基于性能退化的刀盘耐磨结构可靠性评估

在刀盘表面堆焊耐磨材料是保护刀盘母体结构、解决刀盘磨损的关键措施之一,由于盾构施工过程中表面磨损程度无法测量,因此需要对刀盘耐磨结构进行磨损程度预测和可靠性评估,预测刀盘能够达到的最大掘进里程。通过分析耐磨堆焊层的性能退化数据,并引入堆焊层的性能退化分布规律假设,建立可靠度模型;对退化量分布参数进行拟合,得到耐磨结构的可靠度与掘进里程关系的近似表达式,结果表明可通过刀盘可靠性评估预测刀盘耐磨结构的剩余掘进里程,实例中某型盾构刀盘的最大掘进里程在3.947 5~4.313 km之间。该研究也可用于盾构其他关键部件的可靠性评估。     

基于离散元数值模拟的砂卵石地层盾构掘进刀盘磨损特性研究

砂卵石地层由大量颗粒组成,其本质是离散的、非连续的,属于典型的不稳定地层,颗粒之间孔隙大,无黏聚力,单轴抗压强度普遍较高,刀盘旋转切削时,刀盘与颗粒摩擦非常剧烈,刀盘磨损严重。为研究砂卵石地层盾构掘进刀盘磨损特性,依托兰州市轨道交通1号线,采用颗粒流离散元软件EDEM,研究不同刀盘形式和覆土厚度下盾构机刀具磨损特性。结果表明,刀具磨损不均匀,主要体现在刀盘外围刀具磨损严重,中心处刀具磨损较小。相同掘进参数条件下,辐条式刀盘磨损较小,为面板式的0.7~0.8倍;覆土1.5D(D为盾构机外径)时刀具磨损量约为覆土1 D时的1.15倍。     

北京地铁无水砂卵石地层盾构施工技术难点及施工对策研究

针对土压平衡盾构在砂卵石地层掘进中经常出现土压建立困难,刀盘推力与扭矩大且磨损严重,经常出现刀盘"卡死"、螺旋输送机磨损严重及抱死现象,采取对土体进行塑流化改良、刀盘改造及刀具优化、调整注浆配比等措施,很好地控制了地面沉降,确保了该区间的顺利贯通。     

浅析超大直径泥水盾构刀盘扭矩的组成及影响因素

在复杂地质条件及盾构掘进参数的影响下,超大直径泥水平衡盾构机的刀盘扭矩会出现不同的响应。刀盘扭矩过小会降低盾构机的掘进效率,而扭矩过大会造成刀盘磨损严重,无法保证设计的开挖直径,严重时会造成整条隧道的报废。因此,研究刀盘扭矩的计算模型,明确刀盘扭矩的影响因素,找到控制刀盘扭矩的方法,已经成为亟待解决的课题。通过在南京纬七路过江隧道施工中积累的原始数据,结合盾构机的设计文件,研究了刀盘扭矩的组成及计算模型,对扭矩的影响因素进行了分析,并得出了控制刀盘扭矩的结论。     

基于滑移线场的土压平衡盾构刀具切削扭矩研究

为了较合理地估算刀盘的切削扭矩,对刀盘2种主要刀具即切刀和滚刀的切削扭矩进行研究:首先基于塑性力学中滑移线场,对滚刀和切刀分别建立与其切削机制相对应的塑性力学模型,推导具体的表达式;然后,根据盾构刀具的配置参数及红层掘进参数对刀盘的切削扭矩进行计算,分项求和得到刀盘总扭矩。最后对刀盘计算总扭矩与施工实测总扭矩相比较,并分析理论计算模型存在的误差原因。研究结果表明:滚刀在红层中受均匀磨损,磨损量小,刀盘扭矩的实际装备系数为3.2,有一定的富余。研究结果可为盾构刀盘的设计、施工提供参考。     

盾构机刀盘修复技术初探

盾构机刀盘在遭遇不利地质条件又不具备换刀条件时,强行出洞会造成刀盘严重磨损,在具备修复空间及技术经济比较合理的情况下,可对受损刀盘进行维修。文章依托北京地铁工程实例介绍筋板修复、刀盘校正、刀箱定位、泡沫喷嘴修复与保护等修复技术。     

基于近似模型技术的高强钢盾构刀盘优化设计

成都地铁6号线某标段为砂卵石、泥岩地层,原设计的盾构6.28 m刀盘中心开口率小,出现泥糊刀盘、卵石难进入土仓等问题.由于高强钢盾构刀盘相较于普通刀盘其强度和刚度均有较大余量,故通过集成有限元软件Ansys Workbench和多学科优化软件Isight,针对高强钢盾构刀盘的结构优化提出一种基于近似模型技术的优化方法.首先进行仿真分析研究2种不同材料刀盘的优化空间,建立高强钢盾构刀盘的优化数学模型,对所选设计变量进行最优拉丁超立方试验设计,并以径向基神经网络近似模型代替刀盘有限元模型,采用多岛遗传算法对高强钢刀盘进行优化设计,最终减薄刀盘钢板的厚度,增大了刀盘中心开口率,有利于大粒径卵石进入土仓,降低刀盘滞磨率,并可提供更大的刀盘结构空间以安装适合常压换刀的滚刀刀箱.该优化方法大大缩减了计算时间,提高了优化设计的效率.     

