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。     

穿越紧邻隧道时盾构开挖面稳定性分析

当盾构近距离穿越邻近隧道时,由于存在既有隧道的刚度约束,隧道周围土体的破坏模式会受到既有隧道影响。考虑盾构近距离穿越紧邻已有隧道的特殊施工形式,构建三维弹塑性有限元计算模型,分析盾构处于不同位置时其开挖面失稳破坏形态、开挖面支护压力与盾构掘进位移之间的关系以及隧道上方地表沉降规律;基于极限平衡法,推导盾构近距离穿越紧邻隧道时开挖面极限支护压力变化模式,并对相关参数的敏感性进行验证讨论。研究结果表明:既有隧道的存在使得破坏区域受到抑制,沿开挖方向两滑动面不对称,靠近既有隧道的滑动面张开角比另一滑动面张开角小;随着楔形体倾斜角增大,相同内摩擦角条件下的开挖面支护压力不断增大,同时由于盾构掘进产生的土拱效应和盾构开挖面上方既有隧道的刚度约束,随着内摩擦角的不断增大,开挖面支护压力呈先增大后逐渐减小的抛物线形变化;相同参数条件下,盾构在黏性土层中掘进时,由于黏性土层中产生的土拱效应较弱,所需提供开挖面稳定的支护压力略大,开挖面支护压力较盾构在砂性土层中掘进时略大,随着埋深比的增加,维持盾构开挖面稳定的极限支护压力逐渐增大,且随着内摩擦角的增大,开挖面极限支护压力相应增大。研究成果可为类似盾构隧道工程建设提供一定的理论参考。     

无需带压进舱,实现远程换刀——NFM开发TBM换刀机器人NeTTUN

正1开发背景在TBM掘进过程中刀具会出现磨损,在遭遇坚硬与磨蚀地层时尤为显著。然而,为TBM更换刀具并非易事,整个换刀过程中存在着安全风险与效率问题。为此,TBM制造商NFM开发了Ne TTUN机器人系统,旨在提高TBM换刀的效率与安全性。2设计理念Ne TTUN机器人的目标是大幅减少TBM换刀过程中的人工操作:目前人工带压进舱更换单把刀具需要1 h,而TBM的维护时间占据了整个施工时间的15%～25%。机器人将通过自动或通过远程操作方式完成80%换刀作业,缩短维护时间,降低工人发生安全事故的概率。     

成都地铁砂卵石地层盾构带压进舱技术

以成都地铁1号线盾构4标段（省体育馆—火车南站）工程为依托,介绍了针对成都地铁含水砂卵石地层这种特殊地质所采取的带压进舱作业的相关施工方案和施工措施,提出了确保砂卵石地层自稳性和提高砂卵石地层气密性的带压进舱作业的技术要点和作业方法。     

隧道盾构带压进舱作业的潜水技术问题

从潜水技术的专业视角探讨潜水技术与盾构施工的应用问题,通过研究隧道盾构带压作业的主要难点和技术条件、所需潜水技术及特征、主要潜水设备、潜水技术应用的一般准则等,以解决隧道盾构带压进舱作业的潜水技术应用问题。主要结论如下:1)潜水技术适用于隧道盾构施工作业;2)潜水技术用于隧道盾构作业,除需解决装备、规程及减压表等软硬件外,潜水人员及作业管理也是其成败之关键;3)与隧道盾构作业所需潜水作业相比,海上潜水面对的环境更严酷,更复杂,人员装备的要求更高;4)我国隧道盾构带压作业潜水,目前需要优先关注的是如何将海洋工程潜水技术科学有效地移植于隧道盾构施工带压作业领域。     

考虑孔隙水压力影响的深埋盾构隧道开挖面稳定性分析

对均质土体中开挖的深埋盾构隧道,基于对数螺旋破坏机制和线性Mohr-Coulomb强度准则,将孔隙水压视为作用在土体骨架上的外力,采用极限分析法推导了其开挖面支护力的表达式,依据穷举法原理并编制数值优化程序,求得了特定参数下盾构隧道开挖面的上限解,最后分析了支护力随各参数的响应规律。研究结果表明:孔隙水压力系数、地下水位高度、隧道洞径和土体重度的增加不利于开挖面的稳定,而黏聚力和内摩擦角的增加则对开挖面的稳定性起有利作用。该计算方法能快速获得富水风险地区稳定隧道开挖面所需的支护力和潜在破坏范围,对风险地区的盾构隧道施工与事故防治具有一定参考价值。     

开挖舱高压环境下盾构刀盘动火修复技术

为了解决盾构在城市环境中长距离掘进时刀盘修复难题,结合北京铁路地下直径线工程的成功经验,阐述带压动火的整体思路,介绍带压动火作业的现场实施情况,分析在焊接过程中保障作业空间安全、气体环境的防爆安全、人员健康和作业可控的技术要求,研究高压焊接技术涉及的焊接方法、焊接设备、焊接材料和焊接工艺等系列问题,形成了完整的技术体系,并取得了良好的应用效果。     

