大直径常压刀盘盾构机盾壳外砂浆凝结清洗及预防措施

伴随国内穿江越海的盾构施工,针对大直径、高水压、复杂地层、常压换刀等相关技术需求日益提升,国内大直径常压刀盘泥水盾构机施工不断增多,盾构机施工同时伴随出现各种各样的问题亟待解决。其中,由于砂浆配合比、注入量及盾构机掘进地层本身的问题,导致大直径泥水盾构机出现盾尾、盾体外表面砂浆凝结,在硬岩地层、黏土地层掘进时造成盾构机盾尾轻微变形,管片安装时盾尾与管片间间隙较小管片无法安装的情况;盾构机姿态受影响无法调整的情况;甚至盾构机盾尾变形严重导致盾构机无法推进的情况。本文通过对大直径泥水盾构机实际施工案例,针对盾构机掘进过程中,盾壳砂浆凝结造成盾构机姿态调整困难、管片安装错台、盾构机推进力超限、盾构机姿态超限问题的解决措施及注意事项,为类似情况的盾构机施工提供借鉴的经验。

大开口刀盘盾构机的施工优劣与问题分析

成都地壳受群山褶皱带影响形成断陷盆地,地质条件既有独特褶皱带的卵石密度高、粒径大的特点,还有丰富的地下水含量的盆地特点,历来是地铁施工的重难点区域。在该地层的盾构施工过程中,卡刀盘、卡螺旋机、地面沉降、滞后塌陷等情况频发,严重影响了施工质量。论文根据成都地铁17号线一期工程的地质条件,结合大开口刀盘盾构机的施工情况,应用交差对比示例,详细分析了大开口刀盘盾构在实际应用中的优劣状况,以及常见问题的解决方法。

基于参数化建模方法的复合式盾构机刀盘力学性能分析与结构优化

刀盘是盾构机的核心部件之一,合理的刀盘结构设计是安全高效掘进的基础。为了快速高效建立刀盘有限元模型并分析其力学性能,采用基于APDL(ANSYS parametric design language)命令流开发的参数化建模方法,建立某型号复合式盾构机刀盘的数字模型。对刀盘施加极限工况下的推力和扭矩,通过静力学分析得到刀盘的应力分布和变形分布,确定最大应力和最大变形位置,校核刀盘的静强度和静刚度。进一步以刀盘总质量为优化目标,以刀盘强度和刚度为约束条件建立基于参数化建模的刀盘结构优化方法,提出刀盘结构优化流程。通过参数敏感性分析确定刀盘优化参数,探究相关参数对刀盘强度和刚度的影响。对复合式盾构机刀盘的关键参数进行优化。结果表明:优化后刀盘的最大应力降低了12%,最大变形降低了20%,质量减轻了119 kg。因此,基于参数化建模的优化方法可以提供刀盘的强度与刚度,并同时降低刀盘质量。研究成果可为后续多目标刀盘结构优化提供参考。

盾构掘进过程刀盘与土层相互作用受力分析

以沈阳地铁1号线东延线农业大学站—东三环站区间盾构掘进施工为研究背景,运用离散元软件EDEM及机械建模软件3Dmax建立盾构刀盘及复合地层模型,模拟盾构机在复杂土层向前掘进的运动过程,通过设置参数,改变不同的刀盘转速、盾构推进速度,研究它们对盾构刀盘的扭矩、切向力、法向力等受力变化影响。研究结果表明:在一定范围内,随着转速的提高,盾构刀盘所受的扭矩、法向力、切向力有所增加。在一定范围内,随着推进速度的提高,盾构刀盘所受的扭矩、法向力、切向力也有所增加。通过受力分析,选择合适的刀盘转速及合适的推进速度,可以有效提高工程施工安全。

无网格法在盾构刀盘结构分析中的适用性研究

盾构刀盘结构的CAE分析主要采用有限元法,其中网格质量对计算结果影响较大,需花费大量时间对模型进行前处理以满足计算要求。以某盾构刀盘为例,基于SimSolid软件采用无网格法进行静力学和模态分析。结果显示:相比有限元法,无网格法前处理时间缩短90%以上,应力偏差在7.5%以内,整体变形偏差最大不超过2.5 mm;模态振型一致,频率相差在7.3%以内。无网格法精度高,可用于刀盘结构的强度、刚度分析,能够提高设计效率,具有重要的工程意义。

关联规则挖掘驱动的盾构机刀盘健康评估方法

传统机理建模研究与实际施工环境误差较大,而数据驱动建模多采用黑箱模型,不利于知识发现与理解,为此提出一种基于知识挖掘的盾构机刀盘健康评估方法。针对盾构掘进数据维数众多、海量异构、强噪声干扰等特点,结合盾构掘进领域知识与机器学习算法提出针对性的数据预处理、特征筛选以及连续特征离散化方法,以此建立知识挖掘数据集。在此基础上,利用关联规则挖掘算法提取关键特征与不同刀盘健康状态之间的映射关系,采用融合可靠度、完整度与简洁度的综合评价指标适应度准则对原始规则进行评价排序,最终实现盾构机刀盘健康评估。基于厦门地铁3号线某掘进区间的实际工程数据对所提方法进行了应用验证。研究结果表明,所挖掘的知识规则与实际数据分布具有良好的吻合度(平均值93%以上),验证了该方法的有效性。