双线盾构扭矩分析及邻近管线变形影响研究

研究目的:为研究双线盾构隧道施工引起的管线横向及纵向变形规律,本文依托杭州地铁2号线某盾构区间段工程,采用适合杭州软土地区的土压平衡盾构刀盘扭矩计算方法,计算本工程对应的各种刀盘扭矩因子并得出最大理论扭矩值,将计算得到的刀盘扭矩因子与其他学者的研究成果进行对比分析,并研究盾构掘进时管线变形与刀盘扭矩的相关性。研究结论:(1)软土区双线盾构引起的管线横向变形在研究断面上呈现"W双峰"形状,且后行线施工引起的变形量大于先行线;(2)对于双线盾构施工引起的管线纵向变形,测得盾构接近时与刚通过时对管线变形影响较大,盾尾通过研究断面4 d左右纵向变形趋于稳定;(3)通过对比不同案例下刀盘扭矩计算因子得出影响盾构施工刀盘扭矩的主要因子是T_4与T_5;(4)分析得出管线变形与刀盘扭矩和单环排土量的比值呈现正相关的趋势;(5)本研究成果对控制杭州软土区双线盾构施工引起的管线变形具有参考价值。     

房山线北延盾构刀具磨损检查与修复技术

北京房山线北延线首经贸站—丰益桥南站区间左线盾构机掘进至 130 环后,盾构推力持续增大,掘进困难。施作检修井后发现刀盘刀具磨损严重,为此制定刀盘检修方案对盾构机刀具进行检修,检修后盾构各项掘进参数趋于正常,施工进展顺利。文章针对刀具磨损严重原因进行分析,提出刀盘更换修复技术方案,以期对类似盾构隧道施工具有一定借鉴意义。     

基于多目标优化的盾构刀具布置研究

盾构刀盘刀具的布置直接关系到刀盘的受力状况、刀具的磨损、大轴承寿命以及高效稳定的掘进。针对复合型土压平衡盾构刀盘特点研究了切刀及滚刀的布置规律,并对滚刀和切刀进行了布置优化。在满足刀盘几何要求和力学平衡约束基础上,建立了满足多种约束条件的滚刀布置优化模型,并采用粒子群多目标优化算法对模型进行求解。从刀盘整体受力出发,并基于阿基米德螺旋线方法进行切刀布置。最后通过ANSYS Workbench有限元软件对布置结果进行仿真分析,验证了该方法布置刀具的合理性和有效性,使优化方案更符合工程实际需要。     

泥水盾构在长距离砂卵石地层穿河施工中的不换刀技术

针对沈阳地铁9号线一期土建工程泥水平衡盾构在砂卵石及黏土地层中下穿500 m宽浑河隧道工程,对可能遇到的刀盘刀具严重磨损及结泥饼现象进行了预判,通过对地质颗粒成分组成及浑河水位变化情况进行分析研究,优化创新了刀盘结构形式和刀盘刀具耐磨设计,增强了环流系统泵送能力,改进了防结泥饼冲刷管路设计,再辅以施工辅助技术,不但实现了泥水盾构在该工况下不结泥饼和不换刀,还节约了施工成本。该技术的成功运用可为今后类似工程提供参考。     

泥水盾构长距离砂卵石地层穿河施工中不换刀技术

针对沈阳地铁9号线一期土建工程泥水平衡盾构在砂卵石及黏土地层中下穿500 m宽浑河隧道工程,对可能遇到的刀盘刀具严重磨损及结泥饼现象进行了预判,通过对地质颗粒成分组成及浑河水位变化情况进行分析研究,优化创新了刀盘结构形式和刀盘刀具耐磨设计,增强了环流系统泵送能力,改进了防结泥饼冲刷管路设计,再辅以施工辅助技术,不但实现了泥水盾构在该工况下不结泥饼和不换刀,还节约了施工成本。该技术的成功运用可为今后类似工程提供参考。     

石家庄无水砂层盾构选型分析

研究目的:随着盾构法施工隧道技术在城市地铁建设中的推广和应用,盾构选型成为盾构施工过程中的关键环节。本文针对无水砂层土压平衡盾构施工中的盾构选型问题,研究盾构选型对地表沉降的影响,并总结选型规律。基于石家庄地铁的无水砂层盾构施工数据对几个区间的盾构选型作出评价,从而找出关键影响因素。研究结论:(1)在该地区选用面板式刀盘、40%开口率的小松盾构机所造成地表沉降值为11~14 mm;(2)在该地区选用复合式刀盘、35%开口率的海瑞克盾构机所造成地表沉降值为7~10 mm;(3)当进行盾构选型时应选择合适刀盘型式,优先考虑小开口率和小刀盘扭矩的盾构机型,以此提高开挖面的稳定性,减小盾构开挖所造成的不良影响;(4)本研究成果可为类似隧道工程的盾构选型提供参考依据。     

