漂石地层不同刀盘型式盾构掘进试验

针对盾构在大粒径、高强度的漂石地层中掘进的难题,本文依托北京地铁16号线榆~宛区间工程实例,通过设置盾构掘进试验段,对比分析了采取不同刀盘形式盾构的掘进参数、掘进效率、刀具磨损等参数,得到了更具适应性的漂石处理方案和盾构选型方案。试验结果表明：1）相比于辐条面板复合式刀盘,采取“以排为主”的漂石处理原则的辐条式刀盘对大粒径漂石地层更具适应性;2）采用辐板辐条复合式刀盘的盾构掘进时刀盘泡沫注入孔更易发生堵塞,综合掘进效率比辐条式刀盘盾构低35%;3）漂石地层的高强度、高磨蚀性漂石对刀具的损害严重,辐条刀盘的边缘撕裂刀、保径刀磨损大,刮刀出现非正常磨损的比例高,复合式刀盘部分滚刀出现刀圈崩裂,刮刀破损严重,泡沫口被严重损坏,降低了施工效率。     

近距离斜穿车站富水圆砾地层盾构换刀技术及刀具磨损分析

开仓换刀作业是盾构隧道施工中不可避免的技术难题之一,现以南宁市轨道交通5号线新—广区间盾构隧道工程为背景,针对盾构机在富水圆砾、泥岩复合地层中长距离掘进后连续穿越3道地连墙的工程特点,总结刀盘优化布局方案,详细介绍适用于该地层条件下的素桩加固辅以降水作业的换刀方案,并对换刀前后盾构掘进过程中产生的刀具磨损进行测量、分析,揭示了盾构在复合地层中掘进以及直接切削地连墙造成的刀具磨损规律,提出了盾构切削桩基时的合理换刀距离,为后续施工及类似工程提供一定的指导和借鉴。     

姿态偏转引起的复合地层双模盾构卡机事故

双模盾构在复合地层中掘进时,刀具损耗及异常磨损的频率提升,盾构掘进姿态难以控制。最终导致隧道开挖直径减小,引发卡机事故。为了分析盾构姿态偏转及扩挖间隙纵向非均匀分布对盾壳受力特征的影响,本文依托深圳地铁13号线白应区间,利用FLAC3D计算了盾构在掘进时所受的围岩压力,研究结果表明：(1)卡机断面处边滚刀发生了严重的磨损和偏磨,最大磨损量为25 mm。复合地层中掘进参数出现明显波动,盾构更易发生向上的偏转;(2)上软下硬复合地层中,盾壳上部所受的围岩压力较大,地层交界位置出现应力集中现象。盾构姿态偏转时,盾壳前端应力的增长相较盾尾更为显著。盾构向一侧偏转时,相应位置盾壳承受的法向应力增加;(3)盾构姿态向上偏转相较于向下偏转更易引起卡机事故。当偏转角大于±0.5°时,盾壳所受摩阻力迅速增加,在盾构掘进时应尽可能保证盾构处于水平,或小角度下倾姿态。     

粉细砂-砾岩复合地层条件下大直径越江盾构刀具磨损

为了确保大直径泥水盾构下穿江底复合地层安全顺利施工掘进,对于刀盘刀具磨损的预测和监测至关重要。本文以武汉地铁8号线黄浦路站～徐家棚站越江盾构隧道工程为背景,结合现场调研与磨损数据分析,首先根据不同地层中的刀具磨损特点进行磨损情况分类,并从地质、施工等角度对磨损原因进行了归纳,将整个越江过程中的刀具磨损分为8类,并认为滚刀非正常磨损主要由三大主要原因构成;然后基于磨损系数,对不同刀具在不同地层以及不同位置的适应性进行了分析。结果表明：(1)在复合地层中刀具磨损大小排序为撕裂刀>滚刀>刮刀>齿刀,且刮刀对硬质中胶结砾岩适应性较差,对强风化以及弱胶结砾岩适用性优于其他刀具。(2)中胶结砾岩的存在会加剧磨损,且会给大直径盾构边缘刀具带来更大的磨损影响,而强风化砾岩和弱胶结砾岩则对磨损变化影响不大。     

软硬不均地层对盾构刀盘受力计算方法与分析

盾构掘进软硬不均地层过程中刀盘承受偏载、应力集中等非均布荷载,引起刀盘局部损伤、刀具异常磨损等问题,特别是超大直径刀盘受力不均现象更加显著。针对上述问题,重点考虑软硬不均地层承载力容许值、面积比两个主要特征变量,提出了一种盾构掘进软硬不均地层的刀盘受力计算方法。依托某超大直径盾构隧道工程,利用该方法计算出软硬不均地层对刀盘作用力,结合数值仿真方法进一步得到刀盘整体应力与应变分布规律,进而提出了刀盘过载的刀盘总推力合理值。该计算方法不仅反映了软硬不均地层与刀盘刀具耦合作用特征,而且方便进一步计算刀盘整体应力与应变分布情况,确定刀盘推力,避免刀盘局部受力过大。     

