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。     

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。     

基于坍落度的砂卵石地层土压平衡盾构渣土改良配方研究

针对成都轨道交通17号线一期工程土压平衡盾构法施工在砂卵石地层中遇到的难题，如螺旋输送机喷涌导致开挖面压力失控、卵石堆积于压力舱底部滞排等，采用膨润土和泡沫剂等对现场砂卵石进行室内渣土改良试验。结果表明： 1)改良剂的优化配比膨润土掺入质量比为5%，泡沫掺入体积比为10%~30%，即可使渣土的坍落度、和易性、抗渗性均保持良好，达到塑性流动状态。2)以渣土的坍落度在150~200 mm且无离析为改良的前提条件，以最小膨润土使用量为优化目的，建立砂卵石渣土坍落度与改良剂膨润土和水掺入量之间的三维曲面图，根据离析与非离析区域边界确定膨润土泥浆最经济的膨水比为1∶6。将试验结果应用于该工程的砂卵石地层土压盾构工程实践，掘进效率以及盾构工作的安全性得到显著提高。     

富水砂卵石地层大直径盾构渣土改良试验研究——以成都地铁17号线明九区间2~#风井——九江北站盾构工程为例

富水砂卵石地层大直径盾构施工过程中,易出现掌子面坍塌、喷涌、卵石沉舱以及螺旋出土器卡死等现象,同时,盾构转矩大,渣温高,一次性渣土改良体积大,使得对渣土改良的要求更加苛刻。为保证富水砂卵石地层土压平衡盾构的顺利进行,通过大量的室内试验对膨润土及泡沫剂最佳配比进行研究,并提出渣土改良剂的掺入体积分数及评价指标。研究发现:1)膨润土的漏斗黏度随钠基膨润土掺入体积分数的增加而增加; 2)泡沫溶液发泡倍数和半衰期均随着泡沫剂体积分数的增加而增加; 3)改良渣土流动性随着膨润土和泡沫剂掺入体积分数的增加而显著提高,渗透性随着膨润土掺入体积分数的增加而降低,随着泡沫剂掺入体积分数的增加而提高。建议:膨润土漏斗黏度不低于35 s,按照渣土体积的10%～12%掺入;泡沫剂发泡倍数控制在15倍,按照渣土体积的20%掺入。通过现场实际渣土取样以及掘进参数分析验证了渣土改良的效果。     

大粒径富水卵石、漂石土地层大直径土压盾构掘进关键技术

为解决大直径土压盾构在大粒径富水卵石、漂石土地层条件下刀盘刀具磨损严重、刀盘被卡、地表塌陷、渣土喷涌等工程难题,结合都四山地轨道交通项目DSZQ-1标永丰站—蒲阳站区间盾构隧道工程的施工情况,从盾构选型设计、超前地质预警处理、掘进参数选择、渣土改良、螺机防喷涌等方面进行研究,总结出都江堰地区大粒径富水卵石、漂石土地层大直径土压盾构掘进关键技术,为后续工程在此类地层施工提供了借鉴依据。     

富水砂卵石地层盾构施工渣土改良研究

针对成都地铁富水砂卵石地层中盾构施工渣土改良进行了室内试验研究,初步得出适合于该地层渣土改良剂的种类和配比,并通过现场应用确定砂卵石地层盾构施工渣土改良的合理配比,为其他类似地层盾构施工渣土改良提供一种参考。     

顶管机在含有钢筋等柔性杂物复杂地层中的改进及应用

为解决顶管施工穿越含有钢筋等柔性杂物的复杂回填土层时出现的破碎不完全、刀盘缠绕、排渣管道堵塞等问题，首先，分析钢筋的破碎特性和复杂回填土地层的特点，研究贝壳刀切削、破碎机制； 其次，针对含有混凝土、石块等硬物质和钢筋等柔性杂物的复杂地层，对顶管机结构进行改进和创新性结构设计； 再次，对顶管机渣土排放设备、泥舱结构进行改造设计； 最后，采用特殊控制系统和施工工法辅助施工。将该创新技术应用在深圳海斯比顶管工程中，顶管成功穿越了含有大量钢筋等柔性杂物的建筑垃圾回填土层。     

