岩质地层盾构掘进施工控制参数分析

盾构机掘进施工参数的影响因素繁多,盾构机各参数之间的相关性研究主要以理论分析为主,盾构掘进施工参数的影响因素与影响机制难以阐明。文章对大连岩质地层中土压平衡盾构掘进施工控制参数进行了收集与分析,结果表明:盾构机的总推力与顶推速度、刀盘转速与刀盘扭矩以及螺旋输送机转速与其扭矩的相关性均不显著;因岩质地层中土拱效应明显,盾壳与围岩之间的摩阻力较小,总推力主要用于提供刀盘与开挖面之间的水平相互作用力;盾构机的螺旋输送机转速与盾构机顶推速度之间的相关性显著;螺旋输送机通过转速来调整土舱饱满度,进而影响开挖面上被切削的土体进入土舱内的难易程度,因此螺旋输送机的渣土输出效率对顶推速度与刀盘扭矩影响明显。     

泥水盾构的掘进模式及操作

文章首先介绍了泥水盾构有两种掘进模式:泥水平衡式和D模式;对比了两种掘进模式的特点和适应范围;重点介绍了盾构操作的前提、准备工作和掘进中需要控制的主要项目:排浆泵流量和开挖面泥水压力的协调控制,盾构推力、刀盘压力、刀盘转速和掘进速度的协调控制,盾构掘进方向的控制,同步注浆的控制。     

无水漂卵砾石地层土压平衡盾构施工关键技术

文章以北京地铁九号线丰台东大街站—丰台北路站区间全断面无水漂卵砾石地层盾构掘进工程为背景,基于地质勘查资料和试验探井的分析结果,掌握了该漂卵砾石地层的空间分布规律和力学性质。在合理选用辐条式土压平衡盾构的基础上,通过对盾构机关键部件进行适应性改造,降低了刀盘刀具磨损。施工中通过掘进参数的有效选择,实现了该类型盾构机在全断面卵砾漂石地层中的长距离掘进。     

泥水平衡盾构穿越富水砂砾层施工技术研究

文章依托沈阳地铁十号线11标长青桥站—浑南大道工程,该工程区间全长1.6 km,采用?6240 mm泥水平衡盾构施工,穿越段以富水砂砾层为主,最大粒径110 mm,在施工过程中,通过优化调整刀盘的合理选型和泥浆参数,有效地减少了刀盘的磨损,全程未更换刀具。研究表明:通过分析盾构设计阶段刀盘的选型配置和隧道贯通后刀具的磨损情况,提出了一套有针对性的泥水盾构刀盘配置;通过分析施工掘进参数可知,提高泥浆粘度虽然可以增加泥浆支护效果,但易在盾构刀盘的正面形成泥饼,导致正面砾石无法顺利进入土舱内,进而造成扭矩及推力的异常;通过分析不同粘度、比重下盾构机扭矩及推力的变化,总结了富水砂砾层中泥浆参数的合理指标,对今后类似工程的施工具有借鉴意义。     

适合成都砂卵石地层的土压平衡盾构机探索

针对成都地铁一号线砂卵石地层的粒径大、磨琢性大等特点,提出了除对碴土进行改良提高其流动性和润滑性外,还有为适应此种地层的土压平衡盾构机配置的刀盘、刀具和螺旋输送机等应具有耐磨性;针对大粒径卵砾石要求能破碎、小粒径卵砾石能排出的理念,提出增加刀盘正面面板开口率的建议;同时在盾构机的掘进中要优化掘进参数和加强操作管理.     

无水大粒径卵砾漂石地层盾构选型研究

文章依托北京地铁9号线工程实例,针对北京典型无水大粒径卵砾漂石地层盾构施工所面临的问题,提出了"以疏为主、以隔为辅"的盾构设备选型理念,开展了盾构机刀盘、刀具、加泥及泡沫系统、螺旋输送系统、同步注浆系统、刀盘驱动系统等关键设备的适应性研究和改造升级。实践证明,改造升级后的盾构设备适用于北京典型无水大粒径漂卵砾石地层,极大地提高了掘进速度,降低了建设成本。     

盾构机的集中润滑

盾构机中的集中润滑是作用于盾构机的关键部位刀盘驱动大轴承、唇口密封等。刀盘驱动大轴承润滑不良，会带来大轴承的咬死，造成刀盘不能工作，影响盾构使用；唇口密封润滑不好和压力过低；会造成唇口密封摩擦阻力增大，磨损增加，缩短使用寿命，润滑油压力过低，会造成盾构机外部的泥沙进入唇口密封，损坏唇口密封，进一步进入刀盘轴承，引起轴承咬死，会使盾构无法掘进，所以盾构机中的集中润滑是一个非常重要的位置，同时，盾构机中的集中润滑是强制性的润滑。     

