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。

大直径盾构小半径曲线掘进施工工艺技术研究

以广州琶洲支线项目盾构500m小半径曲线施工为例,对大直径泥水盾构小半径曲线隧道施工中的大盾构针对性改造、掘进轴线控制、管片姿态控制、地表沉降控制等技术难题进行研究,通过同步双液注浆、保持合适的掘进姿态,并使用深层位移监测手段对盾构掘进影响进行研究,归纳整理出相应的解决措施,保证了盾构施工质量。

复合常压刀盘掘进措施应用研究

文章结合广州海珠湾隧道工程超大直径泥水平衡盾构机掘进实例,分析了复合常压刀盘在复杂红层地质的工程难点及应对措施,重点分析了刀盘结泥饼、滞排、排浆泵及采石箱堵塞,以及刀具磨损严重等问题产生的原因,对出现的问题提出相应解决措施并讨论了其应用效果,为后续在类似典型地层中的盾构施工提供参考和借鉴。

超大直径盾构推进引起周围土体变形和土水压力变化分析

本文以上海市中环线上中路越江隧道Φ14．87m超大直径隧道工程为背景,阐述了超大直径气压平衡泥水盾构推进施工过程中,不同施工工况条件下周围土体的土压力、水压力和土体位移等参数的变化过程,分析了超大直径泥水盾构在软土地区施工时,盾构施工对周围土体的影响规律,给出了不同断面上土体的沉降历时曲线,为今后同类工程施工提供了有益的借鉴。

超大直径泥水平衡盾构始发施工风险监控技术研究

利用盾构法施工超大直径隧道时盾构始发与到达环节是事故高发期,由此引发的工程事故屡见不鲜。为了最大程度降低盾构始发施工过程中的风险,提出盾构始发施工风险实时监控技术。该技术结合原位监测、工况实时记录、专家系统对盾构始发各关键工序进行实时监控,根据原位监测数据分析、盾构始发各工序衔接、工期等,综合评估各工序可能存在的潜在风险,可实时远程自动预警,并通过专家系统案例分析提出相应的风险解决方案。该技术在上海长江西路隧道工程中进行应用,取得比较理想的结果。

基于大直径盾构隧道扩挖地铁车站关键技术研究

采用大直径盾构建造地铁单洞双线区间,并在盾构隧道基础上小规模扩挖形成车站是解决复杂环境下地铁建设的一种新思路。以北京地铁14号线大直径盾构扩挖地铁车站作为工程背景,详细讨论了大直径盾构穿越车站的方案和技术措施,首次提出了"盾构先行通过,后施工风道结构"的盾构通过风道模式,突破了"先形成风道结构,盾构再通过"的常规模式,成功解决了隧道和车站施工相互制约的矛盾;创造了"利用大直径盾构隧道作为施工通道和作业平台进行车站扩挖"的方法,并在高家园站成功应用,为地面占地困难的地铁车站施工提供了解决方法;根据大直径盾构隧道扩挖车站施工阶段关键工况的分析,对扩挖方案及管片拆除方法进行了优化;创造了一种用于对扩挖阶段的盾构隧道管片进行拆除的方法,并对盾构隧道内的临时支撑设置进行了优化。工程实践表明:在扩挖施工过程中结构自身风险及周边环境风险均得到有效控制。

基于大直径盾构建造地铁工程的方案及工程应用研究

随着地铁工程外部环境及工程自身赋存环境的日趋复杂,常规的地铁施工方案实施难度及风险很大。文章依托北京地铁14号线工程实例,提出了基于大直径盾构建造地铁工程的方案,即:区间隧道采用大直径盾构(直径为10.2 m)连续掘进,一次贯通地铁区间和车站,形成单洞双线隧道;车站依托单洞双线隧道扩挖形成。并详细讨论了大直径盾构隧道结构形式、隧道掘进方案、基于盾构隧道扩挖车站方案、关键节点设计、车站扩挖施工关键技术。工程实践表明,在施工过程中结构自身风险及周边环境风险均得到有效控制。采用大直径盾构建造地铁单洞双线区间隧道并在盾构隧道基础上扩挖形成车站是解决复杂环境下地铁建设的一种新思路,可以有效地解决盾构区间施工与车站施工的矛盾。

