富水砂卵石地层大直径盾构刀具的磨损与适应性

以北京地下直径线盾构隧道试验段工程为依托,基于现场实测数据,系统分析了富水砂卵石地层大,直径盾构施工刀具的磨损规律及磨损原因,并对不同类型盾构刀具在该地层条件下的适应性进行了研究.结果表明:地层中卵石和砂的含量变化明显且存在强度很高的胶结物是刀具产生严重磨损的主要原因;单刃滚刀除有一小部分偏磨损坏外,其余均未出现严重磨损,更换较少,对该地层具有较好的适应性;重型撕裂刀在短距离掘进后即发生刀头脱落的情况,对该地层的适应性差;正常掘进过程中,外周边滚刀掘进距离约为120 m,刀盘中间部分的滚刀掘进距离约为230 m,可据此数据确定合理的刀具检查及更换距离.盾构隧道试验段研究成果可为本工程后续施工起到重要的指导作用.     

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。     

粉细砂-砾岩复合地层条件下大直径越江盾构刀具磨损

为了确保大直径泥水盾构下穿江底复合地层安全顺利施工掘进,对于刀盘刀具磨损的预测和监测至关重要。本文以武汉地铁8号线黄浦路站～徐家棚站越江盾构隧道工程为背景,结合现场调研与磨损数据分析,首先根据不同地层中的刀具磨损特点进行磨损情况分类,并从地质、施工等角度对磨损原因进行了归纳,将整个越江过程中的刀具磨损分为8类,并认为滚刀非正常磨损主要由三大主要原因构成；然后基于磨损系数,对不同刀具在不同地层以及不同位置的适应性进行了分析。结果表明：(1)在复合地层中刀具磨损大小排序为撕裂刀>滚刀>刮刀>齿刀,且刮刀对硬质中胶结砾岩适应性较差,对强风化以及弱胶结砾岩适用性优于其他刀具。(2)中胶结砾岩的存在会加剧磨损,且会给大直径盾构边缘刀具带来更大的磨损影响,而强风化砾岩和弱胶结砾岩则对磨损变化影响不大。     

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。     

泥水盾构刀具失效分析及应对措施

盾构施工过程中刀具失效较为常见,本文以穿黄隧道泥水盾构施工为研究案例,对泥水盾构在卵砾石地层掘进过程中,各类刀具的失效情况进行归纳总结,结果表明:滚刀失效形式主要以磨损为主,主要有均匀磨损、弦磨和刃偏磨三种形式;刮刀主要有磨损、刀刃崩断、刀刃脱落三种失效形式。针对泥水盾构刀具失效情况,从刀具选型、刀具结构改进和盾构施工参数等方面提出了增加刀具可靠性的处理措施,泥水盾构刀具的失效情况得到显著改善,为后续施工及类似工程提供一定的参考价值。     

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。     

北京铁路地下直径线泥水盾构刀盘、刀具适应性分析

结合北京站至北京西站地下直径线工程实例,通过不同盾构刀盘刀具配置在砂卵石下的应用对比,重点对工程刀盘刀具改造前后对地层的适应性进行了详细的对比分析,提出了砂卵石条件下刀盘刀具配置应注意的关键问题,对类似工程有借鉴作用。     

长距离盾构隧道掘进的主要问题及发展趋势

对盾构隧道工程区间施工距离变化的现状进行梳理,基于4个典型的长距离盾构隧道工程实例,对盾构隧道长距离掘进中出现的刀盘刀具磨损、盾尾密封系统失效、管路磨损、复杂地层盾构开舱、地下对接等问题以及其主要技术原理、技术流程、适用范围及优缺点进行归纳总结,并对我国智能化快速施工技术发展进行了展望。     

兰州地铁富水砂卵石地层土压平衡盾构施工关键技术

兰州地铁盾构掘进施工穿越富水砂卵石地层对盾构掘进施工产生不利影响,在具体施工过程中容易造成刀具磨损程度高、刀盘及螺旋机容易卡死、土仓渣土极易板结、地表沉降控制难度大等难题,不仅对项目产生较大的经济损失,而且还严重影响工期进度,处理不当时极有可能对周边环境产生较大影响,造成严重的后果和不良社会影响,通过借鉴成都地铁施工经验和相关文献,结合兰州地铁施工具体情况,不断优化盾构掘进参数,将施工影响降低到安全警戒范围之内,通过总结,提出富水砂卵石地层盾构掘进参数控制参考值,希望能对此类地质情况下土压平衡盾构施工有所帮助。     

