复合式土压平衡盾构机刀盘性能综合评价方法

复合式土压平衡盾构机刀盘对复合地层的适应性决定了施工的安全性和经济性。由于刀盘结构的多样性以及施工环境的复杂多变性,不同类型的刀盘在应对不同地层时,其综合性能表现不一,目前仍缺少对其综合性能进行评价的有效方法。在考虑刀盘性能影响因素多层次、多方面和相关联性的基础上,从刀盘的结构性能、刀具布置性能、力学性能、经济性、安全可靠性和环境适应性等方面,建立刀盘性能评价指标体系。根据刀盘递阶层次结构评价模型特点,提出一种基于模糊数学与评价理论,以模糊层次分析法计算刀盘指标权重,通过模糊综合评价和模糊优劣解距离决策法对刀盘进行综合性能评价的方法。结合长沙某地铁施工标段地质条件,选取四种常见的复合式土压平衡盾构机刀盘方案,进行评价确定最终方案,并通过工程实例验证本方法的合理性和有效性,为施工过程中的刀盘方案选型决策提供一种新方法。

复合式土压平衡盾构机刀盘开口模式设计

复合式土压平衡盾构机在掘进过程中,刀盘开口模式直接影响碴土流动性,碴土流动性能够保证施工开挖面压力平衡,因此合理的刀盘开口模式是保证盾构系统内部压力稳定和掘进安全的关键。本文针对加入改性材料后具有一定流动特性的碴土,运用计算流体力学的方法,研究了不同刀盘开口方式对碴土流动性的影响。分别对比了相同和不同开口率下,对于同一性质的流体,盾构系统的压力传递情况,得到了系统轴向的压力分布规律。针对不同开口率得到了开口率大小与压力传递的关系,针对相同开口率得到了不同开口位置与压力传递的关系,为刀盘开口模式的结构设计提供依据。

复合式土压平衡盾构盘形滚刀布置规律

根据目前常见复合式土压平衡盾构的结构特性,以刀盘开口特征为依据,对复合式土压平衡盾构进行分类并归纳出2种类型滚刀布置区域,建立其约束模型。通过分析盾构掘进时滚刀的受力情况,提出滚刀布置基本原则,在此基础上建立以滚刀极径与极角为设计变量的非线性多目标滚刀布置优化模型,分析模型的目标函数与约束条件,给出模型求解策略,并采用遗传算法求解得到滚刀布置参数。应用该优化设计方法对深圳地铁某施工标段所用盾构滚刀进行布置优化。研究结果表明:优化后刀盘的径向不平衡力下降10.1%,倾覆力矩下降9.4%,破岩量方差下降15.9%,表明所建立的数学模型及所使用的优化算法是正确、可行的。

复合式土压平衡盾构刀盘CAD系统开发

在结合盾构刀盘构型、开口和刀具布置规律等理论基础上,以三维软件SolidWorks为开发平台,以VisualBasic作为开发工具,开发了一种复合式土压平衡盾构刀盘CAD系统。该CAD系统采用编程法与尺寸驱动法两种开发方式,设计了刀盘选型模块、开口设计模块、刀具选型模块和刀具布置模块等八个模块,实现对复合式土压平衡盾构刀盘、刀具进行三维参数化优化设计。针对某地铁施工工程需求,应用所开发的复合式土压平衡盾构刀盘CAD系统,设计了直径6.28m,开口率为32%,装配有滚刀35把,正面刮刀40把,边缘刮刀8把的刀盘。

复合式土压平衡盾构刀盘失效风险分析

通过对复合式土压平衡盾构刀盘失效的事故种类及原因的分析与总结,应用故障树分析(FTA)方法对刀盘失效风险进行了研究,建立了刀盘面板、刀具和其他刀盘体系的故障树系统模型。通过定性与定量分析,讨论了各项风险事故的潜在失效模式和影响因素。结合具体工程进行了应用,并提出了针对性的控制措施。研究有助于复合式土压平衡盾构刀盘的设计、施工的决策与控制。

复合式土压平衡盾构机穿越闽江强透水砂层技术研究

地铁盾构机下穿江河段一般为风险最高段,且不同地层组合条件下的施工风险等级也不同。结合福州地铁1号线达道站—上藤站区间盾构穿越闽江的实例,系统地研究了复合式土压平衡盾构机穿越江底强透水砂层的施工工艺,包括施工方案的整体评估、施工前的设备改造和渣土改良、施工难点及其对策、辅助工法等。该施工工艺实现了复合式土压平衡盾构机穿越江底强透水砂层的突破,既保障了施工安全,又保证了施工工期。

