滨海地区地铁隧道盾构法联络通道渣土改良技术研究

[目的]土压平衡盾构机在滨海地区黏性土层推进过程中,常发生泥饼、出土不顺、土仓闭塞等现象。为满足盾构掘进要求,需对黏性土层渣土改良技术进行研究。[方法]依托宁波地铁5号线联络通道粉质黏土盾构工程,通过渣土改良试验确定最优泡沫剂质量分数和最佳泡沫剂注入比,将试验成果应用于联络通道盾构施工现场以检验改良技术的可靠性,基于有限元法分析渣土改良前后盾构施工对场地土层变形的影响。[结果及结论]通过试验确定最优泡沫剂质量分数为3%,最佳泡沫剂注入比为20%。将试验成果应用于联络通道盾构施工现场渣土改良,发现场地土层改良后盾构刀盘扭矩和推力均显著下降,且刀盘处未形成泥饼,现场施工处于良好状态。有限元法分析表明,渣土改良后地面沉降虽有所增加但数值较小。

Optimal design for buckets layout based on muck removal analysis of TBM cutterhead

The layout of the buckets for tunnel boring machine(TBM)directly affects the muck removal efficiency of cutterhead during excavation.In order to improve the muck removal performance for TBM,the optimal design of bucket layout was investigated.The whole muck transfer process was simulated by discrete-element method(DEM),including the muck falling,colliding,pilling up,shoveling and transferring into the hopper.The muck model was established based on size distribution analysis of muck samples from the water-supply tunnel project in Jilin Province,China.Then,the influence of the bucket number and the interval angle between buckets on muck removal performance was investigated.The results indicated that,as the number of buckets increased from four to eight,the removed muck increased by 29%and the residual volume decreased by 40.5%,and the process became steadier.Different interval angles between buckets were corresponding to different removed muck irregularly,but the residual muck number increased generally with the angles.The optimal layout of buckets for the cutterhead in this tunnel project was obtained based on the simulation results,and the muck removal performance of the TBM was verified by the actual data in the engineering construction.

有“腿”更任性 Menzi Muck M系列步履式挖掘机

有人喜欢履带式挖掘机,因为它稳定;也有人喜欢轮式挖掘机,因为它灵活。当一台步履式挖掘机出现在自己面前时,所有人都不淡定了。步履式挖掘机如今对国内工程机械用户来说已不算什么新鲜事物,国内也有企业推出过步履式挖掘机产品,如徐工在bauma China 2010上就推出了ET110型步履式挖掘机。尽管如此,Menzi Muck旗下的M系列步履式挖掘机在bauma China 2014上还是吸引了很多人的关注。兼得鱼和熊掌步履式挖掘机工作形式与传统履带式挖掘机和轮式挖掘机大致相同。

稻壳灰替代型微膨胀同步注浆料的制备及性能研究

为解决盾构渣土外运和堆放造成的成本和环境污染问题,并实现固体废弃物资源化再利用的目的,依托郑州地铁十号线某区段盾构工程,利用掘进渣土替代砂、粉煤灰、膨润土,并以稻壳灰(RHA)替代部分水泥制备微膨胀同步注浆料,探究RHA掺量、渣土粒径、水胶比、膨胀剂类型及掺量对同步注浆料工作性能及力学性能的影响。结果表明,RHA对浆料稠度和凝结时间影响较大,RHA掺量越高,浆料稠度越小,凝结时间越短。当RHA掺量为25%(以水泥质量之比计)时,浆料稠度降低27.5%,凝结时间缩短39.9%。随着RHA掺量增大,浆料抗压强度呈先降低后升高趋势。随着渣土粒径增大,浆料稠度和凝结时间减小。生石灰粉和高效静态破碎剂(HSCA)作为膨胀剂会降低浆料的稠度,但可有效增大凝结时间及抗压强度;当HSCA质量分数超过3%时,膨胀效果优于生石灰粉。经试验确定水胶比2.6、RHA掺量25%、采用大粒径渣土以及适当加入膨胀剂,可以使浆料各项指标符合工程要求,为盾构渣土和稻壳灰的再利用提供一种新思路。