能量视角下的盾构机刀盘的结构变异重构设计

为充分挖掘盾构机刀盘优化承载形态,在经典布局方案基础上进一步探索动力学承载结构变异重构机制,以显式拓扑优化方法为设计工具,驱动盾构机刀盘承载架构的变异与重构,结合能量有限元分析方法,通过引导并强化盾构机刀盘振动能量耗散,实现对结构动响应的抑制。针对某型土压平衡式盾构机刀盘结构进行了设计验证,结果表明:在相同开口率和载荷输入条件下,所设计的盾构机刀盘面板结构对比原始结构,平均变形量减小了24.49%,最大应力降低了41.34%,静力学性能得到提升;优化结构相比于原始结构,其能量柔度改善超过22.0%,最大动响应降低7.8%,最小动响应降低27.7%,动力学性得到有效提升。能量视角下的结构变异重构设计方法具有良好的工程应用价值,可为以盾构机为代表的大尺寸结构动力学设计提供一种新思路。

基于AMESim的盾构刀盘容积调速系统仿真研究

液压系统是驱动盾构机刀盘转动的核心,由电动机、变量泵、变量马达等元件组成。盾构机作为目前地铁施工的主流设备,面对复杂多变的地质条件,刀盘容积调速系统如何减小由系统输入扰动导致的马达转速扰动,使刀盘稳定运行,是值得研究的关键问题。讨论了一种PID+前馈补偿控制方法,通过对系统数学模型的分析,建立了AMESim刀盘容积调速系统仿真模型,并通过实验得到了系统转速特性曲线。结果表明,PID+前馈补偿方法相比于常规PID控制方法,将马达转速的瞬态误差减小了13%,调整时间缩短了1.5 s。研究结果对刀盘稳定运行具有重要的意义。

基于有限元的盾构机刀盘强度分析

利用有限元分析的方法分别对改造前、改造后的盾构机刀盘进行强度分析,根据分析结果,改造前刀盘最大等效应力为147.97 MPa,最大变形为1.76 mm;改造后刀盘最大等效应力为150.79 MPa,最大变形为1.85 mm;改造前后刀盘最大等效应力均出现在刀盘牛腿与刀盘面板结构焊接处;刀盘改造后最大等效应力增加了2.82 MPa,增加率为1.9%,最大变形增加了0.09 mm,增加率为5.1%;改造后盾构机刀盘强度及刚度均满足施工需求。

多冷媒联合冻结技术在盾构抢险中的应用

为解决地层冻结加固工程加固时间长、加固效果不足的问题,提出多冷媒联合制冷的新型技术,并以珠江三角洲水资源配置某盾构刀盘更换工程为案例背景,对液氮+盐水双冷媒联合冻结方案进行介绍。从地质条件、方案设计、数值计算验证和应用效果等方面入手,对多冷媒联合冻结技术的可行性进行分析。主要结论如下:1)液氮冻结速度快但均匀性欠佳,盐水冻结速度慢但均匀性较好,二者联合冻结可以有效完成高风险地层中的盾构开舱换刀;2)液氮冻结会造成掌子面工作环境温度偏低,本案例中开挖掌子面温度低于-40℃,环境温度约-13℃,作业人员应注意低温防护;3)为保证施工效率,盾构换刀冻结工程施工应在冻结壁交圈后及时清空土舱泥浆,防止泥浆冻结。

砂卵石地层盾构刀盘扭矩计算方法及其影响因素研究

针对南京市地铁建设过程中砂卵石地层中盾构刀盘频繁调停问题,结合南京市宁和城际铁路02标项目部盾构区间,分析了砂卵石地层土压平衡式盾构施工难点,通过区间土体改良情况得出其对刀盘扭矩的影响范围,为盾构施工给出合理性的意见与建议。

可切削管片,让盾构隧道分岔施工更简单

可切削管片的诞生。传统盾构隧道分岔施工,需要在地面或隧道内进行洞门凿除和土体加固,施工难度大、工期长、成本高。为了解决这些问题,工程师们发明了可切削管片技术。这些管片材料易于被盾构刀盘切削,无需进行洞门凿除和土体加固,极大地简化了分岔施工流程,减少了施工风险,提高了施工效率。

