软硬不均地层对盾构刀盘受力计算方法与分析

盾构掘进软硬不均地层过程中刀盘承受偏载、应力集中等非均布荷载,引起刀盘局部损伤、刀具异常磨损等问题,特别是超大直径刀盘受力不均现象更加显著。针对上述问题,重点考虑软硬不均地层承载力容许值、面积比两个主要特征变量,提出了一种盾构掘进软硬不均地层的刀盘受力计算方法。依托某超大直径盾构隧道工程,利用该方法计算出软硬不均地层对刀盘作用力,结合数值仿真方法进一步得到刀盘整体应力与应变分布规律,进而提出了刀盘过载的刀盘总推力合理值。该计算方法不仅反映了软硬不均地层与刀盘刀具耦合作用特征,而且方便进一步计算刀盘整体应力与应变分布情况,确定刀盘推力,避免刀盘局部受力过大。     

基于蒙特卡罗方法盾构刀盘的结构可靠性分析

盾构刀盘承担开挖土体作用,在整个掘进过程中刀盘工作环境恶劣,受力情况比较复杂,在考虑输入参数(如刀盘载荷、材料属性等)不确定性因素的基础上,对刀盘可靠性进行了研究,研究刀盘在不确定性因素的作用下刀盘结构的可靠性.该文首先通过三维建模软件Pro/E对盾构机刀盘进行建模,然后将模型导入到有限元软件ANSYS中,采用蒙特卡罗有限元方法对刀盘的可靠性进行分析,考察刀盘结构可靠性,确定刀盘的失效概率及影响其失效的显著因素.     

漂石地层不同刀盘型式盾构掘进试验

针对盾构在大粒径、高强度的漂石地层中掘进的难题,本文依托北京地铁16号线榆~宛区间工程实例,通过设置盾构掘进试验段,对比分析了采取不同刀盘形式盾构的掘进参数、掘进效率、刀具磨损等参数,得到了更具适应性的漂石处理方案和盾构选型方案。试验结果表明：1）相比于辐条面板复合式刀盘,采取“以排为主”的漂石处理原则的辐条式刀盘对大粒径漂石地层更具适应性;2）采用辐板辐条复合式刀盘的盾构掘进时刀盘泡沫注入孔更易发生堵塞,综合掘进效率比辐条式刀盘盾构低35%;3）漂石地层的高强度、高磨蚀性漂石对刀具的损害严重,辐条刀盘的边缘撕裂刀、保径刀磨损大,刮刀出现非正常磨损的比例高,复合式刀盘部分滚刀出现刀圈崩裂,刮刀破损严重,泡沫口被严重损坏,降低了施工效率。     

TBM刀盘系统多自由度耦合振动响应灵敏度研究

研究冲击载荷作用下TBM刀盘的振动特性。在已有TBM刀盘系统耦合动力学模型的基础上,运用直接导数法推导动态响应灵敏度的表达式,建立适用于TBM刀盘强迫振动响应的灵敏度分析方法。以辽西北引水工程项目的刀盘系统参数为例,采用协同数值求解方法计算刀盘振动响应及其灵敏度,并分析刀盘质量分布对响应的影响。研究结果表明:刀盘振动响应对分体质量的灵敏度最大,且各方向灵敏度均不为0,说明质量参数的变化会影响刀盘各方向振动,而刀盘支撑刚度仅影响其相关联的振动,刀盘轴向振动响应对轴向支撑刚度的灵敏度约为倾覆方向的2倍;刀盘分体质量分数控制在13%~14%区间时,结构振动最小。     

花岗岩球状风化发育区盾构施工特点分析

花岗岩发育地区球状风化体(俗称"孤石")的分布直接影响城市轨道交通工程的盾构施工。基于华南地区花岗岩球状发育区盾构施工工程案例,分析了在这一特殊地质环境下盾构施工在盾构机选型和盾构推进过程中参数控制相关问题,提出花岗岩球状风化体发育区盾构施工应合理选择盾构机,在孤石地层掘进时应控制掘进速度、刀盘扭矩、盾构机的推力,刀盘的贯入量以及刀盘的转速等施工参数,做到平稳掘进,减少对地层的扰动。     

盾构刀盘扭矩与位移相关性分析

盾构刀盘扭矩是盾构施工参数的重要组成部分。为了明确盾构刀盘扭矩大小,以及扭矩对土体位移的影响,确保盾构隧道施工的高效和安全,以北京地铁14号线工程的现场测试和理论分析建立了扭矩各组成部分的计算模型。采用高频率采集数据的方式,结合现场测试的扭矩和盾构施工引起的土体位移,讨论两者的相关性。研究结果表明:刀盘扭矩由7个部分组成,其中与地层土体情况有关扭矩约占总扭矩的99%,刀盘与土体的摩擦扭矩占总扭矩的65%;定义了与扭矩、距离相关的f值,并得到测点单环位移变化量S与1/f成反比关系,即S与扭矩T成正比,与距离L成反比关系;S与1/f之间的相关性及匹配性较好,刀盘到达测点前S与1/f的相关性要优于刀盘通过测点后;施工时主要考虑刀盘到达前扭矩对土体位移的影响,周围土体主要为粉土的S与1/f的相关性要优于粉细砂。     