地铁盾构填舱加固换刀技术获成功应用

<正>日前,在中国铁建十六局集团主办的盾构施工技术交流会上,施工方展示了广州地铁9号线4标马莲盾构区间2条隧道施工过程中取得的1 617环的渣土样本。通过对当前渣土样本的分析,预判前方地质情况,调整施工参数。目前,盾构技术作为地下工程开发建设的主流施工技术,在我国得到了广泛应用。但不同城市、不同地区间地质条件差异很大,对线路选择、盾构选型及施工技术的应用等都有不同要求,如何根据工程要求做出正确的选择并将施工细节考虑周全,是技术人员需要不断探究解决的课题。     

富水环境下泥水盾构开挖面合理泥水压力研究

为了研究富水环境下泥水盾构开挖面合理压力的取值,借助于GID软件和基于MATLAB的二次开发程序,对压力上限值与隧道埋深、直径、土体模量、土体粘聚力以及土体内摩擦角之间的关系进行了数值模拟研究。研究成果表明:土体在发生水力劈裂时,其产生的裂缝以竖向扩展为主,且裂缝的破坏形式最终呈漏斗形;土体表面破坏会加速中间主裂缝的扩展,但在主裂缝扩展到地表之前,其他方向的裂缝扩展速度很慢,这是因为其它裂缝尖端的泥水压力较小,不足以使裂缝出现扩展;泥水压力的上限值随着隧道埋深的增加呈现出非线性增长的趋势,随着土体粘聚力的增加呈现出线性增长的趋势,而土体模量、隧道直径以及内摩擦角这3个因素对压力上限值的影响很小。     

土压平衡盾构不满舱掘进开挖面渗透破坏试验研究

为进一步提高土压平衡盾构掘进效率,常采用非满舱掘进模式进行隧道施工。而富水地层中非满舱掘进常常遇到开挖面失稳引起超挖量大等问题,针对非满舱掘进过程中开挖面渗透稳定的问题,结合济南地铁R2线某标段发生的开挖面失稳现象开展研究。首先,通过自制开挖面渗透破坏试验装置研究了渗流条件下非满舱掘进开挖面渗透破坏的条件以及类型。然后,分析了不同渗透破坏类型的出砂规律。最后,按照土体可移动细颗粒含量设置了6种不同级配的地层,探究土体级配与临界水力梯度的关系。研究结果表明:1)渗流作用下,在该地层会发生渗透破坏,其非发展型和发展型渗透破坏发生的临界水力梯度分别为0.5和0.8;2)非发展型渗透破坏出砂质量先增大后逐渐平稳,而发展型渗透破坏的出砂质量持续增大,成渐进破坏的特点;3)建立了可移动填料含量Pf与其临界水力梯度的关系式。     

泥水盾构开挖面稳定性研究

针对不断推进越江海大断面隧道建设的现状,分析了盾构开挖面稳定性对盾构安全掘进的重要性,同时对泥水盾构开挖面稳定的研究方法、研究理论以及拟解决的主要问题等方面进行分析。通过综述国内外泥水盾构隧道开挖面稳定性的研究发展历程及近期新的发展趋势,讨论了已有的泥水盾构开挖面失稳经典理论及模型试验的局限性,介绍了泥水劈裂失稳的判定标准和模型试验等相关研究,同时分析了泥膜及刀盘对开挖面稳定的作用,最后展望了水下隧道,特别是高水压越江海大直径泥水盾构开挖面稳定性问题未来的研究及发展方向。研究主要从经典理论、泥水劈裂和泥膜等方面讨论盾构开挖面稳定等问题,也涉及合理覆土厚度等工程问题。研究结果表明:由于泥水盾构本身的复杂性以及地层的多样性,使盾构与土相互作用下的开挖面稳定问题的研究更为困难;尚没有更具普遍意义的泥水动态成膜评价标准以及刀盘对开挖面的支护作用的研究成果,特别是高水压、复杂地层等条件下的开挖面稳定问题属交叉领域颇多,更需深入研究,方可为工程所用。     

盾构隧道下穿铁路股道带压换刀施工技术研究

杭州富水粉砂地层粉土粉砂含水量丰富,且易产生流砂,在土仓内建立并保持稳定的换刀环境特别困难。以杭州地铁1号线秋涛路站至城站站区间盾构隧道下穿铁路股道带压换刀施工为例,从地面加固、换刀前掘进控制措施、气压值确定、膨润土泥浆压注、土仓清仓建压等多种措施综合应用,确保了盾构隧道下穿铁路股道带压换刀安全。     