砂卵石地层土压平衡盾构渣土改良难易分类机制研究

针对砂卵石地层中卵石含量高、粒径大、强度高等特点导致土压平衡盾构掘进施工故障多、渣土改良难度大问题，首先，将砂卵石粒径分为≤2 mm细粒和＞2 mm卵砾石粗粒2部分，建立砂卵石渣土中细粒填充并包裹粗料形成的孔隙的二相体物理模型，推导细粒填充包裹粗粒孔隙的临界细粒质量分数；其次，根据该细粒临界质量分数和室内砂卵石渣土改良试验，将砂卵石渣土分为改良容易型、改良较困难型、改良困难型3类，并分别建议相应的渣土改良措施： 稳定性泡沫剂单掺方式、膨润土泥浆+泡沫剂复合掺入方式、泡沫+膨润土泥浆+聚合物复合掺入方式；最后，结合成都地铁17号线某区间盾构掘进渣土改良指导前、后渣土状态和掘进参数对比，初步验证建立的砂卵石渣土改良难易分类机制的合理性。     

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。     

扩径再制造盾构穿越高架桥桩施工适应性研究

为研究盾构切削穿越高架桥桩基工况下的扩径再制造技术以及再制造后盾构对切桩工程的适应性,以北京地铁12号线盾构切削西坝河桥桩工程为背景,分析盾构刀盘系统、推进系统以及排渣系统切桩难点,并依据难点提出再制造要求,再对盾构各系统进行改造,最后研究再制造后各部分的切桩适应性。结果表明:1)刀盘系统采用Q345B钢材、开口率达61%、配备切桩专用刀具以及搅拌棒,实现了刀盘系统耐磨性能、切削性能以及渣土改良性能的提升,基本适应切桩工况对刀盘系统的要求; 2)再制造后,对盾构转矩、推力进行校核,满足切桩要求,且留有较大的调整余度; 3)采用无轴式螺旋输送机出土器,降低了排出钢筋卡螺旋输送机的概率,螺旋输送机的输送能力、转矩、转速得到提升,可适应切桩对排渣系统的要求。     

盾构在砂卵石地层中掘进应用土体改良的技术

在成都砂卵石地层中进行盾构施工,由于砂卵石中卵石的强度很高,对盾构机刀盘、刀具的磨损相当大;同时由于砂卵石地层土质级配的不均匀,刀盘及土舱内结泥饼,螺旋机进土口的大颗粒卵石的骨架(骨架拱)效应,直接影响到土压平衡的有效建立,以致盾构在掘进过程中超挖,严重影响隧道沿线周边环境及施工进度。该文重点介绍了成都地铁1号线盾构1标区间隧道施工过程中采用的土体改良技术措施,从而消除了由于砂卵石地层的特殊性质造成的不利因素,保证了工程的顺利进行及周边环境的安全。     

基于宾汉姆流体的土压平衡盾构螺旋输送机排土量研究

为确保土压平衡盾构掘进过程中有效控制排土量,须考虑螺旋输送机构造特征和渣土性质对其影响。将改良后流塑性状态的渣土假设为宾汉姆流体,并基于螺旋输送机构造沿其螺旋排土方向展开成一长条形的长方体排土模型的基础上推导盾构螺旋输送机的理论排土量计算公式。通过对排土量影响因素进行分析表明： 1）排土量受开挖面支护压力、渣土的初始剪切屈服应力影响较大,而受渣土的塑性黏度影响较小; 2）随着隧道埋深和开挖面支护压力的增加,改良渣土的流塑性降低。将该理论成果应用于指导广州地铁21号线浅覆土全断面砂土地层某区间隧道盾构掘进中的渣土改良,开挖面支护压力保持了稳定,地表沉降控制为5 mm。     

