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。     

成都富水砂卵石地层盾构刀盘设计及应用

针对成都富水砂卵石地层盾构施工过程中刀盘刀具磨损严重、结泥饼和地表沉降大等问题,从盾构刀盘结构设计、刀具配置、耐磨保护及刀盘碴土改良等方面入手,对刀盘进行了针对性地改良设计。改良后的盾构刀盘不仅实现了长距离掘进,而且也有效地控制了地表沉降,对类似地层盾构刀盘设计具有一定的指导和借鉴作用。     

土压平衡盾构刀盘掘削动态数值模拟

在盾构掘进过程中,刀盘与土体之间的相互作用非常复杂。应用大型通用有限元分析软件ABAQUS建立了在砂土和黏土地层条件下土压平衡盾构刀盘掘进的非线性动力学模型,依据德鲁克-普拉格塑性屈服准则,采用包含单元删除功能的损伤失效准则模拟土体的屈服和破坏。模拟结果反映了土体在受到切削时累积塑性应变直至破坏的变化规律;刀盘在掘进过程中所受载荷呈一定周期性变化;在其他掘进参数不变的情况下,刀盘在砂土中掘进时所受轴向力和扭矩大于黏土;刀盘在砂土中的切削效率低于黏土。研究结果能够为土压平衡盾构刀盘的设计研究提供一定的理论指导。     

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。     

砂卵石地层中泥膜支护土压盾构施工试验

为了给盾构机在砂卵石地层中安全顺利的掘进提供参考,针对砂卵石地层中土压盾构掘进时开挖面稳定性难以控制、泥水盾构渣土排出困难的情况,提出一种使用泥膜支护开挖面,并使用螺旋排土器进行排土的新型盾构施工方法。考虑泥浆掺加量对泥浆砂卵石混合土在地层中的渗透及支护应力传递模式的影响,进行了不同泥浆掺加量下泥浆砂卵石土的渗透试验研究。在自制的渗透试验装置中,对6组不同泥浆掺加量的泥浆砂卵石混合土进行渗透试验,通过测定压力作用下地层及混合土中超静孔隙水压力及滤水量变化,分析泥浆砂卵石混合土的支护应力传递模式,讨论泥膜支护土压盾构的泥浆掺加量范围。结果表明:随着泥浆掺加量的增加,地层中的超静孔隙水压力消散速率在增加;存在3种应力传递模式,分别是孔隙水压力型传递、泥皮加渗透带型泥膜传递以及泥皮型泥膜传递;泥浆掺加量为23%~25%时可以实现泥膜支护。     

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。     

盾构穿越花岗岩球状风化孤石群的施工关键技术

为解决盾构穿越孤石群地层的难题,对花岗岩风化孤石的形成机制及盾构穿越孤石群产生的地面沉降、姿态控制、设备安全的风险进行研究,并分析传统孤石处理方法在孤石群地层中运用的局限性。主要结论如下:1)盾构穿越孤石群施工应系统考虑孤石预处理、掘进和开舱换刀方案;2)采用地下隐蔽岩体爆破技术对孤石进行爆破破碎后能降低盾构掘进风险,并且盾构通过期间须严格控制掘进参数;3)采用压密注浆改良刀盘周边地层,盾尾止水和舱内制作泥膜措施辅助带压进舱,能提高开舱成功率,解决刀具更换的问题。     

旋喷桩技术在郑州地铁盾构脱困中的新应用

以郑州地铁2号线北环路站—东风路站区间盾构隧道工程为实例,将旋喷桩浆液调整为惰性膨润土浆液,利用旋喷桩高压浆液、高压风切削及填充土体作用,在工程中进行实施印证,成功解决在富水粉细砂层中盾构刀盘卡刀问题。研究表明:1)将旋喷桩浆液改为惰性膨润土浆液,一方面可以有效切削束缚附着在盾构刀盘上及周边的砂土;另一方面可以对刀盘周边砂层进行填充改良、增加孔隙率、疏松砂层,减小地层对盾构的束缚力。2)膨润土旋喷桩技术,是一种地面非开挖技术,可有效降低采用洞内开舱及地面开槽(挖竖井)等脱困方式的安全风险,具有较高的功效及安全性。3)该技术较适用于软土地层(特别是砂层),根据其原理,不仅可以解决卡刀盘问题,还可以解决盾构盾壳抱死等问题。     

