盾构刀具磨损超声波检测系统室内试验研究

为实现准确检测刀具磨损量,判断换刀时机,节约刀具成本费用,确保施工安全的目的,结合目前超声波检测技术现状及国内外相关工程技术资料对盾构刀具磨损检测系统进行介绍,并在检测仪安装调试的基础上进行室内试验。验证检测仪的应用效果如下:1)研发的检测仪具备RS485通讯方式,具有实时显示功能,并通过电滑环的应用解决了测线在盾构运行过程中的绕线问题;2)新型超声波检测仪可在振动且具有一定温度的掘进环境中实时、准确地检测磨损量,并具有较好的系统稳定性。     

盾构刀具关键技术及其最新发展

针对盾构刀具技术研究存在的不足,从刀具种类及适应性、性能差异性等方面对盾构刀具技术及其发展历程进行概述。将盾构刀具关键技术分为刀具结构、刀具材料、刀具制造工艺及磨损检测技术等4个方面,对梯度结构刀圈、新型刀毂、内腔带压滚刀等新型盾构刀具结构进行介绍;对新型硬质合金刀圈、粗晶颗粒硬质合金、耐磨堆焊材料等具有优越性能的刀具材料进行研究;从熔炼及锻造、等温球化退火、热处理工艺等方面分析刀具制造工艺;在统计分析刀具失效形式的基础上,全面分析刀具质量稳定性、现场管理措施、安装形式等影响因素,阐述刀具磨损检测技术现状,提出刀具磨损量可视化测量等发展方向。最后对盾构刀具技术的最新发展进行总结,提出今后的研究方向,为盾构刀具优化设计及盾构施工中的刀具管理提供指导。     

超大直径泥水盾构常压换刀装置载荷实时监测系统设计及应用

超大直径(直径≥14 m)泥水盾构刀具在软硬不均地层受交变载荷作用,掘进参数选取难,刀具更换频繁,常压换刀装置刀座螺栓易发生过载失效、松动等问题,严重影响隧道施工安全。为实现对换刀装置载荷实时监测、感知载荷数据来指导施工,以汕头苏埃通道工程为依托,提出一套基于光纤光栅技术的载荷实时监测系统。该监测系统利用智能螺栓在泥水环境中对螺栓载荷进行测量,通过无线通信技术传输信号,最后基于数据采集软件对载荷数据进行存储、分析。结果表明:1)该系统能够在恶劣的泥水环境下克服复杂电磁环境,稳定可靠地对载荷进行监测; 2)盾构在软硬不均地层掘进时,螺栓轴力载荷呈周期性变化且因安装位置不同差异性较大,利用软硬不均地层螺栓轴力载荷差异可估算岩石侵入高度并指导刀具配置; 3)通过对螺栓轴力监测能够发现螺栓松动、预紧力衰减现象,有助于及时抽检刀具、加强螺栓防松措施,对降低施工风险很有必要。该系统可用于载荷实时监测、螺栓松动识别、岩石侵入高度估算等,对盾构施工具有一定指导作用。     

盾构掘进中刀具磨损的跟踪检测

盾构施工中,不同类型的刀具因用于不同的地层其磨损方式不尽相同.通过研究,找到了刀具磨损的多种检测方法.并对掘进参数分析法用于刀具磨损检测进行简单的介绍,同时结合工程实例介绍这一方法的应用情况并进行分析.     

刮刀及撕裂刀磨损实时监测系统

为降低人工检修的风险,提高施工效率,辅助盾构操作司机判断是否需要更换刀具,对刮刀磨损量的可视化管理系统进行研发。通过对电阻排式的磨损传感器进行研究,介绍传感器如何很好地将信号传至接收仪器并在上位机实时显示,并对刮刀及撕裂刀磨损实时监测系统进行详细阐述。将此套系统应用于北京新机场线地铁项目,结果表明： 磨损传感器精确度较高,通用性较强,磨损量可实时在上位机界面上显示,提高了盾构施工的效率。     

