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。     

极硬岩层条件下盾构推进参数的优化

深圳地铁5号线长龙站—百鸽笼站区间隧道洞身部分位于全断面高强度微风化角岩地层,采用盾构法施工。文中对盾构穿越极硬岩地层时所遇到的施工技术难题进行分析,通过优化掘进参数与合理配置刀具,顺利解决了盾构在极硬岩层条件下掘进施工时由于推进参数和刀具设置不合理,造成的刀具磨损严重、换刀频繁、推进速度缓慢等影响施工进度的问题。     

隧道盾构机开仓换刀环境的选择

受地层条件及刀具耐磨的影响,盾构机在掘进隧道施工到一定工程量后,刀具将会磨损,须换刀处理。由于地层条件的复杂性,开仓换刀条件的确定很重要。结合广州地铁三号线大石—汉溪盾构区间施工实例,介绍了盾构机开仓换刀环境的选择与经验。     

适用于复合地层的硬岩泥水平衡顶管关键技术

为了提高国产顶管对硬岩复合地层等复杂地质条件的适应性和设计制造水平，结合南宁市邕宁区污水管道工程，对适用于复合地层的硬岩泥水平衡顶管关键技术进行探究。其关键技术包括： 研究适用于复合地层的紧凑型刀盘结构，优化刀具组合形式；基于常用的岩石破碎方法，设计一种变位剪切二次破碎机构； 通过刀盘偏心超挖、设置石粉导流槽、盾体注入黏土的方法，解决硬岩地层中易卡盾体、卡管节的难题；完成“泥水舱+气垫舱”的双舱设计，采用泥水压力快速精准测量、阀门模块化自动控制，实现地层的低扰动掘进； 进行带压换刀和常压换刀的针对性设计，实现狭小空间快捷安全换刀；结合泥水循环系统多种模式的转变和自冲洗、高压水冲洗位置的合理布置，提出泥水循环系统防堵塞措施。研制出的适用于复合地层的硬岩泥水平衡顶管在工程施工过程中掘进性能良好，地质适应性强。     

风化花岗岩地层的盾构滚刀磨损预测研究

为了研究风化花岗岩地层盾构区间盾构机滚刀的磨损状态和使用寿命,采用基于土体性质的线速率分析法、试验段滚刀磨损实测数据的直接判定法和盾构实测掘进参数的间接判定法,对深圳地铁7号线珠光站—龙井站隧道工程盾构机刀盘正面滚刀的使用寿命进行了预测,对施工中的滚刀磨损状态进行了判断。研究结果表明:预测的滚刀磨损量与实测数据误差较小;计算推断的滚刀弦磨情况与盾构开仓检查的结果相符;提出的刀具使用寿命可供施工中换刀里程选取时参考。     

并联式泥水/土压双模式盾构施工技术与冷冻刀盘开舱技术的创新与实践

针对盾构施工过程中经常遇到的2大问题:1)盾构在复杂地层中掘进遇到的盾构选型难问题,如盾构区间一段适合土压盾构掘进,另一段适合泥水盾构掘进,而采用单一掘进模式的盾构都无法应对较大的地层变化; 2)盾构在复杂地层、长距离掘进施工时,开舱检查并更换刀具不可避免,盾构在上软下硬/软弱地层/含水砂性地层开舱存在极大的工程安全风险。在原有盾构的基础上,通过采取改造盾构内部结构、搭载冷冻设备、改进设备系统等手段,研制出并联式双模式盾构及搭载冷冻刀盘式盾构。通过广州地铁9号线、广州地铁21号线、220 kV石井—环西电力隧道(西湾路—石沙路段)工程案例,总结出双模式盾构施工技术与冷冻刀盘技术。并联式泥水/土压双模式盾构兼具土压平衡盾构和泥水平衡盾构的功能及施工优势,可根据隧道沿线地表环境条件和隧道穿越地层条件,合理划分采用泥水或土压模式施工的地段,且盾构施工环境适应性强,可在不拆装任何部件的情况下安全、快速地实现掘进模式的切换。将冷冻法与盾构刀盘结合在一起,使盾构刀盘具备冻结地层的功能,通过冷冻刀盘在隧道内对土舱外土层冻结加固,使其达到常压开舱的要求,与双模式盾构相结合,兼容性好,不存在功能上的冲突。     

盾构前舱可视系统技术填补国内空白

<正>近日,中交隧道工程局有限公司成功研发了盾构前舱可视系统技术,这一技术在纬三路过江通道得到了成功应用,填补了国内空白。该项目盾构隧道穿越地层复杂,掘进施工中需穿越黏土层、砂层、砂砾、卵石层、强中风化粉砂岩层等软、硬地层和各地层组合而成的上软下硬复合地层,共计3 537 m。其中需穿越岩层490 m,对刀具的损坏极为严重。在高水压的江底,开舱人工换刀存在高风险,可能会造成开挖面的坍塌,进而影响隧道周边建筑物的安全。     