基于ADAMS的全断面掘进机刀盘优化设计

针对全断面掘进机刀具布置规律问题,分析了全断面掘进机刀盘的破岩机理,建立了全断面掘进机工作时的刀具受力模型并提出了如何提高刀盘破岩性能的方案.构建了带复杂约束的多变量非线性目标数学模型,并采用智能算法开发了一种针对盾构刀盘上刀具布置规律的优化程序.以EPB6.28型全断面掘进机刀盘为例进行了优化设计,建立了刀盘数字化样机并对其进行了力平衡仿真验证.对两种刀盘在刀具磨损和力平衡性能比较分析,结果表明与原刀盘相比新设计的刀盘具有更加良好的实用性.     

大直径盾构刀盘改造竖井施工技术

以北京地下直径线盾构的刀盘改造竖井施工为例,针对复杂边界条件下大直径盾构刀盘改造异性结构竖井的设计及施工进行探讨,就如何保证竖井结构安全,同时又能合理协调盾构施工进行了实践探索,并给出了可靠的解决措施,取得了成功,为类似工程提供参考借鉴。     

盾构机复合岩土层掘进刀盘弯矩特性分析

针对盾构机在掘进过程中上软下硬的复合地质结构,建立了其刀盘截面圆模型,基于单个切削刀和盘形滚刀的切削机制,建立了复合岩土层掘进时刀盘平面内总弯矩分析模型,分析了与刀盘接触的撑子面内,不同软土面积分数的复合地质条件下,刀盘旋转掘进过程中的弯矩动态特性.结果表明:刀盘平面内2个方向的弯矩与刀盘旋转角分别呈正弦和余弦曲线关系;弯矩波动振幅随撑子面内软土面积分数的增加而降低;当刀盘截面圆内软土面积分数为50%时,其弯矩最大.     

盾构穿越特殊地层掘进施工技术应用分析

针对郑州地铁2号线盾构法掘进施工过程中遇到的大量的姜石和胶结层,造成盾构机掘进迟缓、刀盘易"结饼"、扭矩增大等变化.从盾构机流体部分、电气部分、刀盘及回转接头等方面提出了改良措施,并对改良后的盾构机掘进速度、刀盘扭矩、总推力等参数和之前的数据进行拟合,分析改良效果.由于掘进隧道相邻既有建筑物,在进行路面沉降动态监测的过程中考虑了遮拦效应的影响,以保证施工的准确及安全性.这些改良措施提高了土体的流塑性,保证了土压平衡的建立,土体进入及排出土舱速度得到有效缓解,有效降低了刀盘的扭矩,而且刀盘扭矩的变化幅度也逐渐趋于平缓,避免了刀盘扭矩过大超过额定扭矩及刀盘"结饼"等现象.     

基于计算流体动力学的盾构刀盘开挖面土体分析

针对土压平衡盾构掘进过程中土体、刀盘及土舱控制等复杂的耦合作用关系,利用经改良的切削渣土的"塑性流变状态",建立了包括土体、刀盘、土舱和螺旋输送机在内的CFD模型,研究了刀盘开口率和埋深等因素对刀盘开挖面土体压力及速度分布规律的影响.建立了土体压力及其速度分布的拟合数学模型,揭示了刀盘拓扑结构特征对掘进过程的重要影响.利用实际工程掘进数据对比验证了CFD模型计算结果的正确性与方法的可行性,可对高效、稳定掘进的刀盘拓扑结构的优化设计提供分析支持.     

基于滚刀复合破岩物理实验的盾构刀间距设计

刀具布置是盾构刀盘设计中的重要组成部分,直接影响到掘进的切削效果、出土状况和掘进速度。针对不同地质条件下,为满足盾构地质适应性,实现高效破岩。采用盾构刀具破岩机理实验台,对工程样岩开展不同刀间距破岩实验,分析破损岩渣质量,探究不同地质条件下的最佳破岩刀间距。并与经验数据进行对比,结果表明：合理的刀间距能够提高破岩效率、减少刀具损耗,有效降低刀具成本,为不同地质条件下开展其他盾构工程进行刀间距设计提供了一种可行的方法。     

