盾尾刷-油脂腔密封系统油脂逃逸规律研究

油脂逃逸导致油脂腔内压力降低,由此诱发的盾尾密封系统漏水、漏浆等安全责任事故屡屡发生。研制盾尾刷密封系统油脂逃逸的单元体试验装置,采用逐级加压将油脂注入盾尾密封系统油脂腔内,每级压力持续420 s,记录不同盾尾间隙及不同油脂锥入度工况下腔内的密封油脂开始逃逸时的油脂注入压力值、以及逃逸后储油装置中密封油脂的稳定损耗速率,最终获得了盾尾密封系统的油脂逃逸规律,并总结了盾尾油脂的逃逸模式。研究结果表明:1)油脂逃逸速率主要受油脂锥入度和油脂压力的影响,根据油脂逃逸规律变化曲线,油脂逃逸速率可以分为不逃逸、低速逃逸、快速逃逸3个阶段。油脂不逃逸至低速逃逸的油脂压力称为油脂逃逸压力,油脂低速逃逸与快速逃逸之间的油脂压力值为油脂腔内外压差控制值;2)建立了油脂逃逸速率和工程中油脂消耗量的对应关系,结合工程中每环盾尾油脂允许消耗量可实时判断盾尾刷密封性能;3)当油脂锥入度小于286.4(1/10 mm),盾构姿态与管片姿态控制良好时(盾尾平均间隙为75 mm),在水土压力及同步注浆压力基础上最大可增加0.3 MPa的油脂压力,提出的油脂腔内外压差控制值可指导实际工程盾尾油脂压力设定最大值;4)油脂逃逸模式可划分为无逃逸、非均匀逃逸和均匀逃逸3种模式并得出其发生条件。该研究对于指导盾尾密封性的设计及施工有着基础性的意义。

盾尾密封失效诱发砂土地基盾构管片环失稳坍塌研究

盾构管片环失稳坍塌案例时有发生,探究其失稳坍塌发生条件对于预防重大安全事故发生具有重要意义。基于Midas GTS建立30环考虑环缝螺栓作用的荷载−结构计算模型,从盾尾管片环地基掏空和盾尾姿态突变2个方面探讨盾构管片环结构失稳破坏过程及失稳坍塌的发生条件。结果表明:盾尾渗漏使盾尾壳体失去了周围地基的有效约束作用,盾尾发生前仰后俯的姿态变化,隧道结构发生横向“横鸭蛋”和纵向挠曲变形,最终导致部分管片环坍塌。盾尾下沉位移是诱发管片环失稳坍塌的主要因素,盾尾下沉导致隧道纵向变形快速发展,快于盾尾渗漏引起管片环周围地基掏空所导致的隧道纵向变形。当盾尾下沉位移大于0.50 m且掏空范围大于5环、盾尾下沉位移大于0.45 m且掏空范围大于10环、盾尾下沉位移大于0.40 m且掏空范围大于11环时,环缝最大张开量超过单根螺栓极限应力时的环缝张开量47.43 mm,部分纵向螺栓被拉断,管片外水土发生喷射,加快管片环外砂土快速流失。当盾尾下沉位移大于0.5 m且掏空范围大于9环时,环缝最大张开量超过65.2 mm,管片环椭圆率超过46.1‰,最终诱发多环管片环失稳坍塌。研究结果可为盾尾渗漏诱发的重大安全风险评判提供参考。

