气囊作为一种新的密封方式被应用到盾构施工中。为了解决隧道盾构进出洞施工中的盾构密封问题,从密封原理出发,进行了性能参数、装置结构特点、气囊选型设计、安装操作流程等方面的分析研究,结果表明:充气式高压橡胶气囊可以实现进出洞门与盾构外壳的可靠密封,其操作性和可靠性相对传统密封方式有了很大的改进和提高,目前已在盾构进出洞密封工程中得到了应用。     

Φ14.87m超大型盾构接管装置的改进设计及研究

上中路越江隧道采用Φ14.87m气平衡泥水盾构,经勘验该盾构的接管装置塞头损坏,为此进行了改进设计。文章叙述了接管装置塞头的改进设计以及使用情况。     

盾构钢套筒始发和接收关键技术研究

为实现无端头加固条件下盾构钢套筒的始发和接收问题,解决盾构始发和接收过程中存在的安全和经济问题,针对目前盾构钢套筒始发和接收过程中存在的问题,采用类比分析、仿真计算和工程试验等手段对钢套筒的刚度、密闭性、保压性和施工关键技术进行分析研究,并对钢套筒设备进行改进,将反力调节装置和三通管装置应用于盾构钢套筒中。工程实践表明:1)采用3个长弧形+3个半圆形组块对钢套筒进行改进设计后,施工更加便利、整体性更强;2)反力调节装置能有效减少钢套筒与洞门环板连接处以及钢套筒拼装缝处的变形和位移,提高钢套筒的密闭性能。     

复杂环境下盾构近距离穿越地铁车站施工技术

为解决盾构工法近距离下穿运营既有地铁车站中盾构总沉降控制问题,通过采取盾构施工前对障碍物进行探测、区间与车站之间土体的加固、盾构推进和注浆参数的合理确定及盾构机注浆系统的改进等一系列措施,确保了盾构在整个下穿过程中的顺利推进,并使整个施工过程的总沉降量控制在-1.7 mm以内,达到了施工前评估报告要求的-3~+2 mm的控制标准,为盾构下穿既有站施工的沉降控制积累了经验。     

综合管廊U型盾构机械化施工工法研究与应用

为解决传统明挖法、矿山法、盾构法和顶管法在综合管廊施工中存在的不足和局限,根据国内管廊工程建设环境特点,通过分析传统管廊施工方法的优点和不足,结合装配式建筑的发展趋势,创新性地提出U型盾构机械化施工工法。该工法将明挖法开挖与在盾壳内完成主体预制拼装结构相结合,通过研制相应装备将传统固定支护结构转变为刚性可移动支护结构,实现了明挖法管廊施工的机械化、标准化和规范化。介绍U型盾构工法的原理、适用范围、工艺流程、操作要点和节点处理,对比U型盾构与传统明挖支护结构的受力特点和对周边环境的影响,分析U型盾构适用范围及其工法优势; 通过海口市椰海大道管廊试验,验证了该工法在明挖综合管廊施工中具有较高的进度优势、经济优势和推广应用价值; 最后探讨该工法在小曲线半径、矩形或U型断面工程以及明挖框架结构工程中的应用前景,以期为综合管廊及类似工程提供一种新的设计理念和施工工法。     

浅覆土强透水砂卵石地层大直径泥水盾构干接收施工技术

为解决浅覆土强透水砂卵石地层大直径泥水盾构的接收难题,以常德沅江大直径泥水盾构隧道为依托,提出干接收施工技术,采用端头加固区RJP超高压旋喷加固、端头垂直冻结、塑性混凝土连续墙施作的联合加固手段,提高端头加固区整体结构的稳定性,为盾构接收创造条件。在盾构干接收过程中,通过控制各项施工参数、精确掌握施工时机要点,保证盾构顺利穿越既有管线及加固区,管线和地表最大沉降分别控制在6 mm和5 mm以内,确保盾构精确出洞。在洞门钢环内安装洞门刷防止盾构出洞时土体流失,同时增加盾构出洞过程中同步注浆量,并对管片进行槽钢连接固定,保证盾构出洞过程盾尾及支护安全。     

不同地层条件下的盾构与TBM选型

介绍了目前可选用的盾构与TBM型式,指出了盾构设计和施工应重视的几个新动向,探讨了不同地层应选择不同类型的盾构,不同地层应选择不同的刀盘结构,明确了公路隧道盾构的直径确定,考虑了TBM的选择及隧道支护型式选择问题。     

敞口式盾构在国内地铁首次成功应用

<正>北京地铁6号线二期15标郝—东区间左线全长1 064.789 m,区间隧道埋深8.7~10.2 m,其中388.294 m采用敞口式盾构施工。该盾构于2013年11月4日始发,在刚开始掘进时,曾出现土体自稳性较差、出渣量无法控制、严重超方、地表塌陷、盾构叩头等问题,通过及时改造盾构设备构造,采用分仓技术控制了掌子面塌坍问题,并通过调整每个仓室的渣土流动情况,将推力由28~30MN降至25~26 MN,实现了推进可控,逐步实现了盾构正常顺利掘进。这是敞口式盾构在中国国内地铁建设中的首次应用,以往     

