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。     

长沙地铁典型板岩地层土压平衡盾构掘进参数精细化控制

依托长沙地铁2号线典型板岩地段盾构工程,对盾构总推力和刀盘扭矩计算值与实测值进行对比分析,并对刀盘每转切深和土舱压力进行统计分析,提出典型板岩地层中土压平衡盾构掘进参数的控制值。最后结合地表沉降监测,对参数控制的效果进行评价。研究结果表明:采取理论方法计算板岩地层中盾构总推力和刀盘扭矩时,需对这2个参数进行修正。修正总推力计算值时,修正系数取1.4~1.7;修正刀盘扭矩计算值时,修正系数取0.4~0.5。同时刀盘每转切深应控制在30~40 mm之间;土舱压力应控制在0.09~0.13 MPa之间。基于地表沉降监测,上述盾构掘进参数控制值具有一定的合理性,且效果明显。盾构掘进区域内地表的沉降比较小,基本控制在1.5~4.0 mm。     

土压平衡式盾构掘进顶推力和刀盘扭矩理论研究

利用盾构技术对隧道工程进行掘进施工时,盾构的顶推力和刀盘力矩的大小是控制隧道掘进的两个重要参数,将直接影响掘进过程的难易程度和时间进度。基于土压平衡盾构的原理,运用数学方法和力学平衡法,从理论上分析研究盾构刀盘力矩和顶推力的影响因素,并进行理论推导和计算,根据依托工程的实测值,对比分析顶推力和刀盘扭矩理论计算值与实测值的差异,验证了理论推导和计算结果的正确性,为盾构技术的进一步发展提供理论参考。     

软土地区土压平衡盾构反扭矩分析

基于土力学基本原理,综合考虑覆土、盾构自重及未脱开管片自重、千斤顶反力因素等产生的阻滞力矩,推导出在软土地层中盾构施工反扭矩理论计算方法。通过杭州软土地区盾构地铁区间实例分析,发现理论计算反扭矩为实测切削扭矩18.9到16.0倍,表明在盾构切削施工过程中,反扭矩足够保证盾构正常掘进而不会有产生侧翻的可能。在盾构始发掘进时,虽然理论计算反扭矩大于实测切削扭矩,但是安全系数较小。提出一种简单有效防止侧翻的措施并应用于实践。由于软黏土的黏滞特性,在刀盘切削扭矩作用下盾构体轻微回转,通过反向调整切削方向可以消除盾构回转角。     

复合地层土压平衡盾构刀盘掘进参数

土压平衡盾构在复合地层中掘进时常出现推力和扭矩波动幅度过大的问题,为了研究盾构机在复合地层中刀盘受力特点,基于扩展模型建立了不同类型全刀盘掘土数值模型,研究了全刀盘Mises应力以及推力和扭矩的变化规律,验证了数值计算结果的合理性。基于室内土压平衡盾构掘进试验,研究了盾构机掘进参数在不同地层中的变化规律。研究结果表明,随着刀盘推进深度增加,各类刀盘Mises应力最大值呈增加的趋势。各类地层全刀盘掘进模型的推力及扭矩计算误差均未超过10%,利用扩展Drucker-Prager模型所建立的全刀盘掘进模型是合理的。土压平衡盾构掘进模型试验表明,随着中风化泥质粉砂岩地层占比逐渐增大,盾构机推力有增大的趋势;盾构刀盘扭矩先增大后减小,最后趋于稳定;出土器扭矩变化不明显。整个推进过程中盾构机推力变化范围为6.0～7.7 kN,扭矩变化范围为773.4～1 195.8 N·m,出土器扭矩变化范围为32.5～104 N·m。     

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。     

盾构机刀盘回转系统恒功率自适应控制

为提高盾构机刀盘回转系统的工作效率和系统稳定性,采用简化刀盘回转液压系统模型,建立刀盘回转液压系统数学模型.分析了刀盘回转载荷,确定了液压系统负载扭矩计算模型.采用变论域方法建立基于变论域模糊PID的刀盘回转液压系统自适应控制算法.对刀盘扭矩施加线性变载荷和随机载荷进行控制系统的仿真实例研究.研究结果表明:在掘进系统刀盘扭矩增加时,所提出的控制系统可随时调整刀盘旋转速度以实现系统总功率的平衡,并可降低刀盘转速调整过程的超调量和调整时间.研究结论为盾构机刀盘回转液压系统的设计和改进提供了理论依据.     

泥饼工况下盾构刀盘热力耦合分析

由于在渣粘土质中盾构刀盘中心泥饼的形成造成刀盘出现热损伤等失效,研究了在泥饼作用下刀盘在盾构掘进过程中的热应力耦合问题,得出刀盘在泥饼作用下的温度场和热应力耦合场分布规律。利用Solidworks和ANSYS软件建立了盾构刀盘三维有限元模型,结果表明：泥饼形成时,温度在短时间内急剧升高,导致热应力在同一时间内急剧增大到168.2 MPa,最大热变形达到3.1 mm,并且刀盘中心出现了翘曲现象。     

TBM的平面刀盘与两级刀盘的力学性能对比分析

为解决全断面岩石掘进机(TBM)大直径(10m)平面刀盘承受的破岩载荷、偏心载荷过大会造成刀盘大变形、主轴承损坏的问题,引入一种两级刀盘。基于应用在西秦岭隧道的平面刀盘,采用灰关联分析的方法设计了两级刀盘的结构;建立复合岩层条件下平面刀盘和两级刀盘的受力分析模型,对比分析了两种刀盘的破岩总推力和扭矩、刀盘径向不平衡力和倾覆力矩;建立均一岩层条件下两种刀盘的有限元模型,对比分析了两种刀盘的变形和应力分布。结果表明,两级刀盘的各级破岩总推力、扭矩、径向不平衡力、倾覆力矩、刀盘变形和最大应力均比平面刀盘小,说明两级刀盘有效地把破岩载荷分散到各级刀盘,同时提高了刀盘刚度,避免了刀盘应力过度集中,有效减小了刀盘的偏心载荷。     