中国盾构隧道工程关键技术的新进展综述

从研究背景与思路、机制/原理、材料/装备、技术论证、试验研究、工程应用等方面介绍中国大直径盾构掘进主轴承事故分析及国产主轴承的自主研发、盾构隧道工程安全高效掘进渣土适配性改良技术及配套材料、盾尾安全保障核心材料研发、盾构隧道新型管片连接技术、城市隧道三模掘进机关键技术等5个方面关键技术的最新进展情况。认为:1)自主研制的超大型盾构机用直径8.01 m主轴承大型套圈纯净度、大型滚子纯净度、大型套圈疲劳性能、大型滚子硬度均匀性、套圈材料淬透性和淬硬层深度、保持架焊缝疲劳寿命和拉断力均优于进口水平;构建了真实对数曲线大型滚子设计方法,突破了高精度大型滚子加工技术,处于国际先进水平,高精度加工和装配保证了零件尺寸精度及形位公差均满足设计要求;通过产品验收、装机应用论证和工程应用,表明应用该大直径主轴承不会产生接触疲劳强度不足和微动引起的疲劳磨损,可用于超大直径盾构隧道工程建设。2)针对黏性、富水砂性和硬岩等复杂地层,以改善岩土环境为核心,研发出了高配向密度的聚合型泡沫剂、高分子抗黏剂、喷涌防止剂和耐磨抑尘剂等环保型系列渣土改良剂,形成了盾构泥饼、喷涌和磨损原位改良主动防控技术,建立了通用地层适配性盾构渣土动态改良技术体系,保障了盾构安全高效掘进。3)针对盾构掘进过程中的盾尾密封失效难题,研发了“黏-稠-流”有机统一的新型盾尾密封油脂,温度敏感性低(黏温系数0.4)、抗水压能力强(最高抗水压3.5 MPa),整体性能提高1.3倍,为盾尾安全提供了有力保障;针对盾构同步注浆浆液泌水、离析和地层沉降难题,研发出了同步注浆充填剂,优化了惰性充填浆液配比,30 min零泌水,实现了壁后惰性充填,保障了管片壁后注浆质量和地层沉降精细化控制。4)新型管片连接技术采用环缝插入+纵缝滑入的连接形式,可以高标准地控制隧道接缝张开量和错台量,管片制作及拼装精度高,可降低接缝防水难度,提升成型隧道的质量,无需设置手孔,无需人工紧固作业,自动化程度高,施工效率高,可节约施工成本及改善洞内拼装作业环境。5)研制出的土压+泥水+TBM三模掘进机能够满足复杂多变、软硬不均复合地层等几乎所有地层的掘进施工,且可在不停机、不拆装设备的前提下实现掘进模式的快速转换,在TBM掘进模式下螺旋输送机+泥浆管道可协同排渣,解决了富水硬岩地层掘进排渣难的问题,机械化和智能化程度高,安全可靠,施工效率高,可改善工人作业环境,节省工期和成本。中国盾构隧道建设取得的巨大成就,推动了中国乃至世界盾构隧道技术的发展和进步,但仍时有安全事故发生,需从装备、材料、技术、管理等方面进一步研究和突破。在今后较长的时间内,中国盾构隧道(尤其是大直径盾构隧道)仍将处于高速建设发展期,面临的建设条件将越来越复杂,技术难度和挑战也将越来越大。要实现盾构隧道建设的快速、安全、健康,需处理好盾构隧道技术领域的关键问题,实现盾构隧道关键核心技术的突破。上述关键技术仍需不断完善并加强推广和应用,以促进中国盾构隧道建设向高适应性、高智能、高可靠性、高效益、高质量、高安全性和低能耗方向发展,形成适合于中国“土壤”的盾构隧道新技术。

花岗岩风化槽区段运营地铁沉降原因及防治研究

通过长达10年对广州地铁6号线柯木塱站及邻近盾构隧道沉降监测成果的统计,分析沉降形态和规律,并结合地质调查,认为形成沉降的原因是:沉降地段位于不良地质条件的花岗岩风化(深)槽区段,上覆有全新世古河道沉积的富水砂层;随着人口增加,地下水抽采量倍增;地面硬化、有组织排水等工程的实施,使天然雨水渗入地下的水量大大降低,雨水-地下水循环失衡,三者的耦合作用,导致该区域地下水位持续下降,隧道、车站以及地面也同步正相关沉降。针对上述问题,采用控制超采地下水和改扩容公共自来水的措施,实施后地下水位明显抬升,地面和隧道沉降速率大幅下降,局部点有所抬升,隧道趋稳。

广州地铁二号线旧盾构穿越珠江的工程难题及对策

两台曾应用于广州地铁一号线的泥水平衡盾构机(￠6.14m),被系统改造为复合类型的盾构机,并继续应用于广州地铁二号线的“咽喉工程”——穿越珠江的隧道施工。基于旧盾构改造后功能的局限性、珠江地段地质条件的复杂性以及承包商没有类似地质条件下的工程经验等原因,施工过程中多次遇到盾构掘进困难、喷涌、江底塌方等难题。中国盾构专家们昼夜跟踪研究并及时提出了有效的对策和措施。目前,两台旧盾构已成功穿越珠江,事实证明:盾构法是不良地质条件下穿越江、河、湖、海的最优的隧道施工方法并且旧盾构只要改造合理仍可二次应用或多次应用。

复合地层中盾构滚刀磨损原因分析及对策

通过系统地总结和分析约40台次混合式盾构机在复合地层中掘进近100 km的滚刀磨损情况,对滚刀磨损做了定性分类,并根据滚刀磨损的影响因素,提出滚刀磨损的对策,以期指导今后复合地层施工中盾构机刀盘刀具选择、配置及盾构掘进。