?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。     

大直径泥水盾构常压刀盘温度在线监测系统设计与应用———以杭州望江路过江隧道工程为例

在盾构施工过程中,刀盘温度的异常升高会导致刀盘磨损加剧,甚至造成刀盘变形,严重影响盾构施工及安全。为了实时监 测盾构刀盘温度,避免刀盘温度过高所带来的危害,以杭州市望江路过江隧道工程为依托,建立一套大直径泥水盾构常压刀盘温度 在线监测系统,结合无线传输技术,利用安装在刀盘背面的传感器收集刀盘温度数据,并对数据进行整理和分析。结果表明: 1)该 系统能避免信号屏蔽和泥水盾构掘进的干扰,长时间稳定监测刀盘温度; 2)盾构单环掘进时,刀盘温度呈周期性变化,与盾构工作 流程相匹配; 3)盾构连续掘进时,掘进产生的热量会在刀盘上稳定积累,使得刀盘温度曲线的峰值持续升高; 4)在刀盘温度异常升 高时,通过向刀盘注入分散剂,并观察刀盘温度变化,可以对刀盘形成泥饼和前方地质突变2 种情况进行区分。本文设计的刀盘温 度在线监测系统可以用于分析刀盘情况、判断地质变化和调节掘进参数。     

提高土压式盾构在砂砾石地层中掘进刀具耐用性的对策

该文结合北京地铁10号线11标总长度约2.8km的区间隧道工程的土质条件,从刀盘形式、刀具布置、加泥材料及施工措施等方面,阐述了在砂砾地层中提高土压平衡盾构掘进机的刀盘切削刀具耐用性的一些有效对策,为盾构选型和类似工程施工提供参考。     

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。     

土压盾构在富水粉砂地层中浓泥渣土改良技术研究

为解决土压盾构在富水粉砂地层掘进过程中存在的刀盘转矩过大、开挖面稳定难以控制及排土困难等问题,提高该地层盾构施工的安全性及稳定性,以无锡地铁3号线富水粉砂地层盾构区间为依托,提出土压盾构浓泥渣土改良技术,并开展土压盾构浓泥渣土改良现场试验,研究掘进过程中开挖面前地层中孔隙水压力、盾构掘进参数及地层沉降的变化规律。结果表明： 1）向开挖面注入4 m3/环泥浆后,能够将渣土的坍落度由原来的7.5 cm提高至14.5 cm,降低盾构闭舱和喷涌风险,且能减小土压、推力及转矩的变化波动; 2）浓泥浆在开挖面形成泥膜效应,可以有效降低掘进过程引起的孔隙水压力,最大可减小20 kPa。掘进完成地层稳定后,与未添加浓泥渣土改良掘进的地层相比,地表沉降值减小26.7%。     

突变载荷下盾构刀盘设计验证分析

在复杂地层条件下,由于掘进载荷不稳定,盾构刀盘受力不均、震动变形及刀具非正常损坏等是盾构施工中较为突出的问题。以工程现场刀盘与地层相关参数为基础,采用有限元方法,在不稳定载荷条件下对盾构刀盘受力特性进行分析,得出盾构在该地层不稳定载荷条件下掘进过程中刀盘应力、应变状态,可确保刀盘设计的可靠性。     

土压平衡盾构脱困技术及经验教训

为解决土压平衡盾构通过硬岩地层时被卡死的难题,以重庆地铁6号线土压平衡盾构施工为例,施工中采取以下脱困措施:1)采用爆破方法破除盾体上方围岩使盾构脱困;2)采用抬高刀具和增大开挖直径的方法解决边滚刀磨损超限造成盾体被卡的问题;3)爆破脱困后,对爆破形成的空腔进行注浆回填,保证盾构施工安全。针对盾构卡机问题,提出以下防卡措施:1)盾构在硬岩条件下施工,给盾构机配备扩挖刀;2)定期对刀盘情况进行检查。     

