盾构滚刀正常磨损规律分析与预测——以珠海兴业快线工程为例

为解决盾构施工过程中严重磨损刀具无法及时更换而导致的掘进效率下降问题,建立滚刀磨损量预测模型,以优化施工效率和提高滚刀的利用率。采用等效磨损量辅助分析累计磨损量与掘进参数之间的关系,并扩展数据库预测累计磨损量。通过将兴业快线超大直径盾构隧道工程中的滚刀磨损数据进行分区统计,研究滚刀的磨损类型及变化规律;引入等效磨损量概念,分析其在不同地层下的变化特征,拟合磨损量与掘进参数之间的关系,建立磨损量预测模型。研究发现:1)工程中的滚刀磨损主要表现为均匀磨损和偏磨,其中偏磨多见于软硬不均地层;2)滚刀磨损量与安装半径、刀刃宽度、地层类型及掘进距离存在正相关关系;3)等效磨损量在软土地层中变化平稳,而在软硬不均地层中经历适应、平稳和加剧3个阶段。通过拟合分析,等效磨损量与推力、转矩呈正相关关系。最终通过现场实测数据验证建立的磨损量预测模型的准确性。

受限空间内盾构始发反力架受力特性及设计优化

[目的]鉴于盾构隧道在空间受限环境下的始发作业中,反力架的尺寸受到严格限制,为确保能够承受大直径盾构机始发时产生的巨大反力,并有效控制受力变形,特提出研究设计一种具有足够强度和刚度,同时结构紧凑、适应空间受限环境的反力架。[方法]以上海机场联络线工程JCXSG-8标段为背景,针对反力架尺寸受限的实际情况,深入研究了不同后靠支撑方式下反力架的受力与变形特性。通过优化反力架的局部构造和传力撑的布置形式,提出了改进方案,并结合现场实际施工条件进行了验证,以确保设计的合理性和有效性。[结果及结论]在反力架后靠设置中,采用剪力墙相较于斜撑更为优越,能有效提升结构稳定性。此外,在下斜梁增设中支座,显著减小了下斜梁端支座的弯矩,进而有效降低了底梁和竖框梁的扭矩,提升了整体结构的承载能力。同时,上斜梁上传力撑的数量及其布置方式对反力架的最大弯矩和变形具有显著影响。本工程实际施工中,采用了1 m厚的反力架,并在其后靠位置设置了900 mm厚的剪力墙,同时在反力架下斜梁上增设了支座,并适当减少了上斜梁上传力撑的数量。

盾构始发后靠剪力墙对反力架力学特性影响研究

[目的]由于盾构始发场地空间有限,导致反力架尺寸受限,难以单独提供足够的盾构始发反力。因此,需设计并安装反力架后靠结构,以实现两者协同受力。[方法]以上海机场联络线工程为背景,采用有限元分析方法,系统地研究了反力架与剪力墙之间的连接方式,并分析了剪力墙的纵向长度、厚度及高度等参数对反力架结构受力与变形的影响。通过模拟计算,筛选出反力架与剪力墙之间最优的连接方式以及剪力墙的最优尺寸组合。[结果及结论]反力架与剪力墙间采取贴合的连接方式,避免反力架和永久结构贴合面传递弯矩,对永久结构影响更小,并可以有效释放反力架不利部位的弯矩,使反力架受力更加合理。随着剪力墙纵向长度的加长,可显著提高反力架和剪力墙结构受力变形能力;剪力墙厚度的变化对反力架受力变形影响较小,但在一定程度上可以增强剪力墙自身受力、减小变形;剪力墙高度对反力架和剪力墙结构受力及变形的影响非常显著;当剪力墙高度小于13.5 m时,由于墙顶未锚入中板,导致反力架和剪力墙自身的受力、变形均处于不利状态。