砂卵石地层中复合式土压平衡盾构掘进参数及地层变形规律研究

依托兰州城市轨道交通1号线某区间试验段工程,对砂卵石地层中双洞地铁隧道盾构选型和地层变形进行研究。引入盾构扭矩和推力的数学计算模型,计算结果应用于现场工程施工和有限元三维数值模拟中,分析了双洞隧道先后施工时,地层沉降槽的范围、特征、变化规律以及开挖引起的横向和纵向水平方向上地层位移影响范围和影响规律。结果表明:1)越接近地表,隧道先后开挖对沉降槽的扰动效应越弱;2)由两隧道同向先后施工引起的地层最终沉降槽非对称特征明显;3)水平向地层的扰动效应叠加,地层易出现剪切变形,需采取必要防护措施;4)现场监测结果与数值模拟结果基本一致,证明所采取的施工工法合理,施工沉降总体控制效果良好。

复合式土压平衡盾构机刀盘常见故障(损坏)原因分析及解决措施

以中铁隧道集团引进的先锋一号、先锋二号盾构机为例 ,阐述了复合式土压平衡盾构机刀盘的工作原理和结构特点 ,总结了施工过程中刀盘常见的故障与损坏的方式 ,分析了产生的原因 ,提出了相应的解决方法 ,对解决类似问题有一定的指导作用。

复合式土压平衡盾构刀盘虚拟装配系统开发

复合式土压平衡盾构刀盘建模常常需耗费大量时间,这不仅影响刀盘设计效率,而且降低了刀盘装配可靠性。文章针对工程中常用的四辐条四辐板式和六辐条六辐板式刀盘进行系统开发,通过划分系统的功能模块,建立了两种常见刀盘的装配体模型库,设计了刀盘系统的可视化界面,实现了刀盘模型主参数的驱动,阐述了刀盘模型干涉检查的一般方法,运用XML技术实现了对系统数据的管理。

富水圆砾地层中复合式土压平衡盾构施工技术

结合长沙地铁1号线2标段北辰三角洲站～开福寺站区间右线前220m盾构施工实例,分析富水圆砾地层对盾构施工的危害,提出了采取土体改良、同步注浆等技术措施预防可能出现的风险情况,对今后同类地质、水文条件下盾构隧道的安全施工积累了一定的经验。

复合式土压平衡盾构机硬岩始发掘进技术研究

地铁行业蓬勃发展,伴随而来的技术难题层出不穷。依托深圳地铁12号线盾构工程,主要对复合式土压平衡盾构机硬岩始发重难点进行技术措施研究,通过理论分析并加以在依托项目中应用,进一步验证其有效性,为硬岩始发提供一定技术参考。

中铁一号 国内首台复合式土压平衡盾构机

2008年,伴随着一声隆隆的巨响,我国首台具有自主知识产权的复合式土压平衡盾构机"中国中铁一号"在河南新乡成功下线。与此同时,本刊收到了一篇来自中国中铁隧道股份有限公司党群工作部的投稿。"中国中铁隧道历时7年,研制出国内首台复合式土压平衡盾构机。2008年4月15日,国内首台复合式土压平衡盾构机在中国中铁隧道股份机械制造分公司出厂,填补了我国该类盾构机的空白。

地铁区间软土隧道复合式土压平衡盾构适应性改造技术

针对某地铁六号线某区间工程特点,对复合式土压平衡盾构进行了盾体外径扩大、刀盘刀具更换和推进系统改造,并就改造后的刀盘结构和刀具配置掘进软土地层进行了详细的适应性分析,现场成功进行了100环管片掘进试验,得出了盾构机总推力、刀盘扭矩和转速、掘进速度、土压力以及同步注浆量等掘进参数,验证了改造复合式土压平衡盾构掘进软土地层地铁区间隧道的可行性,为今后类似工程提供技术指导。

