盾构江底施工中更换刀具危险分析及解决对策

在过江隧道盾构法施工中，盾构机在头顶悬河的施工状态下掘进，一旦出现岩层裂隙水与江水连通的情况，大大增加了整机掘进的困难，设备风险尤为突出，因此成为工程成败的关键。在江底段工程施工过程中一旦刀具损坏，主机刀具无法进行工作时就必须换刀，然而在这种情况下换刀是极其危险的，盾构机的双室人闸设计保证了换刀人员的安全。     

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.     

盾构机刀盘与土体相互作用模拟分析

土压平衡盾构机的安全掘进施工主要依赖于盾构机刀盘与土体的相互作用,使得地表的变形得到有效控制。基于Rankine的土压力理论,研究了盾构机刀盘合理土压力的设置问题,模拟了盾构机刀盘与土体的相互作用。研究表明,仅从保证地表既不隆起又不沉陷的约束条件考虑,掘进工作面从主动土压力到被动土压力存在较大的范围。考虑到减少刀具磨损和节约能源问题,推荐理想的掘进工作面土压力为静止侧向土压力。     

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。     

盾构掘进中刀具、刀盘损坏及维修措施探讨

盾构工程施工中,盾构机在掘进中的换刀、刀盘修复等盾构机掘技术是盾构施工不可缺少的工序,特别是经过硬岩地层地段,同时换刀、刀盘修复的技术质量也是能否完成隧道贯通的基本保障,对隧道工程建设的进度、贯通和安全有着一定的影响,作者以广州市轨道交通五号线【潭-员盾构区间】工程为实例,简要阐述盾构机在施工过程中的换刀、刀盘修复技术和部份经验,以作类似工程参考。     

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。     

土压平衡盾构机切割塑料排水板试验研究

针对土压平衡盾构机穿越公路、铁路软土路基固结塑料排水板区域,容易产生塑料排水板缠绕盾构机刀盘、堵塞螺旋输送机进土口以及塑料排水板受拉拽力影响造成孔洞,引起地面沉降过大等问题,开展了3种不同刃口形式的撕裂刀具对塑料排水板的切割试验.得到将塑料排水板切断切短并降低塑料排水板拉拽力的刀具刃口形式及刀具布置方式.研究结果表明:采用新型加高利刃撕裂刀与常规撕裂刀高低组合间隔布置方式,能有效降低刀盘对排水板的拉拽力,避免刀具拉拽塑料排水板产生孔洞造成地面过大沉降;该方案最大的优点是实现了将塑料排水板分层分段切割,切割的塑料排水板长度控制在200～1000mm范围内,可直接通过螺旋输送机顺利排出土仓.研究结果可有效避免盾构施工开仓风险.     

城市地铁区间隧道扩径盾构掘进参数现场试验

依托福州地铁六号线滨海新城站—莲花站区间隧道工程,就扩径后的盾构机进行了现场100环掘进试验,分析了掘进参数土压力、刀盘扭矩及其转速、总推力、掘进速度、出土量和同步注浆量,给出了建议值,为今后类似工程提供参考。     

土压平衡式盾构机掘进性能评价方法

盾构机掘进性能是盾构机设计性能和施工操作复杂耦合作用的结果,依据盾构机掘进参数评价其掘进性能对盾构机刀盘结构设计和施工参数设定具有重要意义.在掘进参数基础上确定了影响土压平衡式盾构机掘进性能的评价指标,推导出刀盘扭矩和盾体推力的理论公式,基于性能评价指标构建了包括掘进能耗和效率的盾构机性能评价函数,并提出了盾构机掘进性能的参数化评价方法;通过结合现场施工数据对盾构机掘进性能进行了分析和评价,得出了掘进参数改进方法,并验证了其理论的正确性.该评价方法通过分析盾构机参数和地质参数可以评价盾构机掘进性能,并提供盾构机刀盘设计理论和施工参数设定方法.     