漂石地层土压平衡盾构刀具磨损特性

漂石地层是典型的非均质土层,具有强度高、磨蚀性强的特点,盾构在漂石地层中掘进时刀具磨损十分严重。本文以北京地铁16号线榆树庄站~宛平城站盾构工程为背景,研究盾构在漂石地层掘进的刀具磨损规律,得出以下结论：1）撕裂刀的磨损量随轨迹半径的增大而增大,刀盘大圆环附近的撕裂刀由于刀盘开口的减小,其平均磨损量远高于相邻轨迹上的刀具;2）由于大粒径漂石的碰撞作用,约有55%的刮刀出现合金块破损,刀盘大圆环附近所有刮刀均出现合金块破损的现象;3）不同轨迹上刮刀的平均磨损量变化趋势与出现合金块磕破的刮刀占比的变化趋势一致。本研究成果可为类似地层条件下的刀盘结构选择、刀具布置提供参考。     

硬岩段双模盾构TBM-EPB施工优越性分析

隧道采用盾构法施工时,不同盾构模式的适用地层往往不同,因此在保证隧道安全施工的同时,研究不同盾构开挖模式在同一类地层中的掘进效率,进而选择合适的盾构掘进模式来保证隧道高效掘进具有重要意义.依据深圳地铁13号线留仙洞站—中间风井区间双模盾构(TBM-EPB)工程,通过分析TBM(tunnel boring machine...     

富水砂卵石地层大直径盾构刀具的磨损与适应性

以北京地下直径线盾构隧道试验段工程为依托,基于现场实测数据,系统分析了富水砂卵石地层大,直径盾构施工刀具的磨损规律及磨损原因,并对不同类型盾构刀具在该地层条件下的适应性进行了研究.结果表明:地层中卵石和砂的含量变化明显且存在强度很高的胶结物是刀具产生严重磨损的主要原因;单刃滚刀除有一小部分偏磨损坏外,其余均未出现严重磨损,更换较少,对该地层具有较好的适应性;重型撕裂刀在短距离掘进后即发生刀头脱落的情况,对该地层的适应性差;正常掘进过程中,外周边滚刀掘进距离约为120 m,刀盘中间部分的滚刀掘进距离约为230 m,可据此数据确定合理的刀具检查及更换距离.盾构隧道试验段研究成果可为本工程后续施工起到重要的指导作用.     

EPB盾构开挖面稳定性的PFC-FLAC耦合分析

基于离散元-有限差分(PFC-FLAC)多尺度耦合分析方法模拟盾构掘进的动态过程,根据开挖面土体颗粒进入土舱的速度状态提出了一种土压平衡(EPB)盾构开挖面稳定性评价方法.通过建立刀盘切削和出渣过程的盾构隧道掘进耦合模型,分析了不同掘进模式和不同地层条件下开挖面的稳定性,并结合实际工程进行验证.结果表明:离散元与有限元耦合方案可以有效地模拟盾构渣土进出舱过程中的细观力学行为;地层因素对掘进模式选择影响较大,砂层或上软下硬地层中保持满舱或3/4舱模式掘进时能更好地控制开挖面稳定;在全断面粉砂地层和上部中砂下部风化岩地层中,开挖面失稳的临界支护压力比分别为0.41与0.29;在恒定排土条件下,掘进速度对开挖面稳定性影响较大.     

基于滚刀复合破岩物理实验的盾构刀间距设计

刀具布置是盾构刀盘设计中的重要组成部分,直接影响到掘进的切削效果、出土状况和掘进速度。针对不同地质条件下,为满足盾构地质适应性,实现高效破岩。采用盾构刀具破岩机理实验台,对工程样岩开展不同刀间距破岩实验,分析破损岩渣质量,探究不同地质条件下的最佳破岩刀间距。并与经验数据进行对比,结果表明：合理的刀间距能够提高破岩效率、减少刀具损耗,有效降低刀具成本,为不同地质条件下开展其他盾构工程进行刀间距设计提供了一种可行的方法。     

基于复杂地质岩机作用的多维度隧道掘进机适应性评价方法

为了解决高强度高磨蚀硬岩地层TBM掘进“低效高耗”、断层破碎带地层“刀盘受困”、高地应力挤压性地层“护盾被卡”等隧道施工难题,基于TBM滚刀、刀盘、护盾与隧道围岩的相互作用,通过多个TBM法隧道工程数据统计分析,揭示了滚刀贯入度指数与岩体特性指标、滚刀破碎体积磨损速率与岩体特性指标、TBM设备利用率与断层宽度、围岩相对变形量与强度应力比的函数关系,建立了基于滚刀可掘性和耐磨性、刀盘受困和护盾被卡风险的多维度TBM适应性评价方法,为复杂地质隧道修建TBM工法选择、装备设计及施工难题的解决提供了量化依据。     