复合式土压平衡盾构施工渣土改良试验

以新疆乌鲁木齐地铁1号线盾构隧道在穿越砂卵石地层中施工为例,在某试验段进行添加泡沫、膨润土的渣土改良试验研究。通过研究不同比例的泡沫对坍落度的影响、泥浆黏度以及各类膨润土的最优配比试验对比,以优化添加剂配比方案。以此降低对刀具的磨损以及减小刀盘扭矩、保持舱内压力平衡,稳定开挖面,控制地表沉降、防止喷涌、预防结泥饼。

土压平衡盾构在复杂地质中的应用与工艺改进

常规的土压平衡盾构机在软土地质、含较大块石土层及软硬土复合层等复杂地质中掘进时,常面临盾构机刀盘扭矩增大、螺旋机堵塞等诸多技术问题。结合田湾核电站3#、4#机组厂区排水隧洞工程,通过对土压平衡盾构机及盾构施工技术进行改进,形成一套施工工艺,为今后复杂地质条件下的隧道工程提供技术支撑。

复合式盾构隧道下穿珠江北航道施工技术及环境影响预测

珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段,采用复合式土压平衡盾构对下穿隧道施工掘进过程进行研究,研究成果表明:通过数值模拟分析左、右线隧道开挖后,其拱部最大垂直位移和最大水平位移分别小于竖向位移、水平位移允许值,验证衬砌结构安全性。断面最大位移满足沉降要求,下穿珠江施工对环境影响较小。通过现场监测得出隧道开挖完成后,河床泥面最大位移以及拱顶沉降和洞径收敛值,远小于控制标准,单次沉降小于预警值,总体满足设计要求。

复合式盾构隧道下穿珠江北航道的掘进过程对环境影响研究

针对珠江三角洲城际快速轨道交通广州至佛山段复合式土压平衡盾构隧道下穿珠江北航道的掘进过程进行了研究,结果表明:通过数值模拟分析左、右线隧道开挖后,其拱部最大垂直位移和最大水平位移分别小于竖向位移、水平位移允许值,验证了衬砌结构安全性;断面最大位移满足沉降要求,下穿珠江施工对环境影响较小。通过现场监测得出隧道开挖完成后,河床泥面最大位移以及拱顶沉降和洞径收敛值,远小于控制标准,单次沉降小于预警值,总体上满足设计要求。

复合地层盾构掘进参数及其与地层相关性分析

盾构掘进参数在复合地层中比在单一地层中的变化更为复杂,不同地层条件下掘进参数差异性很大。为了研究复合地层中盾构掘进参数与地层的相关性,本文以深圳地铁11号线车公庙站~红树湾站和南山站~前海湾站两个区间Φ7m复合式土压平衡盾构施工为背景,针对区间典型地段的不同地层,采用数理统计方法分析了5个关键盾构掘进参数与6种主要地层的相关性。结果表明:不同地层中的总推力的平均值差异不大,为1320.94~1697.33t,但硬岩地层中总推力的波动性最大,最小值为789.38t,最大值达到1994.52t;不同地层中的推进速度的平均值差距较大,其中在花岗岩差异风化和硬岩地层中推进速度平均值最低,约为20mm/min;硬岩中的刀盘扭矩的平均值明显高于其他地层,最高可达5倍,而其余地层差距不大,平均值为608.93~822.27k N·m;各地层中刀盘转速的离散性较小,平均值差异不大,为1.5~1.9r/min;不同地层中贯入度的平均值差距较大,最高可达40mm/r,花岗岩差异风化和硬岩地层中最低,约为12mm/r。本文研究成果可为同类型盾构在复合地层条件下掘进参数的选取和优化提供指导。

典型工况下复合盾构刀盘系统振动特性研究

复合式土压平衡盾构机的核心工作部件--刀盘系统在实际掘进时振动剧烈,易发生失效。采用ADAMS软件施加建立刀盘系统虚拟样机模型,分析典型工况下系统的振动特性;应用正交试验,分析载荷工况、轴承刚度及刀盘转速3个因素对刀盘振动的影响,并用直观分析法分析数据得到系统的优方案。为系统的减振及参数匹配提供参考。

长距离穿越大型地下构筑物的盾构施工

通过深圳地铁一期工程罗湖站～国贸站盾构区间实例,论述了复合式土压平衡盾构机在软弱复合地层下长距离穿越大型地下构筑物的施工技术,为繁华闹市区复杂地下管线下的轨道交通地铁施工提供了成功经验。