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。

基于ABAQUS的盾构切刀群模拟切削研究

为了解决复合式土压平衡盾构(earth pressure balance)在实际施工时常出现刀盘结饼、刀箱堵塞等工程问题,从刀群切削效果角度研究刀盘刀具布置的合理性,采用切刀群和滚刀群的动态切削模拟方法,提出土体质量变化和刀盘受载的评价指标,得到以下结论:软土地质下切刀群存在内偏角时的切削效果明显好于无内偏角的情况;掘进地层地质较软时宜采用小切刀切削重叠量,地质较硬时宜采用大切刀切削重叠量。刀群布置的研究过程为实际工程问题的解决提供了方法,数值仿真结果为复合式土压平衡盾构刀盘刀群的组合设计提供了参考。

中粗砂-风化岩复合地层双模盾构渣土改良技术研究

为解决中粗砂-风化岩复合地层土压-泥水双模盾构土压平衡模式施工适应性问题,依托广州地铁12号线赤沙滘站—仑头站区间隧道工程,针对富水中粗砂-风化岩复合地层易发生的刀盘结泥饼、螺旋输送机出渣喷涌等施工风险,设计防喷涌和防泥饼试验装置研究分散剂及膨润土泥浆的渣土改良效果;针对性地提出不同掘进平衡模式控制要点及“泡沫剂、分散剂为主,膨润土泥浆为辅”的渣土改良方法。研究结果表明:1)分散剂具备较好的防结泥饼能力,掺入比在4%时分散效果较佳;2)膨润土泥浆可有效改善砂土流动性,掺入比在10%、黏度大于80 s时具有较好的改善效果;3)采用泡沫、分散剂、膨润土组合进行渣土改良,合理控制土舱内渣土舱位,可较好适应土压平衡模式在中粗砂-风化岩复合地层掘进。

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。

复合地层土压平衡盾构刀盘掘进参数

土压平衡盾构在复合地层中掘进时常出现推力和扭矩波动幅度过大的问题,为了研究盾构机在复合地层中刀盘受力特点,基于扩展模型建立了不同类型全刀盘掘土数值模型,研究了全刀盘Mises应力以及推力和扭矩的变化规律,验证了数值计算结果的合理性。基于室内土压平衡盾构掘进试验,研究了盾构机掘进参数在不同地层中的变化规律。研究结果表明,随着刀盘推进深度增加,各类刀盘Mises应力最大值呈增加的趋势。各类地层全刀盘掘进模型的推力及扭矩计算误差均未超过10%,利用扩展Drucker-Prager模型所建立的全刀盘掘进模型是合理的。土压平衡盾构掘进模型试验表明,随着中风化泥质粉砂岩地层占比逐渐增大,盾构机推力有增大的趋势;盾构刀盘扭矩先增大后减小,最后趋于稳定;出土器扭矩变化不明显。整个推进过程中盾构机推力变化范围为6.0~7.7 kN,扭矩变化范围为773.4~1195.8 N·m,出土器扭矩变化范围为32.5~104 N·m。

复合地层土压平衡盾构斜穿地下连续墙推进力计算研究——以南宁市轨道交通5号线新广区间盾构隧道工程为例

土压平衡盾构斜向掘削地下连续墙时姿态控制难度较大,需要合理控制盾构推进力。以南宁市轨道交通5号线新广区间盾构隧道工程为背景,针对左右线斜向穿越1号线广西大学站地下连续墙的掘进工况,通过盾构推进荷载理论模型,考虑刀盘刀具破岩荷载以及盾构-土相互作用的影响,利用MATLAB软件进行盾构作用荷载静力平衡方程的矢量计算,得到斜穿地下连续墙的盾构推进力;并结合工程实例进行对比,验证该修正理论模型的合理性。通过斜穿地下连续墙推进力计算实例的分析可以发现,盾构推进力的计算误差在20%左右,总体满足工程要求,下穿段盾构总推进力宜控制在15000~20000 kN。