盾构泡沫系统优化改造及现场试验研究

在地铁隧道施工中,泡沫系统是影响土压平衡盾构掘进安全、质量和效率的重要因素。文章以杭州地铁一号线盾构隧道工程为依托,针对盾构自带泡沫系统自身不易控制、维修不便、系统复杂且不独立等缺陷,提出了优化改造措施,意在使泡沫系统完全国产化和独立化;通过改造前后泡沫系统操作性、精度控制、系统故障率及经济效益四方面的比较,证明了优化改造后泡沫系统的优异性能;同时,基于优化改造后的泡沫系统,针对杭州粉砂性土的地层条件下进行的盾构推进时泡沫系统施工参数的现场试验,分析了不同泡沫量对刀盘扭矩、推进速度的影响,结果表明泡沫参数适用于粉砂性土层中的盾构掘进。     

大直径双模盾构浅覆土无障碍始发变形控制研究

为探究浅埋环境下大直径双模盾构无障碍始发过程中的变形控制策略，依托新建成蒲铁路紫瑞隧道盾构掘进区间工程，利用FLAC 3D软件建立可视化数值模型，并结合现场监测数据和施工参数，对双模盾构无障碍始发全过程进行模拟，研究刀盘切削洞门围护桩时所施加刀盘推力的数值特征对于桩后土体位移的影响；通过对比不同加固范围的位移控制效果，验证传统加固理论及其改进方法在无障碍始发下的应用可行性。结果表明：（1）刀盘推力的数值特征对于桩后土体位移的影响存在地层差异性，黏性地层下的影响效果要显著于圆砾、砂卵石这类非黏性地层；（2）不论何种地层，刀盘推力梯度对于桩后土体位移的影响效果均要显著于推力数值大小；（3）传统加固理论及其改进方法在无障碍始发下仍可应用，其中横向加固宽度的理论计算值偏于保守，纵向加固长度则基本满足土体稳定性要求；（4）始发段盾构模式转换位置的选择对于后续施工引起的地表竖向位移有着显著影响，建议选在加固区域内或靠近加固区边界处。     

基于岩体指标和掘进参数的TBM净掘进速率预测模型

净掘进速率是TBM施工速度的主要评价指标,与围岩物理力学性质、TBM掘进参数之间存在一定相关性。文章以兰州水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为背景,基于现场实测数据,选择岩石单轴抗压强度、抗拉强度、变形模量、泊松比、岩石耐磨性CAI值等岩体指标,以及刀盘推力和刀盘转速等掘进参数,进行TBM净掘进速率与有关影响参数之间的单因素相关性分析,得到相应拟合公式;基于TBM净掘进速率与岩体指标、掘进参数之间的相关性,利用多元非线性回归方法建立了TBM净掘进速率预测模型。通过将兰州水源地建设工程输水隧洞实测TBM净掘进速率和预测结果进行对比,验证了TBM净掘进速率预测模型的合理性。研究结果表明:(1)在复杂的多种地质条件下,TBM净掘进速率与岩石单轴抗压强度、抗拉强度、变形模量、岩石耐磨性CAI值、刀盘推力以及刀盘转速呈负相关关系,与泊松比呈正相关关系;(2)干湿状态对岩石耐磨性CAI值有一定影响,饱和状态下岩石耐磨性CAI值与TBM净掘进速率之间的相关性更显著;(3)建立的多元非线性回归预测模型,预测精度较高,可为相似地质条件下TBM净掘进速率估算提供参考。     

高压富水碎裂状岩层小半径曲线盾构隧道施工技术北大核心CSCD

在不良岩土工程条件下,盾构施工将会遇到刀具切削效果差、掘进参数设置不合理以及喷涌等技术难题。文章针对福州地铁高压富水、碎裂状岩层和长距离小半径曲线等施工难点,通过对滚刀切削力的理论计算,分析了刀具的力学性能,提出了合理的刀具配置、掘进参数和刀具更换时机;通过实践探索,采用了螺旋输送机改造、出碴控制和地面降水相结合的防喷涌措施;通过数值模拟方法分析了小半径曲线段盾构掘进开挖面稳定情况,并总结出了长距离小半径曲线段盾构掘进以及姿态控制措施。结果表明:(1)盾构机在碎裂状岩层中掘进时,岩块对于刀具的侧向冲击力很大,需对滚刀采取加固措施;(2)在总推力上升4 000～7 000 kN、扭矩上升1 000～1 500 kN·m、掘进速度小于10 mm/min时,应结合碴样情况,考虑在合适的时机进行换刀;(3)采用所研发的螺旋输送机防喷涌装置,结合地面降水和出碴控制措施,可有效减少喷涌的发生;(4)本工程盾构机在小半径曲线上长距离掘进过程中,轴线最大偏移量、管片安装高程偏差均满足盾构施工规范要求。     