富水砂层地铁盾构隧道渣土混合改良的流塑性与渗透性

[目的]盾构在富水砂层中掘进时,易产生刀盘扭矩过高、磨损严重以及螺旋运输机喷涌等问题。为了保证施工的安全性,需对渣土进行改良。[方法]以西安地铁16号线某盾构区间工程为依托,根据砂土地层自稳性差、摩擦性高、渗透率高的特点选取渣土改良剂。通过渣土坍落度试验、渗透试验、现场试验相结合的方式,采用泡沫单独改良、泡沫及膨润土泥浆混合改良两种方案开展富水砂层渣土改良试验研究。[结果及结论]实际盾构掘进施工中,在考虑安全、高效、经济的前提下,结合室内试验所得数据,确定采用膨润土泥浆、泡沫混合改良的方案。当膨润土与水质量比为1/8,发泡液质量分数为3%时,改良剂性能满足施工要求;泡沫单独改良渣土受含水率影响大,含水率越高,泡沫最佳注入率越小。中砂的最佳改良方案是BIR(膨润土泥浆注入比)为10%,FIR(泡沫注入率)为20%~25%;砾砂的最佳改良方案是BIR为10%,FIR为35%~40%。工程实践表明,渣土混合改良效果良好,盾构掘进参数平稳。

多固废协同制备再生可控性低强度材料及其性能研究

可控性低强度材料(CLSM)是一种替代传统级配砂石回填的新型回填材料,具有良好的工作性和力学性能。为了提高CLSM中固废利用率,减少水泥用量,降低工程成本和施工难度,利用再生微粉、矿渣粉等固废材料配合盾构渣土制备CLSM,并通过SEM分析不同配比CLSM水化产物的微观形貌。结果显示,多固废协同制备的CLSM流动度可控制在135~215 mm,抗压强度可控制在3.40~5.93 MPa。再生微粉最佳掺量为20%,矿渣粉最佳掺量为30%,抗压强度最高可达5.93 MPa。再生微粉与矿渣粉复掺可以相互促进,将更多的水泥产物CH转化为C-S-H凝胶物质填补孔隙结构,提高材料结构强度。

水泥基复合材料固化铬污染盾构渣土性能及其机理研究

为了实现铬污染盾构渣土的资源化利用,解决单一水泥固化材料用量大、排放量高以及固化效果不理想等问题,研制水泥基有机-无机复合固化剂固化铬污染盾构渣土。以14 d养护龄期固化土无侧限抗压强度和浸出毒性为评判指标,通过设计“五因素四水平”正交试验确定复合固化剂最佳配比;采用极差分析法对各影响因素进行主效应分析,并结合XRD和SEM试验探究复合有机-无机固化剂的作用机理。研究结果表明:无侧限抗压强度和浸出毒性评判指标的最优解均为11%(质量分数,下同)水泥、5.50%生石灰、0.25%聚丙烯酰胺、1.10%硅酸钠和0.05%海藻酸钠;14 d养护龄期的试验13(A4B1C4D4E1)固化土无侧限抗压强度达1217.58 kPa,重金属铬浸出质量浓度为2.4 mg/L,满足相关规范要求;水泥、海藻酸钠和硅酸钠为固化土无侧限抗压强度评判指标的主要影响因素,水泥、海藻酸钠和生石灰为浸出毒性评判指标的主要影响因素;固化土无侧限抗压强度与重金属铬浸出质量浓度密切相关,具体表现为固化土无侧限抗压强度越大,重金属铬的稳定化效果越明显;大量的自由水被消耗、pH升高、新矿物的生成、土体微观结构改变及土颗粒间胶结作用增强是盾构渣土性能提高的主要原因;当固化土强度增大时,重金属铬的物理封闭作用增强;此外,发生水化反应形成的较高pH也促进三价铬生成难溶于水的氢氧化物沉淀,从而降低固化土重金属铬浸出毒性。

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。

盾构渣土置拌同步浆液及其在叠落隧道应用研究

针对盾构渣土资源化利用,依托苏州轨道交通8号线,基于实验室研究改进固化材料配比,将区间线路盾构渣土置拌成符合工程要求的同步注浆浆液。同时,新建8号线双线盾构隧道与既有3号线双线隧道在唐庄站交汇,形成两层四线叠落的特殊工况。本项目使用的渣土浆液稠度约为113 mm,7 d强度≥1 MPa,28 d强度≥2.5 MPa,满足工程要求。掘进过程中既有隧道结构的监测数据表明,盾构渣土浆液可以有效地控制新建盾构对既有建(构)筑物的影响。利用盾构渣土制备同步注浆浆液可实现渣土资源化利用,在推进绿色建造的同时降低隧道(双线)施工成本约75万元/km。

