某地铁工程盾构刀盘改造力学分析

为了适应富水中砂地层盾构掘进,需要对原有刀盘结构进行改造,并研究改造前后的刀盘力学特性。采用理论计算土压平衡和土压不平衡2种工况下的刀盘外载,并利用有限元法分析改造前后盾构刀盘的应力及变形情况。研究结果表明:1)土压不平衡工况下的最大等效应力和最大变形高于土压平衡工况。2)对于同一种工况,改造前后刀盘的最大等效应力变化不大,但最大变形量增加了10%左右;最大等效应力位于刀盘背板与牛腿的连接处,最大变形发生在刀盘左下侧及右上侧的边缘位置。改造后刀盘的强度和刚度均满足施工要求,实际掘进效果良好,掘进效率明显提升。     

不同几何结构的TBM刀盘静力学性能对比分析

刀盘是全断面岩石掘进机（TBM）的核心部件,其变形量是否满足要求、应力分布是否合理决定了掘进机能否安全可靠地工作。为对比分析不同几何结构TBM刀盘的静力学性能,基于应用在秦岭隧道的TB880E型平面刀盘,设计了具有相同开挖直径和滚刀数目的锥面刀盘和球面刀盘;通过建立3种刀盘的有限元计算模型,分析了相同工况下3种刀盘的变形和应力分布。分析结果表明： 相同工况和掘进参数条件下,平面刀盘的应力最小,而锥面和球面刀盘的盘面变形较小。这说明平面刀盘结构平滑,不易产生应力集中,刀盘强度较高;球面和锥面刀盘的刀盘面呈拱形结构外凸,可以有效提高刀盘结构的整体刚度。     

海底复杂地层超大直径盾构刀盘设计与优化

为解决海底复杂地层超大直径盾构刀盘设计中面临的刀间距布置、刀盘结构分析、刀盘功能优化等难题,基于某海湾隧道工程地质、水文特点,对盾构穿越海域段全断面软土层、孤石侵入的软土地层、基岩突起地层等工况开展分析。首先,开展室内不同刀间距破岩实验确定中心区域间距并提出刀盘刀具的总体布置方案;其次,采用数值计算对刀盘结构进行静力学和模态分析,结构的最大应力为190 MPa,最大变形为6.2 mm,前6阶频率为26.6~42.9 Hz,固有频率避开了工作频率;最后,考虑工程特点进行集中控制分布式冲刷系统、刀具运行状态监测及耐磨保护措施的刀盘功能优化。工程应用表明,刀盘结构强度、刚度满足要求,刀间距设计合理,刀盘优化措施提升了盾构在淤泥及海底软硬不均地层的适应性,可为类似海底复杂地层盾构选型及设计提供一定的参考。     

?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。     

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。     

盾构刀盘的有限元参数化建模及其分析

为快速进行盾构刀盘有限元分析,建立典型刀盘有限元模型建模系统,利用该系统实现了盾构刀盘自动建模和有限元分析,并进行了掘进过程的有限元仿真,得到了刀盘与掘进界面耦合作用下的动态强度、刚度,为刀盘的优化设计提供参考依据。     

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。     

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。     

引绰济辽输水工程顶管机刀盘关键技术研究

为选配更具适应性的刀盘，对引绰济辽输水工程配置多梯度二次周边锥破机构的辐板式刀盘和面板式刀盘2种不同结构形式刀盘进行关键结构设计研究。采用有限元法得到结构的应力分布规律，通过数值计算得到刀具布置在力学性能上的分布情况。结果表明： 1）辐板式刀盘开口率更大，尤其中心区域开口大，针对黏土、泥砾等复合地层，“结泥饼”的可能性会降低； 2）2种刀盘结构形式均能满足结构强度要求，其中面板式刀盘结构强度更具优势； 3）面板式刀盘的类“米字形”滚刀布置方式产生的径向不平衡力和倾覆力矩更小，2种结构方式的数值均较小，满足设计要求； 4）综合工程地质情况、结构形式、强度分析、刀具布置、力学性能及其他多方面因素考虑，选择辐板式刀盘结构作为本工程的刀盘主体结构。通过在工程项目中的实际使用情况可知，刀盘掘进中运行稳定，具有良好的地质适应性，满足施工要求。     

盾构刀盘参数化建模系统开发

为满足设计人员快速完成盾构刀盘设计,采用CATIA三维建模软件和Visual Basic进行盾构刀盘参数化建模的方法,参照此方法可以完成盾构刀盘参数化建模系统的开发。通过建模系统,根据盾构施工的边界参数、材料参数和刀盘关键参数可快速生成盾构刀盘模型,在一定程度上缩短了刀盘的设计时间,减少了设计人员的劳动强度。     