高压富水碎裂状岩层小半径曲线盾构隧道施工技术

在不良岩土工程条件下,盾构施工将会遇到刀具切削效果差、掘进参数设置不合理以及喷涌等技术难题。文章针对福州地铁高压富水、碎裂状岩层和长距离小半径曲线等施工难点,通过对滚刀切削力的理论计算,分析了刀具的力学性能,提出了合理的刀具配置、掘进参数和刀具更换时机;通过实践探索,采用了螺旋输送机改造、出碴控制和地面降水相结合的防喷涌措施;通过数值模拟方法分析了小半径曲线段盾构掘进开挖面稳定情况,并总结出了长距离小半径曲线段盾构掘进以及姿态控制措施。结果表明:(1)盾构机在碎裂状岩层中掘进时,岩块对于刀具的侧向冲击力很大,需对滚刀采取加固措施;(2)在总推力上升4 000～7 000 kN、扭矩上升1 000～1 500 kN·m、掘进速度小于10 mm/min时,应结合碴样情况,考虑在合适的时机进行换刀;(3)采用所研发的螺旋输送机防喷涌装置,结合地面降水和出碴控制措施,可有效减少喷涌的发生;(4)本工程盾构机在小半径曲线上长距离掘进过程中,轴线最大偏移量、管片安装高程偏差均满足盾构施工规范要求。     

盾构刀盘系统的设计适应性研究与评价

盾构施工地质条件错综复杂,不同地层中的掘进效果差别巨大。针对某一特定工程定制的盾构及设计方案,不可能完美契合于其它工程,盾构刀盘系统的设计适应性及其评价问题亟待解决。文章分析了刀盘系统设计适应性的影响机理,以现有设计相对于目标设计在适应性上所拥有品质的隶属匹配度作为评价模型的初始数据,提出基于改进TOPSIS的分析模型与评价方法。以现有设计为例,对其应用于某城市的地铁施工进行可适应性分析与评价。结果表明:该盾构刀盘系统17项设计任务的适应性的影响力均为一般,9项指标适应性强弱依次为,工程施工适应性掘进参数适应性技术适应性开挖面稳定适应性环保适应性施工安全适应性经济适应性地质条件适应性耐用适应性。该模型与方法可有效评价盾构刀盘系统的设计适应性,从而为一个项目完成后的盾构设备再利用于其它工程的改造和维修决策提供依据,有效提高刀盘系统设计适应性及市场竞争力。     

上软下硬地层大直径土压平衡盾构下穿民房建筑群沉降控制北大核心CSCD

依托广州地铁18号线盾构施工,针对其地层分布复杂、软硬差异大及穿越密集民房建筑群等特点,通过注浆加固、现场动态监测、优化掘进参数等一系列主动措施,解决实际工程中掘进参数合理取值与地表建筑沉降变形控制两大难题。研究结果表明:(1)在该类软硬地层中掘进时,刀盘在通过不同岩层断面分界线时扭矩、推力等参数波动较大,总推力与扭矩有良好的相关性,各掘进参数宜控制为:推力30000~35000 kN、扭矩4500~6000 kN·m、推进速度35~45 mm/min;(2)提出的多段式封孔洞内超前注浆工艺可使刀盘前18 m范围内的地表上抬3~5 mm,最大上抬值能达9.02 mm,同时能缓解土体在盾构下穿时及后续固结稳定的沉降趋势;(3)因刀具磨损、掘进参数波动大、螺旋机卡死等引起的临时停机会造成地表建筑日沉降速率超过3 mm/d,在预设停机点位置前采取洞内超前注浆和克泥效工法能有效缓解沉降趋势,在带压开舱期间日沉降速率控制在2 mm/d以下;(4)左右隧道轴线附近的地表建筑沉降基本可分为“微小隆起—沉降较大—逐渐稳定”三个阶段,测点最大沉降值最终稳定在-21.38 mm、-22.49 mm,均小于控制值。     

盾构隧道施工对强透水砂卵石地层扰动规律研究

文章以下穿黄河某盾构隧道区间为研究背景,结合现场实际施工情况,揭示了强透水砂卵石地层力学特性及失稳机理,同时根据现场监控量测数据,深入分析了强透水砂卵石地层受盾构施工荷载扰动后的地层沉降规律,并提出了相应的安全控制措施。研究结果表明:下穿黄河段典型断面地表横向沉降值分布呈现明显的离散性,与Peck经验公式预测模型拟合度较低;通过对盾构掘进参数进行合理优化,适当提高盾构推力设定值,严格控制盾构掘进姿态和切口泥水压力波动范围,可有效控制地表沉降变形。     