基于模糊层次分析法的岩溶区土压平衡盾构适应性评价

土压平衡盾构作为一种较为先进的隧道掘进机械,由于其安全、可靠等优势,在我国的城市地铁隧道工程施工中得到了广泛的应用。我国南方地区岩溶地层非常普遍,土压平衡盾构在岩溶地层中掘进容易产生“栽头”、刀具不均匀磨损等问题,因此评价岩溶地层条件下土压平衡盾构的适应性是非常有必要的。本文依托南宁地铁4号线2标相关盾构隧道工程,分析岩溶区各方面因素对土压平衡盾构适应性产生的影响,通过层次分析法确定最终的土压平衡盾构在岩溶地区的适应性评价指标,参考已有研究成果结合模糊数学方法确定评价指标的隶属函数,构造了岩溶区土压平衡盾构适应性评价模型,提供了岩溶区土压平衡盾构适应性评价方法。以南宁地铁4号线2标“良良”、“体良”和“清龙”盾构区间所采用的土压平衡盾构机为应用实例,现场盾构施工情况与本文提出的评价方法的评价结果匹配较好。本文提出的岩溶区盾构适应性评价方法对类似地层盾构机评价及应用具有一定的指导意义。     

盾构穿越软硬复合地层开挖面稳定性分析

盾构穿越复合地层尤其是上软下硬地层时, 开挖面失稳形式多样、受力机理复杂, 由于开挖面失稳而导致的工程灾害时有发生. 依托佛莞城际铁路隧道工程, 构建三维有限元数值模型并引入参数地层复合比对部分楔形体理论进行改进, 分析盾构穿越上软下硬地层时不同地层复合比和软土内摩擦角对开挖面稳定性的影响. 研究结果表明: 盾构开挖面最大变形出现在软土区域中某个特定位置, 与软土比例有关;开挖面位移随着支护压力的减小可分为缓慢增长、急剧增大、失稳破坏三个阶段, 当支护压力比接近极限支护压力比时, 开挖面变形将急剧增大;改进的部分楔形体模型理论解与数值模拟结果相吻合, 该理论具有一定的合理性. 研究成果可为类似地层隧道盾构施工提供一定的理论指导.     

基于刚体动力学-离散元耦合数值方法的复合地层盾构滚刀响应

随着盾构机制造技术的不断进步,隧道工程中使用盾构机的情况愈加普遍。滚刀作为一种优异的掘进刀具,在复合地层盾构机中普遍应用。滚刀在使用过程中处于动态滚动状态,离散多元化的岩土体将导致滚刀的动态状态呈现异常状态,从而导致滚刀和岩土体接触面间存在较大的相对滑动速率。在以往的离散元滚刀模拟中,研究者将滚刀设定为固定转速而未实现滚刀的动态滚动过程。本文使用刚体动力学（RBD）-离散元（DEM）耦合的数值模拟方法,实现了在数值模拟中的滚刀动态被动转动,进一步贴近工程实际。本文以强风化岩为破岩对象,模拟分析了不同贯入度、不同运动速度下的滚刀的动态运动过程。基于本文的初步研究分析发现：滚刀存在最优贯入度区间,低于该区间时滚刀不能进入动态转动状态,大于该区间时改善效果不明显且增大滚刀受力;滚刀启动时受到的扭矩先随滚刀运动而升高,到达某一峰值点附近后开始下降,随后在零值附近波动;滚刀启动峰值扭矩和运动速度正相关;滚刀达到峰值扭矩的时间和运动速度负相关。本文的研究手段可为相关研究者提供参考,本文的研究结果可为盾构刀盘刀具设计及盾构机的操作提供参考。     

盾构机反交错双螺旋线刀具布置形式的研究

总结了盾构机刀盘上刀具布置的基本原则和一般方案,提出了根据最优刀间距和相邻刀具相位差求解一般双螺旋线系数的方法;在此基础上提出了形式完全不同的反交错双螺旋线布置形式,并以狮子洋盾构隧道工程的使用案例对该布置形式进行了详细论述;分析了刀盘正反转情况下不同的破岩次序和破岩效率;以狮子洋隧道工程的实际统计数据为据,发现布置在螺旋线交错处的刀具存在局部磨损突出的现象.刀具反交错螺线型布置使得刀盘在逆时针旋转条件下的破岩效率提高,但刀具磨损快且差异性大.