土岩复合地层土压平衡盾构渣土改良试验研究

土压平衡盾构施工地铁隧道时经常会遇到土岩复合地层,在该类地层中掘进时,泡沫注入比更加难以确定。以深圳市地铁12号线某区间隧道土岩复合段为例,进行了室内泡沫改良剂试验、全风化混合花岗岩和土岩复合地层渣土改良试验。试验结果表明,在土岩复合地层中,掌子面土体占比每降低10%,泡沫注入比应当增加约50%,坍落度在100~220mm。通过工程实例发现,在土岩复合段内,泡沫注入比的增加有助于土压舱内建立稳定的土压力。

南昌复合地层盾构渣土改良技术

为解决在南昌富水条件下砂层与泥质粉砂岩复合地层中喷涌、结"泥饼"、渣土"流塑性差、含水量高、渗透系数大"等施工难点,以南昌地铁1号线中子(中山西路站—子固路站)区间、八八(八一广场站—八一馆站)区间盾构施工为背景,通过数据统计及案例分析,得出液态高分子聚合物可作为抑制喷涌常态措施,泥质粉砂岩及富水砾砂层地质条件下,选取泡沫剂作为渣土改良添加剂,在砂砾石与泥质粉砂岩的复合地层,可考虑添加一定量的膨润土或高分子聚合物,解决砂砾石地层中渣土流动性差、防喷涌及粉质泥沙岩中结"泥饼"等问题。砂砾层体积与渣土总体积之比小于等于1/3时,渣土改良方式采用泡沫剂与分散剂溶液;大于1/3而小于2/3时,改良方式采用膨润土与泡沫剂溶液;大于等于2/3时,改良方式采用水土比8∶1膨润土与浓度为3%泡沫剂溶液,但膨润土用量应增加。

复合地层盾构的适应性及掘进参数的关联性分析

复合地层在开挖断面范围内和开挖延伸方向上,具有两种或两种以上不同地层的组合,且各地层在岩土力学、工程地质和水文地质等方面存在圈套差异,从而对盾构施工及周围环境产生很大影响。根据复合地层状态及其工程地质特点,阐述了复合地层盾构的施工特点、复合盾构的三种掘进模式、以及选择复合土压平衡盾构机与复合泥水平衡盾构机的依据,并对盾构与复合地层的适应性及掘进参数的选取进行分析。以广州地铁六号线二期工程盾构施工数据为例,通过曲线拟合及统计回归方法,得出盾构施工时各掘进参数的相互关系,从而为复合盾构的选型及各掘进参数的相互匹配与控制提供了参考依据。

某盾构掘进中地面塌陷事故分析及处理

以某市盾构施工造成地面塌陷事故为例,根据事故现场及地质情况,提出了针对性的事故处理方案并实施,验证了事故处理方案的可行性。从工程水文地质、盾构掘进参数、设备维修保养及施工组织管理等方面分析了事故的原因;总结了在富水复合地层中土压平衡盾构施工管理及掘进参数控制对地面沉降控制的重要性,针对性地提出了地面沉降控制方法。

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。

浅谈泡沫技术在土压平衡盾构中的应用

土压平衡盾构是软土地区地铁隧道施工的主要方法之一。但是盾构在穿越流塑性差、含水量高、渗透系数大的砂性土层时,存在土体受扰动发生液化、推进速度慢、刀盘形成"干饼"等一些技术难题。使用泡沫不仅有利于保持开挖面土压力平衡,而且机械负荷及刀盘扭矩能够明显减少,解决施工难题,并保证开挖面的稳定和砂性流塑的优点。

砂卵石红砂岩复合地层土压平衡盾构渣土改良试验研究

砂卵石红砂岩复合地层上部为密实砂卵石下部为强风化红砂岩,整体呈上硬下软状。采用土压平衡盾构施工时易产生盾构姿态上下偏移,出现盾构机在砂卵石、红砂岩两类地层中往复穿越的现象,导致盾构推力、刀盘扭矩等波动大,而砂卵石、红砂岩地层条件悬殊,在掘进时需要不断更换改良剂以适应地层变化,使得渣土改良更加困难。本文依托兰州地铁2号线盾构工程,结合现场施工经验,对膨润土泥浆配比进行了重新优化,提出膨润土泥浆加泡沫剂的混合改良方案。实践表明,采用1:6配合比膨润土泥浆,4%浓度泡沫剂,泥浆掺入比10%、泡沫掺入比15%左右的混合改良剂方案能够同时适用于两种地层,通过工程试验和掘进参数分析,发现掘进时的盾构推力、刀盘扭矩等波动明显减小。