土压平衡盾构在复合地层中渣土性质试验与改良技术研究

选择适当的土体改良材料使开挖土体达到塑性流动状态,为有效改善渣土流动性、降低喷涌量并减少刀具磨损,有必要开展复合地层渣土物理性质和改良技术研究。针对成都地铁10号线一期工程土压平衡盾构掘进过程中揭示的全风化、强风化和中等风化复合地层,定量分析地层条件对渣土性质的影响,定量研究不同配比的泡沫剂改良砂质、岩质渣土后塑流状混合物的含水率、坍落度等指标,提出基于地层及掘进参数的渣土改良施工参数的量化方法。结果表明:1)Swamee级配曲线方程对渣土颗粒级配的拟合效果较好,能比不均匀系数、曲率系数等参数更好地对不同渣样颗粒级配进行区分;2)富水渣样在泡沫剂发泡后的体积掺入量为40%时,改良后的渣土坍落度值为180~230 mm,能达到较好的流塑状态;3)级配方程实现了在全粒径范围内渣土颗粒主要几何参数分布的定量表示,可用于颗粒流与离散元的建模及反分析;4)利用Swamee级配曲线方程进行拟合效果最佳。     

矩形顶管在城市地下空间开发中的应用及前景

论述了矩形顶管机的一般结构形式,重点对平行中心轴式刀盘矩形顶管机、偏心多轴式刀盘矩形顶管机、行星齿轮式切削矩形顶管机、多联分体组合式矩形顶管机的结构特点和地层适应性进行了论述。详细介绍了矩形顶管在城市过街通道、地下商业空间、地下停车场等领域地下空间开发中的应用成果;同时对矩形顶管在地下综合管廊、地下物流通道、海绵城市建设等其他地下空间中的应用前景进行了探索;最后,对矩形顶管设备进行了展望并对其发展方向提出了一些建议。     

软土常压刀盘盘面开口及盘体结构优化设计研究

在保证刀盘结构强度符合工程要求的条件下,为解决刀盘易结泥饼的难题,依托常德沅江过江隧道工程项目,开展软土常压刀盘结构特征设计,分析盘体结构对渣土流动性的影响,并基于灵敏度分析方法对盘体结构进行优化及评价。研究结果表明:1)在充分考虑刀具配置及安装布置的条件下,刀盘采用5辐臂结构形式使得刀盘中心渣土流动性最佳,且开口大小宜由中心向外周缓慢增加; 2)根据灵敏度分析优化方法,刀盘前面板、换刀箱支撑板对刀盘应力影响较大,其厚度增加能够显著提高刀盘结构强度; 3)提出的盘体结构优化设计方法可以有效降低刀盘盘体质量,提升刀盘力学性能。     

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。     

郑州市下穿中州大道超大断面矩形顶管隧道施工沉降控制技术

郑州市下穿中州大道矩形顶管隧道工程具有断面超大、覆土浅、4条隧道平行布置、净间距小等特点,地表沉降控制难度大。为有效控制地表沉降,采取同步注浆及二次注浆、渣土改良及出渣量、顶管机防背土、6刀盘控制及盲区处理、顶管隧道止退等关键技术。实践表明,超大断面矩形顶管在覆土浅、净间距小、地层多次扰动等复杂情况下,选择合适的注浆参数、精细化地控制出渣量及6刀盘操控、实施有效地止退等技术控制地表沉降是切实有效的。     

北京铁路地下直径线泥水盾构刀盘、刀具适应性分析

结合北京站至北京西站铁路地下直径线工程实例,通过不同盾构刀盘刀具配置在砂卵石下的应用对比,重点对本工程刀盘刀具改造前后对地层的适应性进行详细研究,总结分析出:1)对致密的砂卵石地层的刀盘刀具配置采用盘形滚刀是必要的,并应根据卵石粒径、密实程度尽量加大滚刀尺寸,加大1和2层刀高差,以提高切削贯入度,提高掘削效率;2)通过滚刀、撕裂刀、切刀等长短刀具的合理配置,可以实现对砂卵石地层的有效切削;3)切刀形式由原来螺栓连接方式优化为销轴连接方式,可以有效防止切刀在掘进过程中的掉落等主要成果。最终解决了砂卵石条件下刀盘刀具配置应注意的关键问题,保证了工程的顺利进行,对类似工程有借鉴作用。     

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。