超细WC和细WC/Co添加对WC-10Co硬质合金微观结构与力学性能的影响

在粒径为0.5μm的超细碳化钨(WC)粉体表面包覆钴(Co)纳米颗粒获得细WC/Co,将细WC/Co、粗WC和Co粉通过球磨混合均匀,压制成型后在1420℃下真空烧结1 h,得到WC-10Co硬质合金。借助扫描电子显微镜、透射电子显微镜、万能试验机等对比研究细WC/Co和超细WC对WC-10Co硬质合金微观形貌和力学性能的影响。结果表明:相比于超细WC,细WC/Co促进合金的致密化,并形成双晶结构。添加细WC/Co和超细WC制备的硬质合金的平均晶粒度分别为2.18μm和3.57μm。细WC/Co的添加会降低晶粒生长速度并抑制细晶完全溶解,而粗晶通过缺陷辅助生长及溶解-析出生长机制生长为表面阶梯状的缺角三棱柱形;硬质合金的硬度和断裂韧度得到提升,二者分别为1131HV 30和22.1 MPa·m^(1/2),而在1131HV 30同等硬度下,其断裂韧度比线性拟合的断裂韧度高27.7%。机理分析认为,超细WC的添加会导致异常晶粒产生,不利于性能;而细WC/Co的添加能够同时形成双晶结构和均匀的钴相分布结构,降低晶粒缺陷,提升综合力学性能。

风化岩层岩渣配制的盾构同步注浆浆液性能及微观形貌分析

为探索泥水盾构穿越风化岩层时产生的大量岩渣的再利用问题,依托南京和燕路过江通道工程,采用岩渣代替部分商品砂配制同步注浆浆液,并测试了浆液流动度、稠度、凝结时间、泌水率及强度等指标,分析了岩渣配制同步注浆浆液的性能及微观结构。结果表明:随着岩渣替换商品砂比例的增大,浆液流动度、稠度和泌水率逐渐降低,而凝结时间呈缩短趋势,1 d抗压强度也逐渐增大;替换比例在50%~85%时,浆液各项性能均满足工程施工要求,当替换比例为85%时,浆液流动度、稠度与现场浆液接近,凝结时间从10.6 h缩短至7.3 h,1 d抗压强度增强了近1倍;岩渣中含有的高岭石相矿物在水中会电解出Al^(3+),促进了浆液中C-S-H凝胶的形成,是促使浆液凝结时间缩短和抗压强度增大的根本原因。

盾构隧道开舱技术现状及实例

盾构隧道掘进过程中可能会遇到障碍物或刀盘刀具过量磨损的情况,导致盾构被迫停机,进行开舱处理,因此安全开舱技术极为关键。文章针对此问题,收集已有相关研究资料,对盾构开舱的基本概念和方式进行了总结,分析了常压开舱和带压开舱技术的适用范围和优缺点。结合国内外典型的盾构开舱实例,系统总结了已有的开舱作业经验和技术要点并对我国盾构开舱技术发展进行了展望。

泥水盾构带压开舱时泥膜性质对其闭气性的影响研究

形成良好闭气性的泥膜是泥水盾构在江河底部等复杂地质条件下带压开舱成功的关键之一。不同条件下形成的泥膜性质差异较大,其对泥膜闭气性的影响尚不清楚。文章通过自制的泥膜闭气性试验装置,开展了9组不同泥膜的形成及闭气试验,分析了泥膜的孔隙比、厚度对其闭气性(闭气时间和极限气压值)的影响。研究结果表明:泥膜孔隙比是影响其闭气性的主要因素,孔隙比越小,泥膜的闭气性越好;在同一地层中形成的泥膜,孔隙比相近,增加泥膜厚度可以在一定范围内改善泥膜的闭气性;泥膜闭气过程中产生的滤水,约95%来自于泥膜压缩,其余由孔隙进气和地层压缩产生;泥膜闭气过程可分为泥膜压缩、孔隙进气、透气排水三个阶段。研究结果对带压开舱时泥膜闭气性的研究及闭气过程的理解有借鉴作用。