基于刚体动力学-离散元耦合数值方法的复合地层盾构滚刀响应

随着盾构机制造技术的不断进步,隧道工程中使用盾构机的情况愈加普遍。滚刀作为一种优异的掘进刀具,在复合地层盾构机中普遍应用。滚刀在使用过程中处于动态滚动状态,离散多元化的岩土体将导致滚刀的动态状态呈现异常状态,从而导致滚刀和岩土体接触面间存在较大的相对滑动速率。在以往的离散元滚刀模拟中,研究者将滚刀设定为固定转速而未实现滚刀的动态滚动过程。本文使用刚体动力学（RBD）-离散元（DEM）耦合的数值模拟方法,实现了在数值模拟中的滚刀动态被动转动,进一步贴近工程实际。本文以强风化岩为破岩对象,模拟分析了不同贯入度、不同运动速度下的滚刀的动态运动过程。基于本文的初步研究分析发现：滚刀存在最优贯入度区间,低于该区间时滚刀不能进入动态转动状态,大于该区间时改善效果不明显且增大滚刀受力;滚刀启动时受到的扭矩先随滚刀运动而升高,到达某一峰值点附近后开始下降,随后在零值附近波动;滚刀启动峰值扭矩和运动速度正相关;滚刀达到峰值扭矩的时间和运动速度负相关。本文的研究手段可为相关研究者提供参考,本文的研究结果可为盾构刀盘刀具设计及盾构机的操作提供参考。     

近距离斜穿车站富水圆砾地层盾构换刀技术及刀具磨损分析

开仓换刀作业是盾构隧道施工中不可避免的技术难题之一,现以南宁市轨道交通5号线新—广区间盾构隧道工程为背景,针对盾构机在富水圆砾、泥岩复合地层中长距离掘进后连续穿越3道地连墙的工程特点,总结刀盘优化布局方案,详细介绍适用于该地层条件下的素桩加固辅以降水作业的换刀方案,并对换刀前后盾构掘进过程中产生的刀具磨损进行测量、分析,揭示了盾构在复合地层中掘进以及直接切削地连墙造成的刀具磨损规律,提出了盾构切削桩基时的合理换刀距离,为后续施工及类似工程提供一定的指导和借鉴。     

盾构机反交错双螺旋线刀具布置形式的研究

总结了盾构机刀盘上刀具布置的基本原则和一般方案,提出了根据最优刀间距和相邻刀具相位差求解一般双螺旋线系数的方法;在此基础上提出了形式完全不同的反交错双螺旋线布置形式,并以狮子洋盾构隧道工程的使用案例对该布置形式进行了详细论述;分析了刀盘正反转情况下不同的破岩次序和破岩效率;以狮子洋隧道工程的实际统计数据为据,发现布置在螺旋线交错处的刀具存在局部磨损突出的现象.刀具反交错螺线型布置使得刀盘在逆时针旋转条件下的破岩效率提高,但刀具磨损快且差异性大.     

盾构切削复合地基对既有房屋的影响

为了探究整个切桩过程房屋沉降分布特征及变化规律,并为今后越来越多的类似工程的理论分析、设计计算和施工参数调整提供依据,依托郑州地铁5号线隧道工程,对盾构切群桩复合地基全过程中的房屋沉降数据和施工参数进行了分析,并给出了相应变形控制措施与建议.研究表明,在距离开始切桩位置约3.9倍隧道外径,以及盾尾脱离复合地基加固后约5...     

基于复杂地质岩机作用的多维度隧道掘进机适应性评价方法

为了解决高强度高磨蚀硬岩地层TBM掘进“低效高耗”、断层破碎带地层“刀盘受困”、高地应力挤压性地层“护盾被卡”等隧道施工难题,基于TBM滚刀、刀盘、护盾与隧道围岩的相互作用,通过多个TBM法隧道工程数据统计分析,揭示了滚刀贯入度指数与岩体特性指标、滚刀破碎体积磨损速率与岩体特性指标、TBM设备利用率与断层宽度、围岩相对变形量与强度应力比的函数关系,建立了基于滚刀可掘性和耐磨性、刀盘受困和护盾被卡风险的多维度TBM适应性评价方法,为复杂地质隧道修建TBM工法选择、装备设计及施工难题的解决提供了量化依据。     

复合地层双模盾构与复合盾构刀具磨损对比

软硬交替复合地层中可采用双模盾构和复合式盾构进行掘进施工。然而目前针对双模盾构和复合盾构在软硬交替地层中的适应性缺乏清晰明确的现场掘进数据进行对比验证，特别是施工参数和刀具磨损方面。本文基于深圳地铁12号线相似地层的三个相邻盾构区间工程，对比不同盾构机的盾构掘进施工参数、刀具服役情况及岩渣形态，分析刀具磨损的原因及特征，并进一步对比在长距离软硬交叠地层下EPB/TBM双模盾构和复合EPB盾构的掘进效能。结果表明：（1）双模盾构TBM模式在岩质地层中的推进速度可达到双模盾构EPB模式的2倍及复合EPB盾构的3倍。受土仓压力和刀盘转速影响，刀盘推力和扭矩差异较大的双模EPB模式和复合EPB盾构更易造成刀具异常磨损。（2）双模盾构TBM模式滚刀磨损速度更低，其刀具寿命是双模盾构EPB模式和复合EPB盾构的3~5倍，换刀时间占比约为后两者的1/2~3/8，EPB/TBM双模盾构总体掘进效能优于复合EPB盾构。（3）双模盾构TBM模式的岩渣中岩片更多且形状细长而扁平，在岩石地层中EPB/TBM双模盾构掘进效率优于复合EPB盾构。