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。

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。

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。

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。

大直径盾构隧道弧形件预制拼装技术与智能化安装机应用

为解决传统盾构隧道弧形件(口子件)在拼装施工中存在的拼装工艺不先进、拼装精度差、装备智能化程度低、施工进度慢等技术难题,通过引进装备设计和智能化控制理念,采用弧形构件内部穿行式设计思路,结合毫米级负载敏感液压系统和亚毫米级位姿测量系统,研制出一台可实现弧形件一键智能化拼装的穿行式弧形件智能安装机。该装备具有精调数据测量系统、自动检测与感知、自动运算与分析处理、自动决策与动作执行、人机交互与信息储存等智能化控制技术,在上海轨道交通市域线机场联络线JCXSG-11标工程首次应用,取得了良好的拼装效果。结果表明:1)安装机液压系统控制精度达到0.5 mm,弧形件拼装精度达到±5 mm,实现了高精度拼装;2)安装机通过智能化控制技术,实现了一键式操作,每循环工作耗时32 min,施工效率提高30%以上,节省人工50%以上;3)穿行式弧形件智能安装机工作性能稳定可靠,可实现运行状态、控制方式、传感器数据、液压油缸行程数据、通信状态等参数的记录与储存,实现人机交互。

软岩大变形隧道马蹄形掘进机研发设想与展望

基于国内外大量高地应力软岩隧道工程案例和理论研究,分析掘进机在软岩地层施工的难点,对掘进机进行有针对性的研发设计,提出基于“应力释放”设计理念的“软马”掘进机和“半马”掘进机,以及基于“及时支护”理念的“外马”掘进机。结合掘进机开挖、支护、衬砌同步施工的特点,探索马蹄形掘进机关键技术及施工方案,吸收国内外软岩大变形地质隧道的施工经验,将先导螺旋开挖装置、拱架外置、盾体变径等技术应用于马蹄形掘进机的设计,预期可解决软岩大变形隧道施工中的问题。最后对全域软岩地质施工装备进行研发展望,概述基于“多地质适应性”理念的多功能、多模式马蹄形隧道掘进机等,以期对软岩大变形地质条件下掘进机工法建造隧道提供新的解决方案和思路。

复合地层小直径盾构刀具切削过程仿真及参数优化

基于ABAQUS有限元软件,以厦门地铁四号线滨海复合地层为依托,建立切刀切土、滚刀破岩过程仿真模型,对盾构刀具切削过程进行动态分析。通过对比、筛选切削力的影响因素,进行切刀、滚刀的多参数正交试验,获取不同因素的主次影响程度,进而得出优选刀具结构参数。研究结果表明,基于CEL法的切削仿真模型更符合实际的土体切削过程;刀具参数的最优组合为刀刃宽1 mm、刀刃角20°、刀刃圆弧半径为0.5 mm。

一种适用于大直径盾构机自进式整体过站的施工技术

以广州某标段大直径盾构设备整体过站为背景,研究一种适用于大直径盾构设备自进式整体过站的施工技术。从特殊环境以及现有技术的弊端进行了对比,设计研究了盾构机过站托架的设计、托架与反力架的安装、抬升千斤顶的安装、托架滑行轨道的制作、盾构机及托架自进式过站技术。结果表明:该技术妥善解决了大直径盾构设备快速经济的整体过站问题,避免了大直径盾构分体式过站及传统的方式整体过站存在的一系列弊端,确保了盾构机安全、快速、经济的整体过站,大大缩短盾构施工工期。同时,该技术获得了业主及业内人士的高度评价,综合效益显著,也为类似地铁施工提供了借鉴和参考。

超大直径泥水盾构机刀盘冲刷软管破裂后处理方法研究

随着城市内建设的穿江越海隧道增多,超大直径泥水盾构机应用数量也越来越多,超大直径泥水盾构机往往配备具备常压刀具更换以及刀盘面板和滚刀刀具冲刷的功能,无论是常压刀具的检查和更换,还是刀盘面板和常压滚刀冲刷管路的设计,均连通开挖仓,使其产生一定的施工风险。盾构机设计时,往往重点关注常压刀具更换的安全和高效性,对刀盘面板和常压滚刀冲刷管路的布置和材料选择上较为忽视。本文针对南京某过江通道项目刀盘常压滚刀冲刷软管破裂,导致开挖仓泥浆泄露灌满中心锥后的处理方法进行研究。

小直径超长距离天然气管道隧道建设若干关键技术要点

以崇明岛—长兴岛—浦东新区5号沟LNG站管道工程为背景,分析了小直径超长距离天然气管道隧道难点及建设意义,介绍了天然气管道隧道中盾构机选型及针对性配置、管片快速接头、隧道安全高效施工、通风及焊接烟尘处理、管道防腐及应力分析、管道变形监测及预警、隧道充排水等若干关键技术要点。

大直径泥水盾构泥浆高效处理技术及应用

在大直径泥水盾构施工中,泥浆处理是至关重要的一环,主要目的是实现泥水与渣土的高效分离,同时维持泥浆指标稳定并满足泥水环流系统高效运转的需求。随着盾构直径的增大、掘进效率的提升,泥浆处理难度越来越大。北京东六环改造工程项目首次采用16m级超大直径泥水盾构,为解决泥浆高效处理难题,通过理论计算与应用经验相结合,设计了高效的制调浆系统、泥水分离系统和废浆处理系统,实现了3000m^(3)/h泥浆处理工效目标。

大直径盾构隧道掘进施工技术

进入21世纪,我国土地资源变得更加紧张,对环境的要求也更加严格。因此,避免大规模拆迁和改造,减少建设和运营期对周围居民造成的影响,不仅是投资和工期控制的需要,更是城市高质量发展的需要。在此背景下,地下隧道特别是大断面隧道在基建中的优越性日益凸显。同时,伴随着我国大型盾构穿越江、河、湖、海等重大工程的成功实施,大直径盾构隧道具有良好的应用前景。

浅埋小直径盾构上跨既有地铁线施工技术

近年来随着市政工程的大规模建设,新建地下工程不可避免将与其他既有地下工程交叉,如何确保在建和既有地下工程的安全是重难点。文章以昆明电力隧道为依托,通过对小直径盾构小间距上跨既有运营地铁线,同时浅埋下穿繁忙市政道路展开施工技术研究。

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。

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。