摄影测量在盾构刀具磨损检测中的应用

盾构刀具磨损是影响盾构施工质量和进度的关键问题,带压换刀作业的安全风险大、费用高昂、作业工期长。目前常规的刀具磨损检测方法存在风险大、效果不佳、精确度不够等缺点,而摄影测量技术的发展为盾构刀具磨损检测提供了新的思路。文章结合泥水盾构隧道施工特点,将摄影测量技术应用于盾构刀具的可视化检测中,利用经过三维控制场标定的摄像装置,采集盾构施工中刀具的影像数据,通过与盾构精密三维模型的定向操作,借助三维可视化平台和影像分析对刀具的磨损情况进行定量检测,实现了盾构刀具虚拟可视化集成显示和磨损情况的数字化评估。该研究成果为实现盾构刀具磨损检测提供了理论基础和软件支持,具有一定的经济效益及工程意义。

南京纬三路过江通道盾构壁后注浆固结不排水剪切力学特性研究

文章基于南京纬三路过江通道盾构施工壁后注浆工程实例,利用改进的非自立性材料三轴试验仪和试验方法,对其进行了固结不排水剪切试验。研究了壁后注浆浆体的孔压消散规律、固结过程中体应变规律和应力-应变关系,并实测了浆体的早期不排水强度和抗剪强度指标,为控制地表沉降和防止管片上浮提供了参数支持。研究结果表明:由于两种浆体的密度较大,在固结过程中产生的体应变都很小;硬性浆的水泥含量较低,对浆体的固结体应变、不排水强度和抗剪强度指标等的发展影响不大。

废弃黏土在泥水盾构泥浆配制中的再利用研究

南京纬三路过江通道在竖井施工和盾构始发段掘进过程中产生了大量废弃的黏土,如何经济环保地处理废弃土成为工程面临的一大难题。工程盾构段约40%的地层是粉细砂地层,该地层对泥浆指标要求较低,考虑利用废弃黏土来配制掘进泥浆。采用填土、淤泥质粉质黏土、膨润土分别与泥浆增黏剂混合配浆,使用自制的泥浆渗透仪测定泥浆的滤失量和成膜质量,最后结合现场施工监测数据验证泥浆配比的可行性。结果表明,采用始发段废弃淤泥质粉质黏土配制的泥浆稳定性较好,形成的泥膜致密、泥浆失水量小,能够满足粉细砂地层的盾构掘进。

盾构穿越对圆形风井结构的变形内力影响分析——以南京纬三路过江通道工程盾构穿越梅子洲风井为例

盾构进出工作井是盾构安全施工的关键。以南京市纬三路过江通道工程梅子洲圆形风井盾构穿越为研究背景,建立复杂的大型三维计算模型,对盾构穿越区域采用实体单元模拟、土弹簧释放开挖荷载的特殊模拟方法,首先对盾构破除素混凝土强度的选取进行优化分析,建议采用C15混凝土,既能减小盾构穿越施工的难度,又能保证围护结构的安全稳定;然后对盾构穿越前后风井地连墙、内衬墙和冠梁等重要围护结构的变形和内力变化规律进行了研究分析,盾构穿越前后,地连墙的变形和内力变化很大,最大增幅分别为45%和228%,内衬墙的环向弯矩和竖向最大正弯矩均存在较大变化,环向弯矩最大增幅200%,竖向弯矩最大增幅54%,冠梁的最大环向弯矩变化很大,最大增幅为1 160%。因此,工程设计时应对地连墙、内衬墙和冠梁内力较大区域加强配筋,以保证盾构安全顺利地通过。