复合地层中土压平衡盾构掘进参数变化规律分析

对于复杂地质条件下的盾构隧道,科学设置掘进参数对工程的安全与高效至关重要。为研究复合地层中盾构掘进参数的变化规律,依托青岛地铁4号线沙子口站—崂山六中站区间左线线路,对下穿河道段、均匀黏土段、上软下硬段3种不同地质环境下的掘进参数进行了统计分析。统计特征值计算及相关性分析结果表明:1)下穿河道段因其主要为粉质黏土夹粗砂,总推进力数值最低;2)均匀黏土段掘进的参数较为稳定,土压平均值最高,总推进力和掘进速度的相关性最强;3)在上软下硬段掘进的参数变化频率与幅度较大,掘进速度最慢。

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。

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。

基于三维RBD-DEM耦合方法的贯入角度对滚刀冲击影响分析

盾构在软硬不均地层中施工易诱发滚刀出现偏磨、断裂等问题,造成换刀频率大幅增加。因此,文章采用EDEM离散元软件,基于RBD(刚体动力学)-DEM的耦合方法考虑滚刀与地层的相互作用,实现滚刀在仿真模拟中的被动运动;建立相交角分别为15°、30°、45°、60°、75°和90°共6种工况,研究滚刀在软硬不均地层中贯入角度的变化对其所受冲击的影响。研究结果表明,贯入角度主要影响切向和法向平面的法向荷载,当贯入角度达到45°时,滚刀切向和法向平面在冲击阶段所受的峰值荷载均达到最大;贯入角度从90°变化到45°的情况下,法向平面和切向平面的法向荷载峰值提升幅度分别达到原来的18.74倍和3.53倍,法向平面中法向荷载的突变是诱发滚刀脱落、偏移和断裂的主要原因。

中国隧道掘进机技术进展与展望

自上世纪50年代以来,中国企业开始研究隧道掘进机技术,经历了自主探索、技术引进和自主创新的历程。如今,中国已经具备了设计、制造多种类型隧道掘进机的技术创新能力。中国企业成功研制出了混合模式掘进机、异形断面掘进机、联络通道掘进机、竖井掘进机、斜井掘进机等多种新设备。中国的隧道掘进机技术水平总体上达到国际先进水平,并在新型破岩技术研究和新机型研发方面引领了行业的发展。未来,隧道掘进机技术的发展可以从“三个层次、一个提升”的角度进行探讨,包括在现有掘进机技术框架下,通过完善设备功能和提升性能来提高技术水平;突破破岩技术,并创新地下支护结构,推动新型隧道掘进机的发展;随着隧道理念的变化,推动隧道掘进技术的进步。同时,隧道智能化建设也需要得到提升,以提高施工效率和安全性。

富水复合地层土压平衡盾构渣土改良试验研究

针对南昌地铁4号线富水复合地层,对饱和砾砂和中风化泥质粉砂岩进行渣土改良试验,选择合适的改良剂,并开展改良剂性能测试,基于坍落度试验、渗透性试验、直剪试验确定饱和砾砂和中风化泥质粉砂岩的改良剂合理添加比。将室内渣土试验成果应用于现场渣土改良,验证室内渣土改良试验的合理性。结果表明,采用泡沫剂溶液浓度为3%和膨润土泥浆配合比为1∶8时,改良剂性能满足工程要求。对于饱和砾砂渣土,合适的改良剂添加方式为泡沫与膨润土泥浆比4∶1,添加比为5%~7%;对于中风化泥质粉砂岩,合适的改良剂添加方式为泡沫与膨润土泥浆比为1∶4,添加比为10.8%~12.6%,或者全膨润土泥浆,添加比为9.9%~12%。