盾构隧道刀具更换技术综述

盾构穿越复杂水文地质地层时,常因刀盘刀具过量磨损而导致盾构被迫停机,这已成为困扰盾构施工的重要难题之一,进行刀具更换是目前解决这一难题,恢复盾构掘进的主要方法。然而,工程界尚未形成系统的盾构换刀技术体系。针对这一问题,在对已有技术研究理解和总结的基础上,阐述了盾构刀具更换技术的内涵和主要分类,并结合典型盾构工程换刀作业实例和笔者所在课题组的研究成果,对加固地层-常压换刀、基于常压可更换刀盘设计的换刀、带压换刀等3种主要换刀技术的原理、技术流程、关键技术、适用范围和优缺点等进行系统的分析和总结。最后介绍了日本最新的刀具更换技术,并对中国盾构隧道刀具更换技术进行了展望。结果表明：地层加固-常压换刀技术和带压换刀技术都是在常规刀盘设计条件下形成的,其关键都是保障开挖面地层的稳定性;差别在于,前者是使加固开挖面地层达到自稳后,在常压条件下实施的,而后者则是通过泥浆渗透成膜等辅助工艺提高开挖面地层的闭气性后,在气压支护条件下实施的;对于基于常压可更换刀盘设计的换刀技术来说,开挖面地层的稳定性不需要重点考虑,盾构机特殊的中空刀盘辐臂和常压可更换刀具设计才是该技术的关键。     

盾构穿越富水大粒径漂石地层施工技术研究

北京地铁九号线玉渊潭区间在富水条件下穿越砾岩及卵砾、圆砾地层,该区域间分布有连续、粒径超过1 000 mm的漂石,可见漂石粒径有1 500 mm×1 700 mm,且区间隧道大部分处于高透水地层中。为保证盾构在施工过程中能安全、顺利掘进,通过分析常规破岩机制和盾构破岩机制,最终选择了尖锐划割挤压破碎机制。通过对盾构设备进行改进、设定盾构推进参数、掘进管理及其他辅助技术的改革,解决了用盾构刀盘、刀具连续破碎漂石、孤石等技术难题。通过对进度、刀盘刀具磨损情况等推进情况进行分析,并对盾构刀盘刀具的磨损情况等进行仿真验证,可知撕裂刀在解决漂石破碎、孤石等起了重要作用,最后对盾构设备及刀盘刀具的优化等提出了建议。     

北京铁路直径线大断面地下隧道盾构机选型研究

 拟建的北京站和北京西站之间直径线可使北京铁路枢纽布局更为完善，直径线地下隧道拟采用盾构法施工，盾构机选型是盾构法施工的关键环节之一。分析直径线地下隧道穿越地层的地质条件和水文条件，给出盾构机选型的一般程序和依据，着重分析工程地质条件对盾构选型的影响，对不同类型盾构的施工风险进行评估。主要研究结论是：泥水平衡盾构在控制地表沉降、漂石卵石处理、掘进进度、减少刀盘刀具磨损及开仓换刀次数等方面均优于土压平衡盾构；本工程具备泥水处理装置的场地布置条件，弃浆、降低施工噪声等环境保护问题也可得到较好地解决；本工程适于采用泥水平衡盾构机。     

长距离硬岩地层盾构施工关键技术研究

深圳地铁5号线布吉-百鸽笼区间隧道所处地层以硬岩为主,区间采用盾构法施工。对盾构长距离穿越硬岩地层时所遇到的技术难题进行研究,通过合理地配置刀具,选择适宜的掘进模式、掘进参数以及同步注浆参数,同时加强刀具的处理措施,顺利解决了盾构施工时刀具磨损严重,管片错台等问题。     

合肥地区复合地层盾构掘进参数控制研究

为保证合肥地铁盾构隧道的施工安全,基于合肥地层情况,通过PLAXIS 3D 岩土有限元软件模拟穿越软土、硬岩及复合地层 3 种不同地层条件的盾构掘进过程,研究开挖面支护力N、盾构钢壳锥度引起的收缩率C 和壁后注浆压力p 对地表沉降和围岩变形 响应的影响规律。研究结果表明: 1)支护力N 和注浆压力p 对地表沉降的影响受地层和埋深的限制较大,收缩率C 则相对较小; 2)从地表沉降上看,盾构掘进参数(N、C、p)对软土层的影响最大,复合地层次之; 3)p 对管片上浮和管片内力的影响显著,不宜设 置过高,软土层对p 最为敏感,硬岩和软硬复合地层次之。最后,将这些影响规律应用于合肥地铁4 号线某区间的盾构掘进参数控 制中,结合现场数据分析,结果表明盾构掘进姿态正确,地表沉降稳定,掘进参数合理可靠。     

TBM和EPB双模式可转换盾构施工技术在复合地层中的应用

针对南京地铁机场线1号风井-禄口机场区间隧道,在长距离高强度岩层兼上软、下硬复合地层中穿越重要建(构)筑物的施工环境下,采用TBM和EPB双模式可转换盾构掘进施工,既能满足在高强度硬岩中掘进效率,又能保证盾构穿越上软、下硬复合地层时建(构)筑物的安全。     