盾构刀盘结泥饼问题相关研究

盾构掘进时刀盘结泥饼是工程界不可忽略的世界性难题。为了解泥饼形成机制和不同因素对其影响,针对泥饼成因和泥饼防治进行总结。文中通过总结国内外学者关于刀盘结泥饼问题的成果,和对国内外关于泥饼成因、防治和处置的研究动态和研究方法。从液相迁移和“固体桥”的微观角度对泥饼形成机制进行解释,讨论了现有泥饼防治技术及其应用情况,泥饼处置的相关研究。在对关键问题分析的基础上,总结了已有研究的思路和方法及存在的局限性。展望了盾构穿越黏土地层结泥饼问题的发展方向,指出了复合地层结泥饼问题将会是未来研究的重点,提出了孔隙比在直剪试验中的重要性。

渣土改良对刀盘结泥饼的影响分析

隧道盾构施工穿越不良地质易发生结泥饼现象,进而引起刀盘磨损、施工进度延缓等问题。基于此,以长沙地铁1号线南湖路-铁道学院区间隧道为研究对象,通过现场监测分析盾构掘进参数异常现象。结合塌落度试验、渗透试验、直剪试验,分析不同泡沫掺入比对改良渣土的塌落度、渗透性以及抗剪强度的影响。研究结果表明:当隧道掘进至不良地质后,盾构掘进参数发生异常,在合理的范围内添加泡沫改良剂,有利于盾构机掘进施工。

盾构设备及其应用概述

盾构机是盾构施工重要的机械设备,在城市地下轨道交通建设中发挥重要作用,文章主要概述了盾构机及其重要组成部件,其中包含不同盾构机的类型和其适用的地层条件以及不同盾构刀盘的结构形式、适用地层、优缺点,不同盾构刀具的类型、适用地层、优缺点等。

基于卷积神经网络的盾构滚刀磨损量预测方法

本文以深圳地铁14号线综合管廊5#综合井至简易3#井区间的上软下硬复合地层为工程背景,针对盾构掘进过程中的滚刀磨损量预测问题展开研究。通过分析盾构机采集的637组实测数据,基于霍尔姆公式与施工现场开仓测得的滚刀磨损数据计算出S42号位置滚刀的每环磨损值,并以此作为训练集,采用深度学习中的卷积神经网络对其进行回归预测。结果表明:①滚刀在上软下硬复合地层相比均质地层磨损较为严重;②采用霍尔姆公式分配的滚刀磨损量与实测值相比最小误差可达到0.38%;③基于卷积神经网络训练的模型决定系数R22=0.963,具有较好的鲁棒性和泛化性。本文对于滚刀磨损量的预测具有较高的准确度和实用性,可供相关工程参考。

双龙过江超大直径盾构穿越珠江水系

近日,随着西线“大道先锋号”盾构机刀盘破洞而出,顺利抵达接收工作井,广东广州海珠湾隧道工程盾构隧道段实现双线贯通,标志着项目建设取得阶段性重大进展。在建设过程中,项目还创下多项“全国首例”,其中包括:承建国内首条在复杂红层地质连续穿越密集建筑群的超大直径盾构隧道;顺利完成国内首例最大规模超大直径盾构磨群桩施工;在全国范围内首次对同个项目分别采用常压和常规两种刀盘进行双线掘进施工。

某型土压平衡盾构刀盘布刀规律研究

盾构刀盘是盾构施工中实现掘进、渣土过流、界面支护的关键部件,不同的地质条件对盾构刀盘的结构形式、开口率、刀具的选择与安装都有着不同的要求.该文试图从某型复合盾构刀盘采用主辅梁形式、刀具螺旋线配置等进行分析,揭示了为保证力学平衡而采取的结构形式以及刀具组合布置等与土体相适应的某些规律,为盾构刀盘的设计研制优化提供一定的依据.

压缩空气条件下盾构刀盘特种焊接修复技术

为了解决压缩空气条件下盾构刀盘的焊接修复和掌子面稳定问题,阐述、分析、研究其工作原理、关键技术、开舱气密性条件及掌子面稳定措施等。研究认为应该:1)选择专业带压进舱焊接队伍;2)制定详细的技术方案及专家审查制度;3)制定严格的过程控制措施,密切注意带压进舱补气量、泥膜质量、掌子面及作业孔稳定情况等;4)制定严格的技术领导值班制度。

基于任意拉格朗日-欧拉法的盾构刀盘土体切削仿真

针对盾构刀盘切削土体的问题,提出了基于有限元和高性能计算方法的大规模数值模拟方法.建立了盾构和土体的三维分析模型,并且充分考虑到土体的材料非线性,利用动态显示算法进行了基于国产“曙光4000A”高性能计算机的大规模流固耦合分析.仿真采用任意拉格朗日-欧拉法(ALE),解决了土体大变形造成的有限元单元畸变问题,预测土体-刀具相互作用的过程;将修正的Drucker-Prager塑性土体模型作为土体的非线性有限元模型,其仿真方法和结果可以为未来盾构机的刀盘设计提供参考.