盾构刀盘设计系统开发

为快速准确地完成不同类型和尺寸盾构刀盘的设计,根据刀盘自身机械数据结构和施工过程的数据关系,结合刀具破岩机制实验数据和刀盘三维参数化机械模型和结构分析模型,利用VB完成刀盘参数化建模系统的开发,方便了刀盘设计人员准确且快速地完成各种不同地层、不同规格盾构刀盘的设计及分析。     

大直径盾构刀盘受力不均分析及对策研究

为解决大直径盾构刀盘受力不均问题,分析软硬不均地层刀盘受力模型,提出大直径盾构刀盘设计改进方案。采用增加辅助支撑轮的方法,使大直径盾构刀盘由悬臂状态改为简支状态。通过有限元模拟分析对比改进前后的刀盘受力情况,刀盘增加辅助支撑轮后受力效果得到明显改善。     

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。     

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。     

盾构刀盘变形修复技术及理念

珠三角城际隧道施工中盾构刀盘出现了较大变形,为实现仓内维修并恢复掘进,探讨在不具备全面、系统修复的安全空间和作业条件情况下进行刀盘应急修复的特殊技术,总结出仓内变形刀盘的修复要点即控制修复刀箱在刀盘径向和轴向的安装位置,以保证各滚刀间距及破岩轨迹与原设计相符,并使滚刀表面保持弧形过渡。为盾构刀盘仓内特殊条件下维修积累了经验,也是对修复表面要求“从平到不平”的理念做了尝试与探讨。     

复杂地质条件下刀盘变形原因及处理技术

针对东莞地铁某项目刀盘变形的问题,通过分析其刀盘变形的原因,判断由于刀盘局部受力过大的原因,引起刀盘偏载,导致刀盘变形,之后采用盾构后退、清洗裂纹、校正变形、刨坡口和焊接等方法进行刀盘变形修复,达到了刀盘修复的目的。通过对刀盘变形的原因分析以及修复技术说明,为我们面对刀盘变形处理积累了经验,为处理刀盘变形问题提供实例借鉴和参考。     

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。     

滚刀常压换刀技术研究

针对大直径高水压条件下盾构施工刀具更换难度高、风险大的问题,结合大直径盾构刀盘结构,通过开发滚刀常压换刀装置,实现在刀盘保压的情况下,常压更换部分滚刀,不但降低了带压条件下滚刀更换成本,而且降低了换刀风险。     

盾构直接切削桩基施工关键技术

为解决盾构刀盘在切削桩基过程中出现的刀盘刀具异常损坏、刀盘卡死及掘进效率低下等问题,依托以色列特拉维夫轻轨红线项目,采用刀盘切削桩基实体模型方法,通过模拟不同刀具布置和多种掘进工况,分析掘进参数及刀具布置对桩基破坏形态、刀盘破坏形态的影响规律。研究结果表明,在盾构刀盘切削桩基过程中,存在最佳切削推进速度（3~5 mm/min）、刀盘转速（1.0~1.2 r/min）和最佳转矩（3 300~4 300 kN?m）等,且滚刀和切刀的数量对于切削桩基有着一定的影响。现场实际掘进和监测结果表明,利用该实验结果合理地调整相关参数,在轻轨项目中盾构切削桩基过程未出现卡机、刀盘损坏等现象,取得了良好的效果。     

考虑刀盘摩阻因素的盾构施工引起地层横向位移分析

为了全面和准确地计算盾构施工引起的地层横向总位移值,依据弹性力学Mindlin解,在已有研究的基础上,增加考虑面板式及辐条式刀盘的摩擦力对地层横向位移的影响,给出刀盘的简化计算模型,通过坐标转化和积分的方法分别推导2种结构形式刀盘正面及圆周面摩擦力产生的地层横向位移计算公式,并采用位移叠加的方法,给出盾构施工引起地层横向总位移计算公式,并对已有工程算例计算和分析,将结果与实测值对比。结果表明：计算结果可以反映盾构施工阶段地层横向变形的特点;在盾尾附近的一定范围内,同步注浆压力和盾壳摩擦力对地层横向位移的影响程度较大,为主要影响因素;在刀盘附近的一定范围内,盾壳摩擦力,刀盘圆周面环向摩擦力和刀盘正面摩擦力对地层横向位移的影响程度不可忽略;各因素产生的地层横向位移值随着深度的增加而衰减并向深层土体逐渐扩散;地层横向位移值受刀盘不同结构形式的影响程度较小,分布规律相仿;在刀盘推进面周围的一定范围内,地层横向总位移值正负区域的分布与刀盘的旋转方向有关。