TBM、盾构盘形滚刀硬岩掘进的刃口磨损形状分析及优化对策

为探索TBM、盾构盘形滚刀在破岩中与岩石的相互作用过程,优化掘进机在不同类型及类别岩层中的设备选型及刀盘刀具配置,提高破岩效率,以TBM、盾构在国内不同地区硬岩掘进实际工程案例中正常磨损的滚刀刃口磨损形状为依据,分析其磨损机制,得到以下结论:1) TBM、盾构的硬岩掘进对应于不同的机型、掘进模式、掘进参数、岩石强度、滚刀梯度硬度,其正常磨损的滚刀刃口会出现不同的特定的磨损形状。2)刃口磨损形状是在特定的边界条件下出现的结果,反过来会影响掘进效率。3)根据刃口磨损形状分析结果可知,优化及选择合适的机型、掘进模式、掘进参数、滚刀配置可以提高破岩能力及效率,延长滚刀使用寿命。     

富含水复合地层盾构隧道掘进面极限支护力数值分析

当碰到复杂地层中含有丰富地下水时,稍有不慎就会导致掘进面的不稳定,如何设定合理的支持力以确保隧道施工安全平稳成为核心问题。文章利用分析地下水在复合地层中对掘进面极限支护力的影响,结果表明软土层受地下水的影响更加敏感,随着水位的上升,软土层所需的极限支护力要比硬土层大很多,且渗透力逐渐成为构成总支护力的重要部分,当工程施工面失稳时处于软土层的掘进面上部首先发生破坏。综上,当盾构施工穿越具有丰富地下水的复杂地层时,要充分考虑地下水、尤其是隧道断面前方有软粘土地层对施工安全的影响,从而防止事故的发生。     

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。     

DS1217-303-1型双护盾TBM主驱动性能提升改进探析

双护盾TBM在均质硬岩中具有掘进速度快,开挖和支护同步进行等特点,但遇到软弱围岩和断层破碎带时极易出现卡机现象。以陕西省引红济石调水工程为例,为解决施工过程中出现的卡刀盘问题,介绍TBM设备主驱动系统工作状况,对性能参数进行分析验证,提出性能提升改进方案,改进后TBM对地层的适应性大幅提高,未再出现卡刀盘现象。该改进案例可为今后TBM设备表现出对地层不适应而进行设备再改进提供借鉴经验。     

基于磨损比耗指数的滚刀磨损定量预测方法

为定量预测盾构掘进复合地层时不同刀位的滚刀磨损量,以滚刀磨损的逐刀量测及相应的破岩体积的分层统计为基础,将位置各异的滚刀磨损比耗指数(SWI)——滚刀磨损增加量与破岩体积之比,按滚刀掘进地层进行分类统计,得到以掘进参数为自变量、适用于4种均质地层的SWI回归方程。将SWI回归方程与磨损量的分层求和法相结合,提出基于磨损比耗指数的复合地层滚刀磨损的定量预测方法。研究表明:1)磨损比耗指数同时考虑磨损量与滚刀安装位置、掘进距离的关系,物理意义明确;2)SWI回归方程预测精度较高,可为刀圈极限磨损预测提供掘进参数预警值。通过分析方程系数与岩性的相关性,提出在不同地层中有利于减缓滚刀磨损的掘进参数调整方法。实测结果表明,复合地层滚刀磨损定量预测方法在磨损量预测,尤其是滚刀寿命预测中具有较高的精度。     

城际铁路大直径泥水盾构施工风险及对策——以佛莞城际铁路狮子洋隧道工程为例

盾构直径过大,其成本和安全风险也将成倍增加。结合佛莞城际铁路狮子洋隧道工程地质特性和工程重难点,分析大直径盾构在高水压、强透水性、复合地层施工过程中设备选型、长距离独头掘进、穿越软硬不均地层与断层破碎带等存在的风险。具体从常压刀盘、泥浆环流系统选型设计以提高设备适应性,制定开挖管理与泥浆管理并重的掘进参数控制方法,针对上软下硬和断层破碎带地层的施工风险控制等方面提出相应对策,规避地质重大风险,确保大直径水下盾构隧道的施工安全。     

世界最大水下城际铁路盾构隧道——佛莞城际铁路狮子洋隧道

佛莞城际铁路FGZH-3标狮子洋隧道是目前世界最大水下城际铁路盾构隧道，全长6 476.4 m，区间地质复杂,，明挖隧道区间均位于淤泥和砂层中，盾构区间长距离穿越典型的软弱破碎地层、含水软岩、软硬不均混合地层等特殊地段复合地层，在国内城际铁路尚属第一次。工程存在软弱地层大直径盾构端头加固，浅覆土施工掘进控制，盾构大件吊装控制，盾构穿越破碎带和长距离穿越狮子洋、水压高、局部地层透水性强造成施工风险大等难点和问题，分别针对上述问题制定了相应的解决措施。工程创新主要有常压换刀刀盘、始发延伸导轨、反力架轴力计、泥浆管环缝滚焊机、激光颗粒分析仪和同步注浆工艺改进。工程自2015年1月1日开工，计划于2019年5月30日竣工，共计53个月。