软土区盾构刀盘扭矩分析及对地表变形影响

依托杭州地铁2号线某盾构区间段工程,提出适合杭州软土地区的土压平衡盾构机刀盘扭矩计算方法,并进行盾构掘进时地表变形与刀盘扭矩的相关性影响现场试验。研究结果表明:软土区刀盘扭矩可由7个计算影响因子组成,计算得到的理论最大扭矩与实测最大扭矩相差10%,吻合度较高;开挖面正上方的瞬时隆沉和刀盘扭矩与单环排土量的比值M呈正相关,即在扭矩一定的情况下,地表变形随着单环排土量的减少逐渐由沉降转变为隆起。     

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.     

基于能量原理的TBM刀盘掘进参数与刀间距匹配特性分析

全断面岩石掘进机是立体化城市建设的重要隧道施工机械,其掘进参数(贯入度和刀盘转速)和刀间距的合理匹配是全断面岩石掘进机施工效能的关键因素,同时也是制约刀盘布局与拓扑结构设计的重要依据.基于能量原理,以刀盘转动产生的动能作为输入能量,以岩石破坏释放的能量与滚刀由于摩擦产生的摩擦功作为输出能量,借助CSM滚刀受力预测公式,建立包含地质参数、刀盘掘进参数、滚刀刀间距等多领域参数相匹配的TBM破岩能量守恒模型.应用此模型,以MB264-311-8030,mm TBM刀盘为工程实例,通过给定刀间距计算贯入度,最终得到最小比能约束条件下的刀盘开挖时的刀盘转速介于经文献查阅得到的刀盘驱动基本参数,说明从合理能耗考虑刀盘的掘进转速模型具有一定的工程意义,也为多参数耦合刀盘刀具布置优化设计提供了理论参考.     

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.     

全断面岩石掘进机刀盘轴承受力分析

全断面岩石掘进机刀盘轴承是全断面岩石掘进机的关键核心部件之一,其受力分析是全断面岩石掘进机刀盘轴承研制的理论基础.通过对全断面岩石掘进机刀盘轴承的典型结构与布置的分析,建立了全断面岩石掘进机刀盘轴承的受力模型;以给出的推力传递系数为基础,分析了刀盘刀具破岩力、刀盘推力和刀盘组件重力(包括轴承内圈)等对刀盘轴承的作用.结合某隧洞工程地质特点,将此理论应用于其全断面岩石掘进机刀盘轴承的失效研究,所得结论与实际情况基本吻合,从而验证了所建刀盘轴承受力模型的正确性.     

冻结法盾构直接破除孤石过程中土层温度场变化的规律

为研究盾构机在对孤石施工时的温度场发展规律,尝试了一种基于盾构机直接推进并通过孤石的施工方法,同时运用有限元软件,采用单因素分析法对数值进行了分析.在模型中选取2条路径,并在路径上布置分析点,观察和分析了不同温度的热水在解冻盾构刀盘时的温度变化规律.数值结果表明:在240 h之前的冻结速度较快,之后的冻结速度变慢;在960 h时,在水平方向上形成了1.5 m的冻土帷幕,在盾构刀盘上方形成了0.6 m的冻土帷幕;解冻盾构刀盘的热水温度对温度场变化的影响较大,热水解冻的温度越高,解冻的速度越快,最终盾构刀盘附近的温度也越高;在984 h时,路径2上的2号分析点只有50℃热水解冻盾构刀盘,使其温度达到0℃以上,此温度下土体解冻.在工程实际中,建议热水解冻温度为20℃,解冻时间为4 h,水平有效冻结区域分0.6～0.9 m,此研究结果可为今后相关的实际工程提供参考依据.     

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.     

土压平衡盾构机刀具的维护与管理措施

德国海瑞克公司生产的土压平衡式盾构机是目前世界上先进的盾构机,广泛应用于世界各国城市地铁的施工建设.由于盾构机是目前最昂贵的施工设备,因此,对盾构机最主要部件——刀具进行维护与管理能够大大提高其使用寿命.     

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。