OPC-MCA固化剂对盾构废泥的固化性能及其微观作用机制研究

通过添加高炉矿渣(GGBS)、脱硫石膏(FGDG)、铝酸钙粉、生石灰和明矾到普通硅酸盐水泥P.O42.5(OPC)中,制备一种新型盾构废泥改良材料OPC-MCA。首先,通过正交测试法确定OPC-MCA中各原料的最优配比。然后,使用该材料和OPC在10%~40%的掺量下处理芜湖市城南过江隧道工程产生的盾构废泥,并检测不同固化时间(3、7、28 d)下的抗压强度。最后,采用扫描电镜(SEM)、工业CT系统和X射线衍射(XRD)观察和分析固化后废泥试样的微观形貌、孔隙和裂纹特征以及矿物成分变化。研究结果表明:OPCMCA的最优材料配比为51%OPC、32%GGBS、8%FGDG、5%铝酸钙粉、3%生石灰、1%明矾;OPCMCA对芜湖盾构废泥的固化能力比OPC的强,在低掺量情况下更是如此;固化剂掺量和固化时间的增加会导致试样强度增加、脆性增强,并使部分试样转变为拉伸破坏;在OPC-MCA固化的试样中检测到了OPC固化试样中未检测到的水化硅铝酸钙(C-A-S-H)和单硫型硫铝酸盐(AFm),并且钙矾石(AFt)含量也更高;在同等掺量下,OPC-MCA固化试样中大尺寸孔隙的比例以及孔隙的总体积均比OPC固化试样的小。

考虑续航里程的长距离隧道电动出渣车配置模型

为研究长距离隧道施工中,电动出渣车续航里程对工效和成本的影响,通过分析电动出渣车的续航里程、装载容量、施工需求等多个因素,构建长距离隧道电动出渣车配置模型,以指导实际工程中的车辆配置和调度。提出固定装渣时间、连续工作、固定续航里程、返回出发点等基本假设,构建出渣量约束、车次数约束、连贯性约束和续航里程约束等约束条件,并通过实际案例分析,计算正洞和平行导洞在不同掘进里程下的电动出渣车配置需求,分析在不同季节条件下,续航里程变化导致的配置差异。研究结果表明:电动出渣车的续航里程对车辆配置和运行效率有显著影响,增加单车装载量并非是减少车辆需求的最优解,要综合考虑掘进距离和续航里程等多种因素。

隧道掘进机清渣机械臂运动控制

清渣机械臂采用阀控液压缸系统,具有建模不确定性与强非线性特征。为提高清渣机械臂运动的准确性,提出一种轨迹追踪运动控制方法。基于清渣机械臂缩尺试验台模型,根据改进D-H法建立清渣机械臂运动学模型,基于拉格朗日法建立清渣机械臂非线性耦合动力学模型。针对动力学模型的建模不确定性,使用径向基函数神经网络逼近模型中的未知项,神经网络中的权值使用自适应方法进行在线调节。建立清渣机械臂仿真模型进行验证,结果表明,该方法可以确保清渣机械臂轨迹追踪过程具有较小的误差。

弃土基可控性低强度材料静态力学特性及孔隙分布特征

针对大规模的水利水电项目通常需要一定量的土地用于建设水库、水电站等基础设施,导致产生大量的工程弃土,利用开挖弃土制备土基可控性低强度材料,采用数字图像相关技术(digitalimage correlation,DIC)和声发射技术(acoustic emission,AE)监测试件破坏特征以及损伤演化机制,通过压汞法(mercury intrusion porosimetry,MIP)和扫描电镜(scanning electron microscopy,SEM)观察试件内部孔隙分布特征。结果表明,试件受压破坏后呈现完全破碎形态,裂缝在贯穿试件的过程中沿着最初方向持续发展,荷载到达峰值后裂缝发展主要以延伸为主直至破坏,试件内部拉伸破坏和剪切破坏并无明显区别。试件内部孔隙率较高,孔隙较大,整体黏结性较低,部分孔隙有水化产物充填,在加载过程中起连结作用。本研究为科学调控弃土基可控性低强度材料力学性能提供参考。