某型盾构刀盘开裂改造的有限元分析

针对某盾构刀盘在现场施工中经常出现刀盘开裂现象,对刀盘提出改进方案。采用有限元方法,得到刀盘结构中危险截面位于牛腿与刀盘的连接处,与实际施工中刀盘开裂出现的位置基本一致;通过对原始方案与改进方案应力对比,得到采用在刀盘上焊接一圈筋板、增加6处加固点及圆角加强板的方式,刀盘的结构强度得到改善,通过现场施工,得到验证。研究结果可为盾构刀盘的结构设计和工程施工维护提供基础数据。     

土压平衡盾构复合式刀盘设计与结构有限元分析

简要介绍了土压平衡盾构复合式刀盘适应的地层;重点论述了刀盘的结构设计、刀具配置与布局特点,建立了刀盘主体结构的有限元分析模型;对盾构刀盘在模拟载荷作用下的结构响应进行了数值分析,分析结果符合设计预期。     

高磨蚀复合地层盾构刀盘受力分析与计算

盾构在复合地层中施工,经常会遇到盾构姿态难以控制、刀盘刀具异常或过量磨损、刀盘变形与开裂等问题,目前是盾构施工一大难题。针对芜湖过江隧道其中一段软硬复合地层的工程地质特点,将其在盾构掘进断面内的地层简化为上软下硬的二元地层结构,对刀盘受力公式进行推导并建立刀盘受力计算模型,基于LabVIEW编制盾构刀盘受力计算程序。该程序可以计算盾构机在复合地层掘进过程中的刀盘有效推力、有效扭矩、倾覆力矩和不平衡力及它们的变化情况。最后实例计算,得出刀盘受力和力矩随软岩比、刀盘转角和贯入度的变化规律,解释了盾构在复合地层施工难题的原因,为其提供依据。     

砂卵石地层盾构长距离掘进先行刀优化配置研究

针对砂卵石地层盾构长距离掘进工程特点,提出先行刀多维度梯次布置的设计理念,"多维度"保证了长距离掘进中刀盘受力稳定,不同刀高的先行刀梯次布置使其合金块之间搭接形成合金块磨损接力。同时优化先行刀合金块的耐磨及耐撞击性能,避免在长距离掘进中存在的刀具冲击疲劳失效。依托北京新机场线"磁1"区间盾构工程,通过方案比选得到最终刀盘设计方案,并对掘进过程中掘进刀具磨损数据与掘进参数进行深入分析。数据分析结果表明:多层先行刀布置的盾构砂卵石地层长距离掘进可分为高刀犁松和高低刀共同犁松两个阶段,高刀犁松阶段"梯次化"布置的高刀降低了低刀的磨损系数,高低刀共同犁松阶段在一定距离内继续维持掘进效率,有效延长掘进距离。     

富水砂卵石地层盾构刀具配置探讨

正成都属富水砂卵石地层,盾构施工难度大,刀具磨损情况严重,一直是制约地铁施工进度的一大难点。根据成都地铁1号线施工过程中刀盘消耗成本大、换刀困难、地表易坍塌及刀盘和螺旋输送机磨损严重等实际问题,提出适合成都地层的刀具配置     

北京地铁砂卵石地层土压平衡盾构施工刀盘扭矩研究

根据砂卵石地层力学特性,结合北京地铁4个标段工程,分析土压平衡盾构刀盘扭矩各组成部分所占的比例,提出简化的刀盘扭矩计算公式.分析计算结果表明:刀盘开口率与刀盘扭矩成反比,开口率每增加10％,刀盘扭矩降低8％～10％;土体的流塑性对刀盘扭矩影响较大;土体的摩擦系数每降低0.1,刀盘扭矩相应降低约35％～40％.在北京地铁10号线二期工程现场进行盾构掘进试验,分别通过刀盘改造(开口率增大至40％)及土体改良,使刀盘扭矩保持在2 500～3 500 kN·m,盾构推进速度明显得到改善.试验结果进一步验证了增大开口率及土体改良是在砂卵石地层降低刀盘扭矩的2项非常有效的措施;也验证了刀盘扭矩计算公式是合理的、可靠的,满足工程实际需求.     

关于复合地层中盾构机刀具磨损的优化研究

以某地铁区间为工程背景,结合复合地层的地层条件和地层分布情况,确定硬质地层对开挖面物理特性的影响。根据适应不同单一地层的刀盘合理转速,提出适用于复合地层的刀盘设计转速的确定方法。通过监测盾构机掘进过程中的刀盘扭矩变化,实现刀盘转速提前调整。新提出的优化方法有效减小盾构刀具在复合地层的过快磨损,显著延长刀具的使用期限,有效提高盾构机在复合地层中的施工效率。