小净距地铁盾构重叠隧道施工影响的三维有限元分析

深圳地铁三号线红岭中路站—老街站—晒布路站区间盾构隧道上下完全重叠1 045 m。为了研究重叠地铁盾构隧道施工影响规律,采用ANSYS三维有限元分析软件,模拟围岩、支护结构及开挖过程进行了计算模拟分析,论证了盾构重叠隧道"先下后上"的施工顺序的可行性,其结果可供设计及施工参考。     

某型土压平衡式盾构刀盘的力学分析与结构优化

为给兰州地铁掘进所用某型土压平衡式盾构刀盘的优化设计提供参考依据,应用ANSYS Workbench软件对其刀盘结构在正常工况下的力学性能进行分析。根据所得出的等效应力、总变形量与疲劳寿命云图,判定该型盾构刀盘上静强度和疲劳强度最弱的部位位于牛腿靠近面板背面的外角点位置,而其刚度相对较弱的部位则位于2块未开出渣口的面板外边缘。通过对刀盘结构尺寸进行改进优化,使该刀盘强度最弱部位在正常工况下的静强度与名义疲劳寿命分别提升71%和265%,同时刀盘开口率由35%优化为37%后,刀盘面板外边缘处的变形量减小约25%。     

盾构静-动态泥浆渗滤成膜及支护效率控制方法

近年来，泥水盾构在越江跨海隧道中被广泛应用，隧道开挖面“泥浆-土水”相互平衡作用是工程安全的关键。盾构泥浆能否成膜、动态掘进泥膜是否存在、动态泥膜如何发挥支护作用等问题受到广泛关注，理清这些问题是保障开挖面稳定的基础。对此，基于多相流理论提出了泥浆“渗滤-成膜-生长”瞬态力学模型，探明了泥浆的流体特性和地层的水力传导性质的时空变化规律，揭示了盾构停机静态成膜和掘进动态成膜机制，并通过静、动态成膜2个实例计算验证了理论方法的适用性。研究结果表明：盾构静态停机状态下通常为全断面泥膜，泥浆以面力形式进行支护，盾构掘进时表现为动态局部泥膜，泥浆压力可较长距离前向传递，以渗透力的形式发挥作用；盾构掘进时开挖面泥膜分布为多辐扇形的局部泥膜，可分为泥膜渐变区和无泥膜区，无泥膜区域靠近先行刀臂，随着刀盘转速的增加，泥膜的厚度和泥膜面积逐渐减小；实际工程中，可以从泥浆材料和掘进参数两方面提升泥浆的支护作用，一方面根据地层-泥浆粒径比和泥浆黏度双控指标进行泥浆配置，另一方面宜降低盾构刀盘转速，同时适当增加掘进速度，充分发挥局部泥膜的支护作用，提高泥浆的支护效率和开挖面的稳定性。研究成果对泥水盾构施工安全有一定的指导意义。     

马蹄形盾构负环管片拼装技术

盾构负环管片拼装是盾构始发中的一个重要环节,其拼装工法将直接影响工程工期、盾构的顺利始发及后续管环的拼装质量(倾角、滚转角等)。以应用世界首台马蹄形盾构施工的蒙华铁路MHTJ-01标白城隧道为例,介绍盾构始发时负环管片的拼装步骤,研究负环管片拼装过程中管片的定位与固定方式,并针对性地设计马蹄形管片在管片推出时的支护方式与支护工装。最终形成一套科学、安全、高效并具有指导意义的异形盾构管片施工方法。     

超孔隙水压力对盾构隧道极限支护力影响研究

为探究盾构施工时地层中超孔隙水压力的变化、空间分布特征及对盾构开挖面极限支护力的影响程度,以提出泥水压力设定建议,依托大直径过江盾构隧道工程,并基于现场测试数据,对泥水盾构在富水粉细砂地层中施工引起的孔隙水压力空间分布及变化规律进行分析,运用极限平衡法求解有约束的非线性函数,计算分析超孔隙水压力对盾构隧道极限支护力的影响,并提出修正的极限支护力计算公式。研究表明:1)盾构施工时,孔隙水压力扰动区大致为开挖面前方2倍的开挖直径及开挖面两侧1.5倍开挖直径,且越靠近开挖面,扰动程度越大; 2)富水砂层中开挖面主动破坏极限支护力的设定,受盾构掘进引起的孔隙水压力变化影响较大,应适当提升泥水舱压力,或采用全泥水平衡模式保持开挖面稳定,以减小对孔隙水压力的扰动范围及扰动程度。