金矿矿渣遗存点土壤重金属污染评价和来源解析

以海南某金矿矿渣清理后的14件表层土壤为研究对象,分析测定Cu、Pb、Zn、Cr、Ni、Cd、As、Hg等8种重金属元素含量;采用单因子和内梅罗综合指数法、地累积指数法、潜在生态风险指数法,评价矿渣对土壤的污染程度。Spearman分析表明,Cr、Ni、Cu、Pb、Zn、Cd、As等7种重金属具有较强的相关性,来源于矿石;Hg为外源性的重金属。14个点位内梅罗指数均值均达到中重度污染水平,主要贡献因子为Hg、As、Pb、Cd等;地累积结果显示所有点位重金属地质累积指数的均值为3.2,均大于0,表明区域土壤存在重金属累积现象;8种重金属单项地积累指数均值大小顺序为As>Hg>Pb>Cd>Zn>Cr>Cu>Ni;Hg、As、Cd、Pb四元素明显高于其他元素,处于极强危害水平级别。潜在生态结果显示,整体处于极强危害水平,主要贡献因子为Hg、As等。

土压平衡盾构渣土膏体制备与管输特性试验研究

土压平衡盾构掘进效率高、地层适用性强,在城市隧道建设中应用广泛。传统土压平衡盾构一般采用皮带机+电瓶车+门式起重机的出渣方式,容易造成泥水飞溅,工作环境恶劣。稀相管输功耗巨大、后处理繁琐,盾构渣土膏状管输可以实现盾构渣土全过程全封闭输送,并可以简化后期处理程序。分析了典型盾构渣土的基本物性和改良特性,搭建了膏体泵送管输试验装置,进行了环管试验。试验研究发现,盾构渣土试样坍落度在15~25.2cm时呈现膏体状态,坍落度19~25cm的膏体可以泵送,坍落度越大管输阻力损失越小,进一步测得了管输阻力经验模型,并证实了泡沫剂的改良效果。固化试验表明,微风化渣土膏体23h不固结,强风化渣土膏体超过33h不固结,泵送管输系统工程维护时间较充裕。

盾构渣土同步注浆料制备及性能分析

为解决盾构渣土外运和堆放造成的成本和环境污染问题,并实现固废物资源化再利用。利用盾构渣土替代全部砂、稻壳灰(RHA)替代部分水泥,制备管片壁后同步注浆料,并对制备的注浆料进行相关性能分析。试验结果表明:1)稻壳灰(RHA)的掺入对浆液的稠度和凝结时间影响较大,即RHA掺量(质量分数)越高,浆液稠度越小、凝结时间越短。2)当RHA替代率为25%时,稠度降低27.5%,凝结时间缩短31.5%,RHA掺量对浆料强度呈先降低后升高的趋势,浆料28 d强度不低于RHA替代率为0的浆料强度。3)随着渣土粒径增大,浆料稠度和凝结时间降低,但浆料强度提高。经试验确定注浆料配比为:水胶比2.5、RHA掺量25%、渣土粒径2.36~9.5 mm,不仅改善了浆液的稠度(105 mm),还大幅提高了后期强度(3.35 MPa),且浆液各项指标均符合要求,为盾构渣土再利用提供了一种新思路。

盾构余泥用作3种绿化植物种植基质的改良处理及可行性评价

[目的]研究城市固体废弃物盾构余泥的资源化处理方式,为盾构余泥的资源最大化利用和多元化利用提供参考。[方法]将盾构余泥和园林废弃物按不同比例配制成复合基质,通过盆栽试验研究不同基质的pH、容重、孔隙度、阳离子交换量、有效氮、有效磷、速效钾含量等基本理化性质,及各处理的发芽情况,分析不同基质对种子萌发的影响,探究适合用于绿化种植的基质配比。[结果]各改良基质处理下3种植物的综合评价指数不尽相同。熵权TOPSIS集成评价法分析结果显示,T40-5对盐肤木和草决明的综合评价指数最高,T50-3对刺槐的综合评价指数最高。[结论]盐肤木和草决明的最佳基质配方为:40%盾构余泥+40%园林废弃物+8%生物炭+10%膨润土+2%缓释颗粒肥;刺槐的最佳基质配方为:50%盾构余泥+30%园林废弃物+10%生物炭+8%膨润土+2%缓释颗粒肥。