盾构刀具切削研究进展及非正常磨损实例分析（双语出版）

盾构刀具在切削岩土体过程中的受力形态和磨损情况是决定工程施工顺利与否的关键因素之一。然而,在穿越高磨蚀性的砂卵石及土岩复合地层时,常会面临因刀具过量磨损而导致盾构机无法正常掘进等难题。针对刀具切削岩土体过程的受力与磨损问题,从刀具磨损监测方法、切削机理、切削过程受力的试验和数值模拟等方面系统地总结了近年来的相关研究进展,并通过典型工程案例分析了目前严重困扰盾构掘进的刀具非正常磨损问题。关于刀具磨损监测方法,目前通电式和超声波式监测技术在盾构施工中被广泛应用,并逐步发展形成连续成像的摄影测量和DCRM技术;在刀具切削力学模型方面,重点阐述了滚刀张拉破岩模式和CSM力学模型,以及刮刀的流动切削模型和Mckyes-Ali模型;刀具切削和磨损试验分别从岩土磨蚀单元试验、单个刀具切削试验和刀盘整体切削的模型试验3个方面研究刀具切削磨损效果;数值模拟研究则偏重于研究岩土体在不同的切削条件下应力状态和破碎形态的变化情况;刀具非正常磨损直接缩短刀具的使用寿命,具有突发性和不规律性的特点,是工程实际中最为典型的刀具磨损方式。最后,针对盾构刀具切削与磨损形式,展望了盾构刀具切削磨损在刀具监测方式、外形及布置方式、合金材料和焊接工艺等方面的发展趋势。     

盾构刀具切削研究进展及非正常磨损实例分析

盾构刀具在切削岩土体过程中的受力形态和磨损情况是决定工程施工顺利与否的关键因素之一。然而,在穿越高磨蚀性的砂卵石及土岩复合地层时,常会面临因刀具过量磨损而导致盾构机无法正常掘进等难题。针对刀具切削岩土体过程的受力与磨损问题,从刀具磨损监测方法、切削机理、切削过程受力的试验和数值模拟等方面系统地总结了近年来的相关研究进展,并通过典型工程案例分析了目前严重困扰盾构掘进的刀具非正常磨损问题。关于刀具磨损监测方法,目前通电式和超声波式监测技术在盾构施工中被广泛应用,并逐步发展形成连续成像的摄影测量和DCRM技术;在刀具切削力学模型方面,重点阐述了滚刀张拉破岩模式和CSM力学模型,以及刮刀的流动切削模型和Mckyes-Ali模型;刀具切削和磨损试验分别从岩土磨蚀单元试验、单个刀具切削试验和刀盘整体切削的模型试验3个方面研究刀具切削磨损效果;数值模拟研究则偏重于研究岩土体在不同的切削条件下应力状态和破碎形态的变化情况;刀具非正常磨损直接缩短刀具的使用寿命,具有突发性和不规律性的特点,是工程实际中最为典型的刀具磨损方式。最后,针对盾构刀具切削与磨损形式,展望了盾构刀具切削磨损在刀具监测方式、外形及布置方式、合金材料和焊接工艺等方面的发展趋势。     

武汉轨道交通7号线三阳路越江隧道施工关键技术

为解决三阳路隧道在施工过程中掘进低效、刀具磨损、正面失稳、泥饼淤积等问题,提出新的关键技术:1)引进的盾构设备采用常压换刀技术,提高刀具的更换效率,同时,降低在高压条件下更换刀具的安全风险;2)针对刀具磨损、刀盘结泥饼等问题,研究提出刀具形式与配置优化、中心冲刷系统改制、化学除泥饼等技术方案。研究表明,通过采用上述关键技术,可以有效提高掘进效率,降低换刀频率,减少停机风险。武汉三阳路隧道建设所取得的技术成果,可为未来复合地层大直径盾构施工提供技术参考。     

盾构刀具磨损机理及预测分析

为准确判断和预测盾构刀具服役寿命周期,指导盾构掘进施工,采用理论分析推导和实测工程数据分析的方法,对盾构隧道掘进过程中的刀具磨损机理和磨损预测模型进行分析研究。基于金属摩擦学理论,分析得到盾构刀具磨损主要由磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损3种机制共同组成,其中磨粒磨损和黏着磨损是盾构刀具磨损的主要原因。针对盾构掘进刀具磨损定量计算,考虑磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损共同作用,结合Rabinowicz磨粒磨损、Archard黏着磨损和疲劳磨损计算公式,引入科罗拉多矿业大学滚刀破岩力学模型和中南大学切刀破岩力学模型,推导得到盾构滚刀和切刀磨损预测通用计算模型;基于大连某盾构区间的复杂地层刀具磨损实测数据,借助于MATLAB软件编程,对实测数据进行分析,并与预测模型计算值对比。结果表明:模型预测值与实测磨损数据的误差小于15%,表明了预测模型具有较好的准确性;采用该模型对不同地层条件下刀具磨损量预测可行,研究结果对盾构掘进中的刀具磨损预测和开仓换刀时机选择具有较好的指导意义和工程实际意义。     

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。     

深圳地铁盾构隧道施工技术与经验

以深圳地铁5号线为例总结十几年来深圳地铁盾构施工技术。介绍深圳地质特点和盾构适应性,着重介绍深圳复合地层盾构刀具配置、始发、空推、平移、端头加固等关键技术,并通过工程实例介绍盾构通过建筑物、河流、铁路、硬岩和孤石处理方法,提供深圳盾构法施工的宝贵经验,展现盾构法施工的最新技术和应用成果,为国内盾构法施工提供很好的范例。     