基于刀盘扭转能量的土压平衡盾构刀具磨损分析

在卵石和中风化泥岩中掘进时,土压平衡盾构面临严重的刀具磨损.为合理组织换刀工作,需预计刀具的磨损情况.通过分析成都地铁20个盾构区间的部分掘进数据,以刀盘扭转能量作为刀具磨损模型的输入参数,对换刀数目与刀盘扭转能量的关系进行了拟合.在此基础上,增加泡沫添加剂体积,建立双参数预测模型,进一步优化刀具磨损的预测精度.结果表明:换刀数目与刀盘扭转能量正相关,与泡沫添加剂体积负相关;换刀数目与双参数间的回归关系具有统计显著性;卵石和中风化泥岩地层中的换刀数目都较好地符合双参数预测模型但不同地层中的拟合参数有所差异.双参数刀具磨损模型的预测精度显著优于基于掘进距离的单参数模型和JTS模型.     

基于Elman神经网络的盾构滚刀磨损预测方法研究

为了解决盾构在复合地质掘进时滚刀磨损检测的难题,提出一种采用Elman神经网络预测盾构滚刀磨损状况的方法。利用滚刀换刀后正常磨损阶段的盾构掘进参数数据,建立Elman神经网络预测模型,根据依此模型得到的预测掘进速度与实际掘进速度的偏差来预测滚刀的磨损状况。文中分析了滚刀磨损影响因素,确定了Elman神经网络预测模型结构,给出了滚刀磨损判断依据。结合广州地铁五号线草淘区间左线盾构工程项目研究表明,预测结果与实际换刀情况相符。该方法建模简单,模型有效且适应性强,研究结论可为类似地质条件下的盾构滚刀磨损检测和更换提供有益的指导。     

盾构滚刀磨损的多元非线性回归预测

为了解决硬岩地层盾构滚刀的磨损检测问题,提出了一种基于多元非线性回归预测模型预测滚刀磨损的方法.利用滚刀正常磨损阶段的盾构掘进参数数据建立回归预测模型,根据依此模型预测的掘进速度与实际掘进速度偏差来预测滚刀的磨损状况.结合盾构工程项目研究结果表明:预测模型是正确的,预测结果与实际换刀情况是相符的,预测方法是有效的.研究结论可为类似地质条件下的盾构滚刀磨损检测和更换提供有益的指导.     

Peck公式在砂卵石地层盾构隧道施工地表沉降预测中的应用研究

基于乌鲁木齐砂卵石地层地铁隧道现场监测数据,采用回归分析方法对典型断面地表沉降进行分析,得到适用于砂卵石地层的Peck公式,并进行了现场数据验证.研究成果表明得到的peck公式能够有效预测砂卵石地层盾构施工地表沉降,具有工程指导意义.     

砂卵石地层盾构隧道掌子面稳定性理论分析

盾构隧道穿越砂卵石地层掘进施工时,由于砂卵石的地层特性及施工扰动,隧道掌子面容易失稳而引发事故。为研究砂卵石地层盾构隧道掌子面稳定所需的最小支护力,结合砂卵石地层的掌子面失稳模式,在三维Murayama模型的基础上,将掌子面前方土体的滑动面形式假设为对数螺旋滑移线,结合上部松动区域的破坏机制,引入椭球体放矿理论,对传统的棱柱体筒仓模型进行改进,进一步通过极限平衡法推导出砂卵石地层的掌子面极限支护力求解公式;最后通过离散元数值模拟验证所推公式,两者的误差为3.1%。结果表明所得公式可对砂卵石地层的掌子面极限支护力进行较为精确的求解。研究成果以期为砂卵石地层掌子面极限支护力计算理论提供依据。     

漂石地层土压平衡盾构刀具磨损特性

漂石地层是典型的非均质土层，具有强度高、磨蚀性强的特点，盾构在漂石地层中掘进时刀具磨损十分严重。本文以北京地铁16号线榆树庄站~宛平城站盾构工程为背景，研究盾构在漂石地层掘进的刀具磨损规律，得出以下结论：1）撕裂刀的磨损量随轨迹半径的增大而增大，刀盘大圆环附近的撕裂刀由于刀盘开口的减小，其平均磨损量远高于相邻轨迹上的刀具；2）由于大粒径漂石的碰撞作用，约有55%的刮刀出现合金块破损，刀盘大圆环附近所有刮刀均出现合金块破损的现象；3）不同轨迹上刮刀的平均磨损量变化趋势与出现合金块磕破的刮刀占比的变化趋势一致。本研究成果可为类似地层条件下的刀盘结构选择、刀具布置提供参考。     