考虑温度效应的盾构刀盘黏附试验及堵塞防治

土压平衡盾构在黏性地层掘进时易产生刀盘结泥饼、堵塞等问题,不仅会导致排渣不畅降低掘进效率,并且频繁的开仓处理会增加工程风险,而掘进会产生大量热量影响土体黏附性。采用自主研发的刀盘旋转黏附试验系统,探究刀盘温度与含水率、黏土含量、黏土类型等因素联合作用下刀盘黏附效果,并分析了泡沫剂、抗黏剂在不同掺入比下堵塞防治效果。研究结果表明:温度升高会使得旋转扭矩与刀盘表面的土体黏附量降低,但会加速黏土硬化;土体含水率、黏土含量对于扭矩影响趋势相反,但对黏附量影响规律相同,随着土体含水率或黏土含量增加,黏附量先增加后降低,含水率在20%、黏土含量在30%时黏附性最强;膨润土比高岭土黏附性更强;土体含水率、黏土含量与黏土类型对于黏附量的影响可以使用稠度指数进行表征,随着稠度增加黏附量会出现先增加后降低的趋势,稠度指数在0.50~0.75时土体黏附性最强,低稠度指数土体对温度敏感性更强;单独添加泡沫剂会降低土体黏附量,但在注入比为70%时,仍存在大量土体黏附;使用泡沫剂+抗黏剂联合改良在注入比为50%时改良效果较好,继续增加注入比对土体改良效果影响较小。研究成果对于评估黏性地层土压平衡盾构掘进堵塞风险与黏性土渣土改良方案选择具有一定的指导意义。

高海拔隧道喷浆出碴过程风速场及粉尘分布规律数值模拟研究

为明确气压等环境参数对粉尘运移的影响,掌握高海拔隧道空间重点产尘工序粉尘质量浓度分布,使用Fluent软件模拟隧道喷浆和出碴阶段风速场和粉尘质量浓度场,分析海拔对隧道空间内风流和粉尘质量浓度波动性的影响。通过曲线拟合风速场和粉尘质量浓度场的沿程分布,建立隧道粉尘质量浓度预测模型。引入风速不均匀度和粉尘质量浓度不均匀度参数,构建海拔与风速、粉尘质量浓度不均匀度的线性回归方程。研究结果表明:1)高海拔地区隧道通风过程中,粉尘运移速度接近风速所用时间相比平原地区较长;低海拔地区风流接近直线沿全断面流出隧道,随着海拔升高,风流覆盖范围逐渐缩小,风流在水平方向逐渐沿S型流出隧道。2)喷浆过程中,距掌子面40 m以内风速较高,40 m以外风速迅速下降,在距掌子面60~180 m均匀波动;隧道整体粉尘质量浓度随海拔上升而发生波动性变化,在距掌子面20~180 m均匀下降,呈近似线性降低。3)出碴过程中,海拔上升,断面平均风速和呼吸面平均粉尘质量浓度值无明显变化,风速不均匀度和粉尘质量浓度不均匀度逐渐呈线性升高;海拔每上升1 000 m,风速不均匀度上升0.156 m^(2)/s^(2),粉尘质量浓度不均匀度上升4.42×10^(-6)kg/m^(3)。

固化渣土材料力学性能试验与微观机理研究

城市地下空间的营造与开发会产生大量的盾构渣土,传统的渣土处理方式对生态环境和资源保护带来重大挑战,将胶凝材料和盾构渣土结合后制备的再生固化充填材料(RSS-ER)可有效地解决这一难题。在确定水固比为0.35前提下,选择矿粉、粉煤灰和硅粉进行不同的正交组合,并开展不同配合比RSS-ER的流动性试验、无侧限抗压强度试验及微观结构试验。研究表明:RSS的流动性可满足一般回填工程中对于充填材料的要求;RSS-ER的无侧限抗压强度与养护时间呈正向关系,且室内常温养护的试件强度高于水下养护的试件;渣土骨架间的孔隙被水化产物C-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶充填,是RSS-ER整体性及强度得以提高的原因。