超大直径泥水盾构带压进舱换刀技术研究与应用

对于复杂地质条件下的盾构掘进,刀具更换往往不可避免。由于地质的复杂性、多变性和周边条件的局限性,常常无法实施盾构周边土体加固常压进舱换刀。带压进舱换刀技术以无需地层加固、地质适应性强、对周边环境要求低和影响小等特点,解决了苛刻条件下的换刀难题。为了能实现强渗透地层气压状态下开挖面稳定,采用室内试验对进舱泥膜的气密性进行了研究,研究结果表明： 进舱泥膜不仅要在开挖面形成一层致密的不透气泥皮型泥膜,还需在地层中形成均匀的透渗带泥膜,方能达到最佳的闭气效果。基于研究成果,南京纬三路过江通道N线工程实现了泥水盾构开挖面大面积气压支护进舱作业,并采用压缩空气作业与饱合潜水作业完成了盾构刀盘的维修和刀具的检查与更换。     

废弃黏土在泥水盾构泥浆配制中的再利用研究

南京纬三路过江通道在竖井施工和盾构始发段掘进过程中产生了大量废弃的黏土,如何经济环保地处理废弃土成为工程面临的一大难题。工程盾构段约40%的地层是粉细砂地层,该地层对泥浆指标要求较低,考虑利用废弃黏土来配制掘进泥浆。采用填土、淤泥质粉质黏土、膨润土分别与泥浆增黏剂混合配浆,使用自制的泥浆渗透仪测定泥浆的滤失量和成膜质量,最后结合现场施工监测数据验证泥浆配比的可行性。结果表明,采用始发段废弃淤泥质粉质黏土配制的泥浆稳定性较好,形成的泥膜致密、泥浆失水量小,能够满足粉细砂地层的盾构掘进。     

深圳地区复合地层盾构针对性设计与选型探讨

结合深圳地质普遍特点、难点及其对盾构设计选型的总体要求,重点介绍应用于深圳轨道交通11号线及9号线的复合式土压平衡盾构的设计和选型特点,从盾构设备的角度对刀盘结泥饼、刀盘及刀具异常损坏、刀盘或盾体被卡等问题提出了针对性的设计措施,并结合实际应用情况,得出了以下结论:深圳复杂地质条件下,盾构设计选型时应使设备具有良好的地质适应性,具有足够的驱动扭矩、破岩能力和良好的耐磨设计,需有防泥饼、防喷涌和带压换刀等功能。同时,对盾构施工管理和盾构设计改进也提出了建议,供业内参考。     

并联式泥水/土压双模式盾构施工技术与冷冻刀盘开舱技术的创新与实践

针对盾构施工过程中经常遇到的2大问题:1)盾构在复杂地层中掘进遇到的盾构选型难问题,如盾构区间一段适合土压盾构掘进,另一段适合泥水盾构掘进,而采用单一掘进模式的盾构都无法应对较大的地层变化; 2)盾构在复杂地层、长距离掘进施工时,开舱检查并更换刀具不可避免,盾构在上软下硬/软弱地层/含水砂性地层开舱存在极大的工程安全风险。在原有盾构的基础上,通过采取改造盾构内部结构、搭载冷冻设备、改进设备系统等手段,研制出并联式双模式盾构及搭载冷冻刀盘式盾构。通过广州地铁9号线、广州地铁21号线、220 kV石井—环西电力隧道(西湾路—石沙路段)工程案例,总结出双模式盾构施工技术与冷冻刀盘技术。并联式泥水/土压双模式盾构兼具土压平衡盾构和泥水平衡盾构的功能及施工优势,可根据隧道沿线地表环境条件和隧道穿越地层条件,合理划分采用泥水或土压模式施工的地段,且盾构施工环境适应性强,可在不拆装任何部件的情况下安全、快速地实现掘进模式的切换。将冷冻法与盾构刀盘结合在一起,使盾构刀盘具备冻结地层的功能,通过冷冻刀盘在隧道内对土舱外土层冻结加固,使其达到常压开舱的要求,与双模式盾构相结合,兼容性好,不存在功能上的冲突。