大直径盾构刀盘刀具选型及常压换刀技术研究

由于盾构在软土地层和岩石地层的刀具切削原理和配置形式不同,对于不同地质,尤其复合地质刀盘刀具的适应性配置与磨损刀具的安全更换一直是当前大型盾构施工中遇到的技术难题。针对武汉地铁8号线越江隧道工程及其特殊的水文地质,分析大直径泥水盾构在软土和硬岩复合地层中刀盘刀具的选型配置,创新采用复合刀盘设计理念,并开发应用常压条件下滚刀齿刀互换技术,最后针对不同地质条件给出了刀具配置方案。通过采取以上措施,延长了刀具使用寿命,提高了刀具更换效率,降低了施工风险,实现了在复杂地层隧道的顺利穿越。     

土压平衡盾构全断面富水砂层带压进舱地层气密性封堵及其检测技术

富水砂层与黏性土地层等普通地层相比,其孔隙率大、渗透性强、含水量大,在此类地层中带压进舱作业的难点是地层气密性封堵难度大。在高压环境中,为了尽量减小气体的逃逸,以西安地铁3号线土压平衡盾构在全断面富水砂层中成功带压进舱为依据,通过采用盾体外部膨润土泥浆封堵、掌子面用高效能泥浆形成泥膜封堵、盾尾采用加大同步注浆量和盾尾油脂注入等方法,以及一系列气密性检测等措施,成功进行了带压进舱作业,并得出土压平衡盾构全断面富水砂层气密性封堵的方法及气密性合格的判定方法。     

西安地铁富水密实性砂层盾构带压换刀技术

为了解决西安地铁土压平衡盾构在富水密实性砂层中带压换刀所面临的土舱不易保压、作业人员进出舱气压控制难和舱内换刀安全风险高等技术难题,对带压进舱换刀技术开展了研究,通过工程实践总结出如下操作要点:1)通过工作压力计算,采取掌子面封闭、保压试验等技术措施使土舱压力趋于稳定,保证土舱压力满足要求;2)人员进舱后以10 kPa/min速率进行加压,人员出舱前以10 kPa/min速率分4个阶段逐渐减压;3)舱内换刀应制定周密的施工计划,刀盘分3次转动完成刀具更换。结果表明,通过以上控制技术,可以满足西安地铁富水密实性砂层盾构带压换刀施工要求。     

基于硬化泥膜的填舱换刀技术研究

为了解决砂土地层盾构刀盘换刀作业面易涌水、涌砂进而导致作业面失稳坍塌问题,采用水泥砂浆和膨润土浆液组成的混合浆液在土舱压力作用下,通过刀盘开口向砂土地层渗透,经固化后在原有稳定泥膜的基础上形成新型混合泥膜,在利用风镐清除土舱内硬化混合浆液的同时,保留刀盘前段形成的混合泥膜,即可进行盾构刀盘换刀作业。通过在广州某地铁盾构施工项目中的应用,表明本施工技术能为砂土地层盾构换刀提供高效且安全的解决方案。     

盾构开挖面楔形体支护压力模型分析及改进

为了维持砂土地层盾构隧道开挖面的稳定性,以楔形体模型2种常用的面积等效方法为出发点,对开挖面支护压力计算公式进行推导,同时结合现有楔形体模型与Takano 1g模型试验结果从砂土盾构开挖面破坏区外形的角度改进楔形体计算模型,在考虑松动土压力的情况下提出盾构开挖面主动极限支护压力的计算公式并简化。将Chambon离心模型试验结果与楔形体支护压力计算结果进行对比,并依托西安盾构隧道工程土舱压力监测数据对新公式进行工程应用分析。研究结果表明:采用第1种面积等效方法时的楔形体模型计算结果更为精确,不同模型计算结果出现差异的主要原因来自于楔形体竖直侧面摩擦力的影响,同时提出1.5倍所提简化公式的计算值作为上部土舱压力设定的建议值。     

超大直径土压平衡盾构开挖面稳定控制技术研究

随着城市中心密集程度的增加,超大直径土压平衡盾构将成为城市中心公路隧道施工的优先选择。针对这种盾构的施工技术研究刻不容缓,开挖面稳定控制研究就是其中重要的一项。为了合理设置土舱控制压力,将土舱上部区域和底部区域设置控制压力分别进行计算。经过对比分析得到,在上部区域设置控制压力有利于开挖面稳定性控制,并在中国两个工程中得到了成功运用。     

黏土地层盾构隧道开挖面稳定性的离心模型试验研究

在盾构施工过程中,软黏土地层开挖面的变形机理和稳定性研究仍处于经验阶段。利用离心模型试验,研究了上海黏土地层盾构开挖面稳定性问题。试验分析了盾构开挖过程中开挖面前方土体土压力的变化规律和支护应力与地表沉降的关系。给出了主被动破坏的极限支护应力值以及施工参考范围,这对黏土地层盾构开挖面稳定性控制至关重要。