盾构施工“滞排”成因分析和对策研究

文章在总结国内外复合地层盾构施工经验的基础上,首次明确并定义了"滞排"的概念,对"滞排"现象进行了科学的分类,并对其成因和风险进行了分析研究,提出了"破"、"和"、"排"的系统解决方案,并给出了盾构设计阶段、制造阶段和施工阶段的相应对策;最后从新理论、新设备、新方法和新材料等方面对"滞排"的解决对策做了进一步的展望。

地铁工程重大地质风险控制模式研究

通过全面系统分析研究工程地质勘察资料及施工环境,结合长期主管广州地铁建设的经验和教训,提出地下工程管理应以风险管理为核心的理念,强化全员、全方位、全过程的风险管理的意识、制度和行为,创新并实践风险预控方法(设计方案、施工工法、工艺设备等),建立"认知地质为基础、创新方法为手段、精细管理为根本"的以人为本的风险控制模式。

盾尾刷环形密封系统单元试验及水密性机制研究

盾构法已经成为了城市地铁隧道建设的主流施工法,由于盾尾刷密封效果不佳导致的漏水、漏浆等重大安全责任事故屡屡发生。通过建立盾尾刷-油脂腔密封系统密封单元试验装置,探讨油脂稠度、油脂压力、盾尾间隙对其水密性能的影响。试验结果表明:(1)根据油脂锥入度不同,盾尾密封渗漏出现两种模式:锥入度低时渗漏物为外界泥水,锥入度高时渗漏物为外界泥水与油脂混合物。为提高盾尾密封性能,油脂锥入应控制180~200(1/10 mm)范围内。(2)盾尾渗漏临界压力可由油脂压力、贴合力确定,略微小于油脂压力,因此工程中设定油脂压力比盾尾空隙中泥水或注浆浆液压力大0.5 MPa是合理的。(3)盾尾渗漏临界压力受油脂压力影响更大些,但盾尾刷贴合力则影响油脂逃逸和油脂压力的稳定,因此盾构掘进过程中加强盾尾刷和密封系统的管理以避免砂浆侵入导致盾尾刷失去弹性引起的密封失效。研究成果可为盾尾密封系统的设计和施工管理提供参考。

基于压缩和油脂逃逸试验的盾尾刷密封性分析

为研究盾尾刷质量问题对盾尾刷密封系统工作性能的影响,基于动态压缩试验与油脂逃逸试验,探讨了盾尾刷长期挤压、磨损程度、砂浆渗入对盾尾刷密封性能的影响机理.首先,通过动态压缩试验,获得各个影响因素下盾尾刷贴合力变化规律;其次,利用油脂逃逸试验获取不同工况下盾尾刷的油脂逃逸量;最后,以贴合力为媒介,将影响盾尾刷质量的因素与油脂逃逸量联系起来,探讨盾尾刷的密封性能.研究结果表明:长期挤压、盾尾刷磨损程度、砂浆渗入等因素对盾尾刷弹性性能的影响显著,尤其是砂浆渗入,盾尾刷弹性性能损失最大可达90%;油脂压力存在一临界压力,盾尾间隙为50、70、90 mm的临界油脂压力分别为0.4、0.3、0.2 MPa,低于临界压力时油脂逃逸量极少,超过临界压力时油脂逃逸量陡增,油脂压力增加0.1 MPa,油脂逃逸量增加4倍以上;在盾构平均盾尾间隙(70 mm)条件下,当保护板磨损超过1/2与砂浆渗入比超过10%时,油脂逃逸将超过工程容许上限.

盾构施工有毒或可燃气体“不明”来源的探究

通过采集盾构机大轴承中的润滑油、滚刀轴承中的润滑油、盾尾密封油脂、聚氨酯及岩心样品进行试验,说明油脂会裂解为有毒、可燃气体。盾构机密封舱中的所谓不明气体,实际上是在复合地层盾构施工过程中油脂的裂解产物。

基于压缩及油脂逃逸试验的盾尾刷性能评价研究

盾尾密封失效事故时有发生,严重时易造成了重大涌水涌砂安全事故,已经引起工程界与学术界的高度关注。基于盾尾刷动态压缩试验和盾尾密封油脂逃逸试验结果及分析,结果表明:①动态压缩试验测试结果能较好反映盾尾刷弹塑性力学性能,大幅度节约试验时间;②随着盾尾间隙不断减小,盾尾刷贴合力、弹性系数不断增大,塑性变形占比不断增大、弹性变形占比不断减小。盾尾间隙为110 mm时弹性变形占比为90%,盾尾间隙压缩至50 mm时弹性变形占比降低到60%;③建立了盾尾间隙、盾尾油脂逃逸量与盾尾刷贴合力关系图,获得了盾尾密封系统的工作安全区域,可对盾尾密封状态有效性进行评估。建立的盾尾刷密封性能评价方法,为盾尾刷性能评价及检测提供了参考。