浅覆土盾构隧道施工引起地表沉降规律研究

为研究浅埋大直径土压平衡盾构施工穿越砂卵石地层造成的地表沉降规律,以北京新机场线9m直径土压平衡盾构隧道为背景,对10m、12m、13m、15m四种覆土厚度下的地表最大沉降、沉降槽宽度、地层损失率进行了对比分析,并用Peck公式进行拟合。分析结果表明：相同施工参数下,隧道上方地表最大沉降和地层损失率随覆土厚度增加而减小且成拱覆土厚度附近存在变化速率的突然改变;深埋隧道测点沉降稳定时间较短,约为2天,浅埋隧道时间较长,约为4天;实测沉降槽宽度及沉降槽拟合曲线的宽度系数与隧道覆土厚度相关性不明显,实测沉降槽宽度约为隧道中线两侧1.5D范围(D为开挖直径);实测地层损失率与通过Peck公式反算的地层损失率都随隧道覆土厚度增大而减小。     

全断面岩石掘进机盘形滚刀刃破岩点弧长的解析解及应用研究

我国秦岭隧道出口TBM施工工程实践表明,TBM刀具的检查、更换和刀盘维修时间约占施工时间的1/3,TBM刀具费用约占工程建设费用的1/3,其中刀刃磨损数量约占刀具消耗量的80%,因此,进行全断面岩石掘进机平面刀盘上刀具磨损研究具有非常重要的意义.文中在分析TBM刀具位移的基础上,给出了其刀盘上盘形滚刀破岩点弧长的解析表达式、弧长磨损系数的概念及计算方法,并用弧长磨损系数预测了秦岭隧道出口TBM掘进5621m的刀具磨损量并与实际磨损量进行了对比分析.从而为盘形滚刀在刀盘上的布置规律、盘形滚刀的理论研究、设计制造和正确使用,减小盘形滚刀磨损量,提高盘形滚刀寿命,提出了有价值的参考.     

长沙典型地层土压平衡盾构掘进参数及表现预测

为对长沙典型地层土压平衡盾构的掘进表现进行预测,基于实际工程采集的砾岩、砂卵石和泥岩地层盾构施工记录数据,对主要施工参数在3类地层中的分布及变化特征进行统计分析。研究贯入度、场切入指数和掘进比能三者间的变化关系,并讨论地层可掘性问题。根据贯入度、场切入指数和掘进比能分类提出考虑地层条件的净掘进速率预测方法及经验模型,并用于4类地层的盾构掘进表现预测分析。研究结果表明:贯入度的最小和最大平均值分别出现在泥岩和砂卵石地层中;刀盘扭矩在砂卵石和泥岩地层中变化幅度较大,而在泥岩地层中平均值最大;砂卵石地层的总推进力比其他2类地层的总推进力高30%左右,3类地层的总推进力对刀盘扭矩影响特征有所差异;贯入度、场切入指数和掘进比能三者间相关性较好,可作为表征地层可掘性的指标。所提出的净掘进速率预测模型对4类地层盾构掘进表现的预测效果较好,具有一定的适用性。     

不同地层中刀具配置适应性分析

本文通过广州市轨道交通三号线北延段工程某区间盾构施工刀具配置情况的分析,提出了不同地层盾构刀具配置的方法和建议,对盾构机在类似地层中的刀具配置及检查更换具有一定的借鉴意义。     

砂卵石地层地铁隧道盾构施工地面沉降控制探讨

随着我国城市化的快速发展，地铁成为了大中城市的重要交通工具。在地铁施工建设中，采用盾构法施工时遇到富水砂卵石地层，由于地质条件的特殊性，盾构穿越卵石层极易引发地面沉降，严重则会引发周边管线、建（构）筑物破坏，如何控制因盾构在砂卵石地层掘进而造成地面沉降是施工的重点。文章结合兰州轨道交通2号线盾构施工的工程实践，采取超前地质加固等控制措施，并辅以信息化手段进行安全风险管控，较好地解决了砂卵石地表沉降的问题，提高了地铁工程建设的成效。