盾构机刀盘开裂后的洞内修复加强技术

刀盘是盾构机的重要组成部件,它是盾构的掘削机构,在不同的地层中,刀盘的受力载荷复杂多变,加之刀盘配置和掘进参数的不尽合理,就会导致刀盘的结构发生变化,出现开裂。结合工程实例,介绍了刀盘开裂后洞内修复加强的技术。     

基于离散元方法的TBM刀盘磨损研究及优化设计

研究目的:刀盘位于全断面隧道掘进机的最前端,工况恶劣,刀盘刀具磨损严重,是刀盘失效的主要原因。本文应用离散元分析方法对刀盘面板的磨损进行模拟仿真,并对磨损大小进行定量分析;通过对刀盘面板进行分区,研究面板的磨损规律;开展刀盘面板的堆焊结构优化设计,提出米字形堆焊的面板结构。研究结论:(1)刀盘面板滚刀分布密集区及出渣槽区域附近的面板磨损较为严重,易发生磨损激增;(2)优化后的新刀盘面板结构平均磨损量较原刀盘面板下降了近25%,优化后的刀盘面板耐磨特性得到明显提升,新刀盘面板结构固有频率较原刀盘面板更远离其工作频率,工作更加安全;(3)本文研究可为刀盘磨损的计算提供方法指导,优化的耐磨结构可应用于修复磨损严重的刀盘。     

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。     

地铁盾构刀盘改造及掘进性能对比研究

为更好地适应富水中砂地层的盾构施工,对土压平衡式盾构机原有刀盘结构、刀具布置等进行了改造。刀盘开口率由28%增加到40%;在刀盘中间增加了鱼尾刀;增加了两根长度为50 cm、直径为15 cm的主动搅拌棒;对富水中砂渣土进行了改良。对比改造前后的刀盘掘进性能发现改造后的刀盘掘进性能得到明显提升,具体表现在:盾构机掘进速度提升了4倍,刀盘平均扭矩降低了20%,土压波动范围变小,渣土温度降低了40℃,地面沉降亦得到了明显改善。     

关于盾构机刀盘结构强度验算的逆向直接法

根据土压平衡式盾构机辐条式刀盘的工作原理,基于经典结构力学原理,采用逆向思维逻辑,研究提出刀盘结构强度验算的逆向直接法。该方法将盾构机系统施加于刀盘结构上的推力和扭矩的作用点视为刀盘结构的支承点,将掌子面上岩土抵抗刀盘推进和旋削的反作用力视为施加于刀盘结构的外载荷;在此基础上,将刀盘的格栅梁结构整体模型等效地离散化为具有不同约束条件的若干种梁系结构计算模型,以此作为验算刀盘结构的抗推力和抗扭矩强度的计算模型;采用经典结构力学的方法求解模型,完成刀盘结构强度验算。该方法在我国最大直径的土压平衡式盾构机的设计、制造和使用的实践中经受了考验,证明了该方法的实用性、先进性和创造性。     

基于离散元法的不同掘进条件下盾构刀盘受力分析

参数的设置对于盾构掘进施工具有重要意义,一般需根据土层情况和盾构机性能综合考虑施工过程中的掘进速度和刀盘转速。本文以武汉地铁12号线科普公园至丹水池区间越江隧道泥水平衡盾构施工为依托,采用离散元数值模拟方法,在PFC3D软件中参照实际参数构建土层和盾构机模型,模拟盾构机掘进过程,研究不同土层参数、掘进速度和刀盘转速条件对刀盘受力的影响规律。结果表明,土层参数对刀盘受力和挖掘效率影响较大,刀盘受力与掘进速度呈正相关,而与刀盘转速呈负相关,进而与贯入度呈现负相关,这一规律主要与刀盘对土体的挤压和切削效应有关;在施工过程中调整掘进参数时应保证掘进速度和刀盘转速的平衡。     

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.     

泥水盾构刀盘开裂和解体事故原因分析

广州2台泥水盾构刀盘在穿越512 m宽的珠江时分别发生刀盘严重开裂和解体事故.这类事故极其罕见.从刀盘的结构设计和制造质量、地质情况和施工控制等角度对事故原因进行了分析,总结了刀盘设计制造和使用中应注意的问题,以期引起业内同行的重视.     