超大直径盾构机进洞后原位调头及平移方法

该文介绍了超大直径盾构机进洞后,在工作井内原地调头及平移后重新恢复掘进的施工方法。与常规的盾构机进洞后解体、吊装、再拼装的方法不同,该文以实际工程为例,给出了超大直径盾构机在工作井内原位调头的施工步骤及实现的思路。该方法经工程实践,明显缩短了工期,减少了工程费用,对今后越来越多的超大直径盾构机完成一次掘进后转场进行二次推进具有较高的借鉴意义。

基于XGBoost算法的大直径穿黄隧道施工期管片上浮研究

为解决大直径盾构隧道面临的施工期盾尾管片上浮问题。针对济南黄河隧道项目,提出了基于XGBoost算法的大直径泥水平衡盾构隧道施工期管片上浮计算框架。通过采用主成分分析法将地层参数降维,采用R-relief F算法对管片上浮的影响因素进行特征提取及数据预处理工作,从而建立用于管片上浮分析的数据集。进而使用XGBoost算法对大直径隧道管片上浮进行计算,并与随机森林算法预测结果进行了对比。结果表明本文所采用的计算框架得到的结果能较好地反映隧道管片施工期的上浮特征,同时发现XGBoost算法对于管片上浮过程的预测效果比随机森林更好。研究成果对于大直径隧道施工过程中的管片变形预测及控制有较好的指导意义。

大直径泥水平衡盾构机12‰下坡隧道双机同井洞内始发控制技术

通过广深港客运专线深圳至香港连接隧道深港隧道12‰下坡段2台9.96m泥水平衡盾构机,在皇岗公园工作井先后同井始发的施工实例,从盾构机的吊装与井下组装、洞内长距离空推、反力墙的设计及优化等方面进行重点阐述,采用Midas空间有限元软件对3600kN龙门吊基础受力和变形进行检算,采用Ansys空间有限元程序对混凝土反力架进行空间分析和优化计算,解决了2台大直径泥水平衡盾构机在12‰下坡隧道双机同井洞内始发难题,为类似工程提供借鉴。

超大直径泥水平衡盾构机施工造价测算方法

以典型水下盾构施工费用为依据,结合施工工序和现有?11.0 m级和?15.5 m级盾构机掘进费用定额,同时考虑盾构机在不同地层中掘进的材料消耗量,测算了超大直径泥水平衡盾构机的掘进费用。考虑影响盾构机折旧的主要因素,采用双倍余额递减数学模型,提出了一种超大直径泥水平衡盾构机加速折旧的计算方法。修正现有的泥浆处理定额,针对掘进费用、盾构折旧费用、泥浆处理费用,提出?18 m级超大直径泥水平衡盾构机施工造价的测算公式,弥补了现行标准的不足。

某超大直径盾构工程勘察重难点分析及对策措施

超大直径盾构隧道技术正在向大深度、大断面、长距离的方向发展。由于隧道断面尺寸大、隧道埋深起伏大,工程地质条件、水文地质条件复杂,会面临复杂的岩土工程问题。以北京东六环改造隧道工程为依托,总结了该大直径盾构工程具有勘察等级高、工程地质水文地质复杂、超深基坑支护及地下水控制难度大等特点,针对勘察重难点采取了标准贯入原位测试,颗粒分析、静止侧压力系数、基床系数等室内物理力学试验查明了场地土层的物理力学性质;进行了水文地质专项勘察,分层观测地下水位、黏性土层孔隙水压力测试、抽水试验及注水试验等提供水文地质参数,为超大直径盾构机选型、刀盘、刀具配置,超大盾构掘进过程中各种施工参数匹配、盾构井支护设计以及地下水控制方案设计提供依据,供同类工程借鉴。

超大直径盾构机原地转场技术经济分析

上中路隧道是国内首条采用超大直径(14.87 m)盾构机施工掘进的双管双层隧道,在完成了第一条隧道掘进施工进洞后,采用了工作井内盾构机原地调头的方案进行第二条隧道的掘进施工。针对超大直径盾构机原地转场的方案,将其与常规的盾构机进洞后解体吊装、再拼装的方案进行技术经济分析对比,证明原地转场方案在技术和经济方面的优势。