以色列地铁粉砂地层盾构连续穿越河道和铁路施工技术

为解决土压平衡盾构连续下穿河道和铁路的施工技术难题,结合以色列Tel Aviv地铁红线盾构隧道施工实例,研究土压平衡盾构在浅埋粉砂层中2次连续切削钢筋混凝土桩基并穿越河道、运营铁路施工控制技术。综合采用深层旋喷桩加固技术、建（构）筑物自动化监测系统、盾构切削钢筋混凝土桩基试验、盾构掘进施工沉降控制施工技术,顺利实现2台盾构安全穿越河道、铁路、桩基等危险区域。通过实时监测数据对沉降、盾构切割桩基试验数据、近距离下穿河道和铁路整个过程进行调查、研究与分析,得出以下结论: 1）提出盾构下穿河道和运营铁路时沉降控制的有效技术措施; 2）总结形成一套土压平衡盾构在辅助工法配合下穿越河道、铁路等危险建（构）筑物工法,拓宽土压平衡盾构的使用范围; 3）验证盾构不同刀具配置与有效切割钢筋混凝土桩基的关系,为类似工程提供技术支撑和经验。     

刮刀磨损实时监测系统研发及室内验证试验研究

为实现复合式TBM（全断面硬岩掘进机）和盾构刮刀磨损的实时监测,研发一种新型刮刀磨损实时监测系统。系统由磨损感知模块、数据读取及发送模块、无线接收网关、上位机软件4个部分组成。其中磨损感知模块由14个等阻值耐高温碳膜电阻并联组成,为该系统的核心。系统通过贴合于试验刀具表面的磨损感知模块实时感知刮刀的磨损量,并由数据读取及发送模块将信号发出,经无线网关接收数据后传送至上位机软件。根据理论推导提出刮刀磨损量监测计算公式,并进行室内验证试验,试验结果表明： 刮刀磨损感知模块在磨损过程中信号稳定且不失真,磨损量误差控制在1 mm以内,室内环境下无线传输距离达30 m。监测系统能实现刮刀磨损的实时监测,具有较高的精度,对复合式TBM和盾构刮刀磨损实时监测工程难题的解决起到了推动作用。     

复合盾构滚刀磨损的无线实时监测系统

为了实时监测复合盾构掘进过程中滚刀的磨损和工作情况,建立了一套滚刀磨损的无线实时监测系统,将滚刀刀圈与传感器之间的距离变化转换为电压信号,经计算处理后得到滚刀刀圈的磨损量。在信号传输中使用无线结合有线的方式,将监测数据从终端节点经中继路由传输到上位机监控系统。分析了滚刀失效的主要类型、监测及判断机制,重点探讨了其安装结构和实现方案。结合某工程现场实验,证明该系统能有效地监测滚刀刀圈的磨损量,从而实现滚刀刀圈磨损的实时监测。     

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。     

国内盾构开舱技术现状与风险管控

盾构在长距离掘进后,由于隧道地质的复杂性和工程的特殊性,不可避免地发生刀具磨损和刀盘损坏等现象,此时必须停机进行开舱检修,因此对盾构开舱技术以及刀盘、刀具的修复技术进行研究和总结至关重要。针对盾构开舱以及刀盘、刀具修复难题,通过实践经验对国内盾构开舱技术现状、开舱的目的和风险进行总结; 并以南京扬子江隧道饱和带压换刀作业和地铁盾构开舱为例,分别从两大盾构类型（泥水盾构和土压盾构）对常压开舱和带压开舱技术以及盾构开舱的辅助措施进行分析,详细介绍常压开舱和带压开舱的适用范围、开舱条件、工作原理、作业流程以及开舱的关键技术等。最后,分别以某地铁盾构隧道和南京扬子江隧道的动火修复作业为例,对常压和高压状态下的刀盘动火修复技术进行详细介绍。经过实践总结与分析可知： 1）目前国内关于盾构开舱高压下作业的培训及认证体系还不完善,专业队伍比较缺乏,安全生产许可证和业绩评定体系尚不够健全,带压换刀作业手册和管理尚不规范成熟,盾构动火作业的安全形势依然很严峻; 2）盾构开舱风险较大,因此应严格加强盾构开舱的风险防范,并应根据具体施工情况尽量做到主动开舱,避免被动开舱; 3）目前虽然已成功地在某些工程完成了盾构开舱及刀盘、刀具修复作业,但盾构开舱技术的相关管理体系亟需构建,新技术的开发异常紧迫,因此加强技术交流、加快新技术的研发是一项长期的工作。