盾构切削复合地基对既有房屋的影响

截止目前,国内外尚无盾构切群桩复合地基斜向下穿条形基础砌体房屋的实际工程,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,本文依托郑州地铁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。研究初步表明,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5.8倍隧道外径的范围内,盾构施工会对房屋沉降产生较大影响。房屋累计沉降最大值会出现在房屋与隧道轴线交叉点附近。盾构切桩下穿时,稳定土仓压力、增大同步注浆量、提高刀盘转速,盾尾脱离房屋后,不应大幅度调整施工参数,适当增大刀盘压力和千斤顶推力,保持刀盘扭矩、刀盘转速、同步注浆量和掘进速度不变,更有利于控制房屋沉降。     

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.     

砂卵石地层土压平衡盾构掘进技术浅谈

随着地铁建设的蓬勃发展,土压平衡盾构机在全国得到了较为广泛的应用,但伴随而来的却是盾构掘进过程中遇到的地质情况越来越复杂,如果土压平衡盾构施工过程中不能进行很好的控制,极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。兰州轨道1号线土门墩~西客站区间在掘进施工过程中采用"泡沫剂+膨润土+保压"掘进技术,有效地解决了盾构掘进过程中造成地表及建构筑物沉降过大、刀盘及螺旋机卡死、刀具磨损过大、刀盘扭矩及盾构机推力过大等问题,确保了该区间一次性顺利完成掘进,取得了良好的经济和社会效益。     

富水砂层地铁区间隧道盾构掘进参数分析

依托哈尔滨轨道交通2号线一期工程耿家站至龙川路站区间的施工情况,对富水砂层盾构隧道开挖过程中的相关掘进参数进行分析。结果表明,盾构机主推力控制范围为10～18 MN,刀盘转速约为1.3 r/min,刀盘扭矩为2～4 MN·m。掘进速度保持在40～70 mm/min范围内,此时土压力主要为0.1～0.2 MPa,平均出土量约为43 m~3。采用太沙基理论对土压力进行计算,计算值验证了土压力监测结果的准确性。     

盾构下穿铁路框架桥中路面沉降变形规律分析

以南昌地铁1号线盾构下穿京九铁路框架桥工程实例为背景,通过对现场监测数据分析,得到了盾构单线隧道施工引起市政道路路面纵横沉降变形规律:盾构刀盘前10m以内和后20m以内为影响区域,其中刀盘前后10m为显著影响区,在纵断面上沿盾构中心轴线左右两侧4~8m为横向主要影响范围;在整个穿越过程中,盾构施工引起上部铁路框架桥竖向位移特征与公路路面沉降规律基本相似,其沉降量或隆起量均在控制范围内,表明在盾构穿越过程中土压力、注浆压力和注浆量三个影响地表沉降因素的取值是可行的。     

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。     

苏州市轨道交通3号线重叠隧道盾构掘进参数控制值研究

依托苏州市轨道交通3号线土建Ⅲ-TS-14标现娄区间重叠隧道工程特点,详细介绍了管片衬砌结构设计和施工组织技术,选取重叠段中间50环管片对应的盾构掘进参数进行了统计分析,包括掘进速度、同步注浆压力与注浆量、土舱压力、盾构推力与扭矩、刀盘转速、出土量、二次注浆压力与注浆量,解决了软土重叠隧道盾构掘进参数控制值问题,为今后类似工程提供技术指导。     

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。     

双伺服动力刀架刀盘优化设计及分析

为提高AK33125动力刀架刀盘的动静态特性,对其进行多目标优化设计。利用ABAQUS对原刀盘进行静力学及动力学分析,通过静态加载试验可得实际弹性变形量与仿真结果误差为7. 5%,表明所建有限元模型合理。基于正交试验方法改变刀盘结构参数进行9次仿真分析,提取刀盘的最大弹性变形量,建立其与刀盘相关结构参数的数学模型,并利用MATLAB优化工具箱在质量驱动下,对刀盘进行结构参数优化。对优化后刀盘动静态特性分析,刀盘的最大弹性变形减小了9. 43%,一阶固有频率增大了48. 39%,质量减少了26. 77%,表明了对动力刀架刀盘优化的合理性,并为相关结构的优化设计提供一定的理论参考。     

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.     

全断面岩石掘进机变厚度刀盘面板理论及应用

针对全断面岩石掘进机施工过程中,刀盘变形量大且变形不均匀的问题,论文提出了变厚度刀盘概念,并建立了变厚度刀盘微单元体受力平衡微分方程;根据背后换刀刀盘的结构特点和弹性力学理论,推导并建立了变厚度、背后换刀刀盘面板弯曲模型;通过用变形量极差衡量变形量不均匀度,结合应用研究发现,半径为5m的刀盘,当其为0. 15m的等厚度刀盘时,其变形不均匀度是0. 0425m;当其是基本厚度为0. 15m、中心厚度为0. 242m的变厚度刀盘时,其变形不均匀度是0. 023m,对比研究发现,刀盘半径为5m的变厚度刀盘较等厚度刀盘最大变形不均匀度降低了45. 88%.论文研究方法和研究结论为全断面岩石掘进机刀盘理论的深入研究和发展提供了有益借鉴.