电力盾构隧道端头加固范围计算及始发模拟

为了保证顺于路电力隧道盾构始发和到达的安全,采用弹性薄板均匀荷载模型、理想整体滑移失稳模型及土体扰动平衡理论对顺于路电力隧道端头加固范围进行了理论计算,始发端设计纵向加固长度小于理论值。为了验算设计加固范围下的安全性进行了始发模拟,考虑打开洞门、盾构到达加固体端部以及盾尾离开加固区3个工况,各项安全指标均在允许范围内,始发安全,设计范围合适。

超大直径土压盾构刀盘载荷工况分析与结构优化

刀盘作为盾构机中的关键部件之一,不仅能起到挖掘土体的作用,同时还具有稳定掌子面和搅拌渣土的功能,其性能的优劣直接决定着盾构能否正常施工。为了超大直径盾构刀盘能在大推力、大扭矩及复杂地质的掘进环境下具有足够的结构强度和刚性,对刀盘的工作载荷工况和结构形式进行分析研究。以φ14.95 m的刀盘为例,通过ANSYS有限元软件分析刀盘副梁在相同载荷工况下竖板式结构和箱式结构的特性,并在箱式副梁刀盘本体与牛腿连接处加设加强肋后计算刀盘在均载工况、上软下硬工况及脱困工况下的变形和受力情况。研究表明:对于超大型土压盾构刀盘,箱式结构副梁的结构性能优于竖板式的,相同载荷下刀盘的最大应力值减小48.2%,总变形量减小26.4%;在牛腿与盘体焊接部位加设加强肋可以提高刀盘的整体结构强度和刚度,加设后刀盘最大应力减小6.4%,总变形量减小9.7%;刀盘在上软下硬工况下变形最大,脱困工况下局部应力最大。

超大直径泥水盾构环流冲刷系统改造分析

通过对直径14.93m的水泥平衡盾构机进行盾构机刀盘盘面的冲刷系统、盾构机气泡舱内冲刷系统、盾构机开挖舱内冲刷系统三方面的设计和改造,利用SolidWorks管路仿真分析,优化超大直径泥水盾构冲刷系统,提高泥水盾构冲刷系统的可靠性,使该盾构机满足扬州瘦西湖隧道工程项目中软岩粘土地层施工相应的技术参数要求。

超大直径泥水盾构到达施工技术

超大盾构的到达施工作为盾构施工的重要环节,工艺复杂,风险巨大。以南京长江隧道为例,阐述洞前水泥搅拌桩加固、降水、冷冻及工作井内灌水(土)等综合施工措施,成功实施了浅覆盖、强透水地层条件下大直径泥水盾构机的接收,可为类似工程提供借鉴。

基于机器深度学习算法的城际铁路大直径盾构施工地表沉降预测

依托河南新郑机场至郑州南站城际铁路大直径盾构隧道施工实践,应用提出的遗传算法优化BP神经网络模型的机器深度学习算法,研究大直径盾构隧道施工中地表沉降预测规律。在盾构隧道中心线地表选取76个监测点,获取地表最大沉降数据,以前30组数据为训练数据组,对后46个测点地表最大沉降进行动态预测,并和实测值进行比较。结果表明,在46个地表最大沉降预测结果中有38个点的误差绝对值小于2 mm。应用后验差法评价动态预测结果,获得了小误差概率P值为0.87,后验差比值C值为0.59,说明提出的机器深度学习算法能够较好地实现对盾构隧道地表沉降的动态预测。

S259号泥水平衡盾构机改造

介绍中铁隧道股份有限公司曾用于重庆主城过江排水隧道掘进的德国海瑞克公司生产的S259号泥水平衡盾构机,改造为用于成都地铁Ⅰ号线一期工程4标试验段隧道工程的同类型盾构机的实例,改造工作仍由海瑞克公司完成。该例盾构改造的性质为同类机型的直径缩小改造。

地铁大直径盾构隧道管片结构设计计算研究

管片是盾构法隧道的重要组成构件,是控制隧道工程造价和隧道结构安全的重要因素。目前,内径6 m地铁盾构隧道管片在国内比较少见,本文简要介绍了该种管片的厚度、宽度、分块等结构参数、结构计算模型及计算方法,并以深圳地铁11号线某盾构区间为例,进行了数值模拟分析研究。结果表明:大直径盾构隧道管片的受力行为与常用的普通直径盾构隧道管片类似,结构配筋主要由裂缝控制,管片的某些特殊部位应加强配筋,已达到防止管片开裂的目的。