盾尾刷压缩弹塑性数值模拟及弹性性能评价

盾尾刷于盾尾盾壳与拼装管片环间形成环形2—4道油脂腔密封系统,阻止盾尾空隙中的地下水、土砂、泥水和同步注浆浆液进入隧道内,保障隧道内环境整洁与盾构掘进安全,所以准确掌握盾尾刷的力学特性是确保盾尾密封和盾构掘进安全的前提。基于Midas GTS建立了盾尾刷弹塑性受力计算模型,模拟盾尾刷加载卸载过程中贴合力的变化,并与试验结果对比验证该计算模型的合理性,同时可得出盾尾刷贴合力、刚度系数、压紧板残余高度和残余角度等指标。研究结果表明:(1)数值模拟所得到的贴合力变化与实验数据基本一致,验证了建立的数值模型和材料参数选择的合理性;(2)在盾尾刷压缩过程中盾尾间隙逐渐减小,贴合力几乎线性增大而压紧板的残余高度和残余角度几乎线性减小,但塑性变形占比逐渐增大而弹性变形占比逐渐减少,最终趋向于各占约50%;(3)盾尾刷的弹性性能是盾尾刷密封性能评价的关键,其弹性性能可根据贴合力、刚度系数、压紧板的残余高度和残余角度进行评价;(4)根据现场盾尾刷失效情形总结出了3种失效模式都与盾尾油脂逃逸无法维持油脂腔内油脂压力的稳定有关,油脂逃逸则是由盾尾刷弹性性能决定的。本文建立的盾尾刷弹性性能评价指标可作为盾尾刷性能评价参考。

花岗岩风化地层中盾构施工风险和对策研究

文章论述了花岗岩风化地层特点,根据地层类型对盾构隧道开挖断面进行了分类,主要分析了五类典型地层,即易结"泥饼"地层、含"孤石"地层、"上软下硬"地层、"硬岩"地层和富水地层中盾构施工的风险,并结合广州地铁三号线工程实践研究分析了应对风险的对策及其效果,对类似地层的盾构施工具有普遍的借鉴意义。

软土地层地铁盾构隧道联络通道冻结法施工控制技术研究

文章对南京地铁南北线一期工程某标段盾构区间联络通道冻结加固工法进行了分析 ,指出地铁联络通道冻结法施工中应采取的必要施工技术措施 ,并提出施工过程值得改进的方面 ,以确保施工质量和安全 。

施工阶段盾构隧道漂移控制的研究

盾构隧道位移控制是满足建筑限界的关键。文章从盾构工法特性、地质条件、盾构姿态、衬背注浆和设计五个方面进行研究,对施工阶段的盾构隧道漂移控制提出了建议。

复合地层盾构隧道工程地质勘察方法的研究

盾构法施工与其它地下工程施工方法相比有其特殊性,反映在相应的地质勘察工作中就会有专门的要求,结合复合地层中盾构施工的特点,对目前的勘察内容、工作量等提出了改进意见,对地质勘察阶段的划分提出了看法。

深穗中跨珠江口通道选用盾构法隧道方案的风险及对策

长大深水底隧道面临着复杂地质、环境保护、港口产业、航道交通、空域交通、异常气象等风险,盾构法隧道作为一种环境友好型工法,具有自身独特的优势去克服以上风险。文章针对深圳、广州至中山跨珠江口通道工程的特点,基于广州地铁在类同复合地层盾构工程的大规模实践成果,同时结合国内外大直径、高水压、长距离推进等盾构施工关键技术的突破和经验,对施工方案进行了综合研究,认为盾构法三隧洞方案"功能齐备、质量保障、经济合理、风险可控等优势明显,为本工程最优方案,并进一步分析了本盾构隧道工程的风险及对策。

矿山法隧道初期支护结构变形控制研究

矿山法隧道初期支护结构变形是一个普遍存在、危害性较大但又不易控制的工程难题。文章结合施工、监测或监理的典型工程案例,分析了初期支护结构变形的原因,探讨了变形控制措施,阐述了初期支护结构变形控制的要点是:地质是基础、设计是关键、监测是重点、施工是保证,其研究成果对类似工程有一定借鉴和指导意义。