江底盾构隧道地层加固及洞室施工技术

采用盾构法在某江底隧道施工过程中,左线盾构机由于受江底上软下硬地层和刀盘严重磨损等影响,掘进速度异常缓慢,要对刀盘进行修复。为达到敞开式开仓修复刀盘条件,决定从右线对左线盾构机前方地层进行提前加固;同时在合理的位置,从右线开挖通道进入左线,提前进行刀盘修复洞室的开挖。从施工平面布置和主要施工工序、施工前的准备工作、盾构机前方地层加固等8个方面介绍了江底地层加固和刀盘修复洞室施工方法以及施工中应注意的问题。     

大粒径富水砂卵石地层泥水盾构刀盘脱困技术

泥水盾构穿过大粒径砂卵石地层时刀盘被卡住的情况很容易出现,不仅延误工期还会给工程增加预算。以兰州地铁1号线I期工程为依托,总结并分析已建地铁项目以及本项目实际施工中遇到的刀盘卡住情况及处理措施,形成一套对于大粒径砂卵石地层的刀盘脱困技术。相关技术经验可以为后续大粒径砂卵石隧道以及类似工程中刀盘脱困以及盾构安全快速掘进提供借鉴和指导。     

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。     

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。     

红砂岩-卵石复合地层刀盘卡停分析及对策

富水红砂岩与大粒径砂卵石复合地层其骨架效应显著,且大粒径漂石随机分布,极易导致盾构施工过程中出现刀盘卡停等故障。本文以兰州2号线公定区间盾构刀盘卡死故障为例,结合工程实际分别从水文地质条件、盾构机性能、刀盘布局等方面分析刀盘卡死原因,并针对性提出渣土改良、盾构机自身减负及消除围岩对刀盘握裹力等技术处理措施,成功解决了红砂岩与大粒径砂卵石复合地层中盾构机卡顿问题,避免了进仓或地面加固后处理工序,实现了工期及成本效益双丰收,对同类型工程具有重要参考价值。     

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。     

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。     

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。     

基于离散元法的隧道开挖过程动力学分析

基于离散元软件PFC3D建立了土壤盾构离散元三维模型,研究隧道埋深以及振动激励对推进力和扭矩的影响。对土壤模型施加初始应力以模拟隧道埋深,同时对刀盘的推进方向和旋转方向分别施加主动余弦激振,分析了掘进过程中刀盘在振动激励下的运动方程和受力机理,记录了掘进过程中刀盘推进力及扭矩。结果表明:随隧道埋深增加,刀盘所需推进力以及扭矩会相应增加,其中700 m埋深与300 m埋深相比,推进力相比增加了22.7%,扭矩增加了12.6%;隧道埋深一定的情况下,对刀盘的推进方向和旋转方向分别施加振动后,刀盘的推进力和扭矩与匀速掘削相比均有所减少,其中对旋转方向施加频率为15 Hz振幅为6.36e-3 rad的振动后,推进力减小了2.08%,扭矩减小了1.2%;对推进方向施加频率为15 Hz振幅为0.318 mm的振动后,推进力减小了1.67%,扭矩减小了3.28%;而且改变振幅后,刀盘受力呈现一定的变化规律,随着推进方向振幅的增加,扭矩呈明显的减小趋势;随着旋转方向的振幅增加,推进力呈减小趋势。隧道的埋深对开挖的推进力和扭矩影响比较大,而对刀盘施加振动可以在一定程度上减小推进力和扭矩。     

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。     

北京新机场线一期8.8m直径隧道盾构选型研究

依托北京新机场线一期工程07标段,从刀盘类型、刀盘驱动设备、刀具型式、刀具布置、渣土改良系统和同步注浆系统等方面对盾构选型进行研究。通过分析工程特点、总结以往工程经验、理论计算等方法得出结论:在全断面砂卵石地层中,辐条式刀盘适应性更佳;先行刀与刮刀组合的破岩方式以及先行刀的高差设置,有利于盾构掘进开挖土体;渣土改良材料注入口布置应充分考虑地质条件。     

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。