南京纬三路过江通道工程关键施工技术

南京纬三路过江通道工程是目前已(在)建的地质条件最复杂、工程技术难度最高、挑战性最大的大直径泥水盾构工程之一,其成功穿越了浅覆土地层、上软下硬地层,实现了氦氧饱和气体带压进舱、盾构直接穿越风井等高难度作业。文章针对该工程特点和施工难点,通过对工程中关键技术的分析和研究,总结了浅覆土地段盾构的安全可靠理念和适用于泥质粉砂岩上软下硬地层的掘进原则,系统地形成了一套完整可靠的超大直径泥水盾构始发技术、饱和带压进舱更换刀具技术,对超大直径泥水盾构施工技术的发展具有重要的参考价值。

泥水盾构饱和法开舱闭气泥膜技术研究与应用

饱和法开舱技术作为一种新型的带压开舱技术．具有工作效率高、安全性好等优势。由于舱内有效工作时间长达3～4h，如何形成闭气性良好的泥膜，是饱和法开舱作业成功的关键。文章以南京纬三路过江通道工程饱和法开舱作业为背景，开展了现场泥浆配制、成膜及泥膜闭气模拟试验，明确了泥膜制作各阶段泥浆性能指标，并总结出了相关定量判断标准。饱和法开舱技术首次应用于南京纬三路过江通道工程中，是对开舱技术的创新和探索，可为今后类似工程提供经验借鉴。

泥水盾构隧道开挖面被动破坏研究进展

泥水盾构施工过程中,压力舱内泥浆压力梯度很难与地层土水压力梯度保持一致,尤其是大断面时,其顶部泥浆压力显著大于地层土水压力,致使开挖面面临严峻的被动破坏风险,因此有必要对盾构隧道开挖面被动破坏的研究进展进行总结和分析,指出泥水盾构砂土地层开挖面被动破坏研究中存在的问题。从极限分析法等理论研究、数值模拟及模型试验3个方面总结盾构隧道开挖面被动破坏研究进展,并分析研究中存在的问题。主要结论如下:1)目前缺少砂土地层中泥浆冲破泥膜、发生劈裂破坏及其对开挖面稳定性影响的相关研究;2)受到试验条件的限制,尚未开展大直径开挖面被动破坏,尤其是气压支护-带压开舱等危险工况下开挖面稳定的离心模型试验;3)离心模型试验采用刚性板模拟盾构开挖面,与土体实际的受力和变形情况存在较大的差异。最后,对今后的主要研究方向提出建议。

南京纬三路过江通道工程盾构段施工风险评估

由于地质条件的复杂性及不可预见性,水下盾构隧道施工安全风险评估已经成为地下工程研究的重要课题。文章以南京纬三路过江通道工程为背景,对盾构段施工风险因素的辨识和施工风险的评价进行了分析,并制定了各风险因素的控制措施。分析结果表明:南京纬三路过江通道带压开舱作业是盾构长距离穿越高水压、强透水复合地层时风险控制的首要目标,可以从减少开舱更换刀具的次数、设定合理的切口压力及确保开挖面形成稳定泥膜等方面降低风险;盾构掘进过程的风险控制,主要通过检测盾构掘进参数的变化、停机分析参数异常原因等方面进行;各种风险应急预案和应急物资设备等风险控制措施的完备,也是减少风险损失的重要措施。该研究对类似工程的风险分析和控制有参考意义。

压气条件下大直径泥水盾构饱和法开舱技术

针对目前大直径盾构在水文地质条件复杂、江河湖海底部等不利环境下,排除盾构故障、清理障碍开舱方法的缺陷,提出盾构压气条件下饱和法开舱作业技术。先根据地质勘查报告了解本次盾构停机区域的地质情况,再在介绍饱和法开舱作业原理的基础上介绍掌子面压力计算、闭气泥膜的形成、饱和法盾构开舱设备及其开舱技术工艺流程等。通过工程实际应用可以得出:饱和法开舱作业可成功处理施工中遇到无法采用常规方式进行的停机检查或刀具更换等作业的施工难题,提高盾构对复杂地层的适应性,并拓宽盾构的应用范畴。