TBM掘进数据标准化预处理方法研究北大核心CSCD

TBM信息化采集了海量数据,对TBM数据的标准化预处理是进行诸多研究的前提。基于此,提出了一种TBM掘进数据标准化处理方法,依托TBM现场施工掘进大数据,以破岩特征为依据选取基本掘进参数(刀盘转速、推进速度、刀盘推力及刀盘扭矩)分析掘进过程TBM数据特点,提出循环掘进过程空推段、上升段、稳定段及下降段起点的判别方法,对稳定段起点提出了标准差法判别方法、均值判别方法、直方图判别方法,满足实时和非实时的数据划分需求。最后对两个TBM工程的数据进行标准化预处理,实现施工大数据的标准化。结果表明,提出的标准化预处理方法可实现循环掘进过程数据的有效划分。研究成果可推广应用于众多TBM工程的数据标准化处理,有效实现机器学习数据库的建立。     

盾构掘进姿态和纠偏曲线研究

盾构掘进过程中出现的姿态问题会影响整条隧道的质量。文章首先对盾构姿态参数和隧道设计轴线进行阐述,将设计轴线分为水平和竖直线形来研究;基于盾构盾尾间隙、铰接装置、推进油缸行程差对最小纠偏曲线半径影响的分析,得到最小纠偏曲线半径的取值范围;基于温克尔地基模型,推导出纠偏力矩与最小纠偏曲线半径的关系式;在现有纠偏曲线理论研究的基础上,提出优化后的水平线形纠偏曲线模型。通过对工程实例进行仿真模拟,获得的纠偏曲线满足要求,由纠偏曲线曲率半径变化而获得的纠偏力矩变化曲线符合在实际纠偏过程中的油缸推力变化规律。     

TBM两级螺旋式刀盘出渣机制数值模拟研究

针对现有全断面岩石隧道掘进机（TBM）两级刀盘出渣缺乏合理的结构方案和优化设计方法，采用颗粒离散元方法构建数值模型模拟TBM两级刀盘出渣过程，并进行出渣缩比试验验证数值模型的可靠性。通过数值模拟研究出渣口排布与尺寸、螺旋形式与螺距、一/二级刀盘直径比、刀盘转速等因素对出渣性能的影响规律。结果表明：螺旋式结构是TBM两级刀盘有效的出渣结构方案；各因素对两级刀盘综合出渣性能的影响程度由大到小依次为刀盘转速>一级刀盘背部出渣口长度>后螺旋螺距。对于掘进直径为8 m的两级螺旋式刀盘，建议其最优结构形式和参数为：面、背部出渣口同位且有前后螺旋，后螺旋螺距0.85 m，一级刀盘背部出渣口长0.9 m，一/二级刀盘直径比不大于0.55，刀盘转速不大于6 r/min。     

软土地层加固对盾构姿态调控及地层变形的影响研究

依托珠海市横琴杧洲软土地层大直径盾构隧道工程，建立未加固和预加固地层大直径盾构掘进数值仿真分析模型，通过改变推进系统荷载分布来施加偏转力矩，研究偏转力矩与盾构机俯仰角之间的关系以及盾构机姿态变化对地层变形的影响。结果表明，造成该工程盾构机初始“低头”状态的重力偏心矩为261 MN·m，地层预加固条件下，使姿态调至水平所需的偏转力矩约为21 MN·m，较未加固情况（111 MN·m）小81.1%；地层预加固条件下正偏转力矩每增加100 MN·m，盾构机俯仰角增加约0.015°，较未加固情况（0.095°）小84.2%；相同负偏转力矩条件下，预加固后俯仰角的绝对值较未加固情况小85.0%以上；地层预加固使地表最大隆起量和最大沉降量均减小95.0%以上。     

浅覆土砂层土压平衡盾构始发掘进对环境的影响分析

盾构始发和到达安全掘进控制技术是困扰盾构隧道施工的主要难题之一。盾构进出洞施工中,面临掌子面失稳、土体坍塌、涌水涌砂、地表沉陷、盾构"抬头及磕头"等诸多施工风险。本文从基坑及隧道的破坏模式,塑性区分布范围出发,通过有限差分法针对易受扰动的浅埋砂层地层盾构始发段进行了研究,为加固区范围大小的选择提供了依据。研究表明,在不采取加固措施时,基坑开挖后隧道始发段的竖向位移、拱底的隆起和最大纵向挤出变形量均过大,显示基坑将发生坍塌等破坏。当盾构始发段主要加固措施为旋喷桩,加固后的土体的物理参数得到了显著的提升。本文在此基础上得出了旋喷桩的合理加固区域。