超大直径盾构始发段同步注浆技术研究与应用

盾构掘进过程中会在管片环和周围地层之间形成空隙,从而影响到地层稳定性和隧道管片结构安全性。文章结合南京纬三路过江通道工程始发段的地质特性和同步注浆要求,对单液惰性注浆材料进行了试验,研究了不同胶砂比条件下浆液的工作性能和抗压强度指标。试验结果表明:胶砂比大于0.55的砂浆的工作性能均能满足同步注浆要求。综合考虑强度要求及经济性等原因,决定采用D4组配合比的单液惰性注浆浆液。盾构掘进过程中,地表沉降监测值均在设定的报警值范围之内,证明同步注浆达到预期效果。

南京纬三路过江通道液氮冻结盾尾刷更换技术及温度实测研究

文章结合南京纬三路过江通道长距离盾构掘进盾尾刷严重渗漏、涌砂冒水工程实例,给出了液氮冻结止水及盾尾刷更换方案,分析了高水压下液氮冻结止水总去及各分支回路中的温度变化规律,以及不同土层、不同深度的土体温度变化规律。结果表明:初期冻结管进出口处液氮温差大,6 d后基本稳定在35℃;卵石层降温速度最快,砾砂层次之,粉细砂层降温速度最慢,在距离冻结管600 mm范围内,卵石层、砾砂层、粉细砂层的冻土锋面平均推进速度分别为15.5 cm/d、12.5 cm/d、8.3 cm/d;因受隧道内空气对流换热影响,管片与土交界处温度高于土层内温度。液氮冻结13 d即已形成完整的冻结壁,开始进行盾尾刷更换,从开始冻结到完成更换总需时22 d。

烧结保温时间对超粗晶WC-10Co硬质合金微观结构及性能的影响

超粗晶WC-Co硬质合金因耐磨性高和韧性好成为研究的一个热点,而致密度和晶粒的控制是获得优异性能的关键。采用轻度球磨法获得添加超细WC的复合粉末,通过真空烧结制备平均晶粒尺寸为8.3~8.8μm的超粗晶WC-10Co硬质合金,研究烧结保温时间对致密度、WC晶粒及力学性能的影响。结果表明:随着烧结保温时间从30 min增至120 min,致密度先增加后下降,Co在合金表面聚集氧化并使内部孔隙增多,部分WC晶粒聚集形成异常晶粒,这些缺陷结构阻碍了孔隙的消除;超细WC和球磨破碎细WC的先后溶解析出,使WC平均晶粒度先增加后减小,晶粒分布变宽。当烧结保温时间为60 min时,曲面类球状WC部分通过台阶生长机制转变为性能友好型的圆边六棱柱晶粒,抗弯强度和冲击韧性达到最高,分别为1733 MPa和28 kJ·m^(-2)。此外,烧结过程中部分晶粒中原生缺陷难以完全消除,而较长的烧结保温时间下,多种缺陷的增多降低合金性能。

海水侵入条件下泥水盾构泥浆及泥膜性质变化试验研究

为探究采用泥水盾构进行海底隧道建设时,海水易从开挖面进入泥水舱并与泥浆混合,导致泥浆泌水率等参数发生变化,进而影响泥膜的性质和开挖面的稳定性问题,配制不同海水添加量的泥浆,测试泥浆的泌水率、黏度和ζ电位等参数变化,并对泥膜的孔隙比、渗透系数等参数进行测试。试验表明:1)海水的侵入明显增大了泥浆的泌水率,降低了泥浆的黏度和ζ电位。2)随着海水添加量的增加,泥膜的孔隙比降低,渗透系数由10^(-9)cm/s增大到10^(-7)cm/s。3)导致泥浆泌水率及泥膜渗透系数变化的根本原因是随着海水的添加,泥浆的ζ电位逐渐降低,泥浆颗粒间斥力减弱,宏观上表现为快速沉淀、析水;同时,由于泥浆颗粒吸引的阳离子增多,结合水膜变薄,形成泥膜的有效孔隙变大,宏观上表现为渗透系数增大。