土压平衡盾构在砂性土中施工问题的试验研究

土压平衡盾构掘进是软土地区地铁隧道施工的主要方法之一,但是盾构在穿越塑流性差、含水量高、渗透系数大的砂性土层时,存在土体受扰动发生液化、流砂或由于螺旋出土器出土困难使工作面形成“干饼”等许多技术难题。为此,研究了盾构穿越砂性土层时采用合适的添加剂的施工工艺,并在盾构(工作面)原位对砂性土层掺入泡沫剂和肥皂水2种添加剂进行盾构推进对比试验,结合室内砂性土土样掺入泡沫剂和肥皂水试验数据,对比分析了掺入2种不同添加剂对减小盾构在砂性土层中的推进阻力及其对改善砂性土层特性的影响。在试验数据分析的基础上,对添加剂增加砂性土的塑流性、保水性以及工作面动态土压平衡机理作了较深入的探讨。研究结果表明,掺入添加剂易形成工作面动态土压平衡,有效控制地面沉降,并可加快螺旋出土器排土,减少刀盘扭矩、千斤顶推力及刀头磨损。     

富水砂卵石地层土压平衡盾构掘进渣土改良技术

土压平衡盾构机在富水砂卵石地层掘进过程中,由于土体流塑性差,土舱内的渣土无法及时排出,导致推进速度缓慢,盾构推力及刀盘扭矩增大等现象,易出现地表塌陷事故.为此,文章以成都地铁17号线一期项目盾构隧道工程为背景,进行砂卵石地层土压平衡盾构隧道施工土体改良试验研究.试验结果表明:采用泡沫剂或泡沫剂+膨润土作为土体改良剂对砂...     

富水砂层土压平衡盾构渣土改良试验与应用

依托南昌市轨道交通4号线一期工程,针对土压平衡盾构穿越富水砂层时遇到排渣不畅、喷涌等工程技术难题,展开渣土改良试验研究。介绍了砂性地层中常用的三种改良剂泡沫剂、膨润土和高分子聚合物,并针对此工程中的富水砂性地层,选取泡沫剂+聚合物的复合改良方式。开展改良后渣土的坍落度和渗透性试验,测试其流动性和渗透性,通过试验可以得到最优改良方案。对改良后盾构机掘进参数进行监测,如掘进推力、刀盘扭矩、推进速度、刀盘转速,数据表明该富水砂层盾构掘进采用"泡沫剂+聚合物"的渣土改良手段效果很好,降低了该地层的渗透性及内摩擦角,提高了粘聚力,解决了盾构在富水砂性地层开挖的技术难题,达到了土压平衡盾构掘进的要求,保证了盾构施工的高效、安全掘进。     

土压平衡盾构在砂卵石地层长距离穿越河流施工关键技术

从盾构机的改造,浆液配比试验,渣土改良等几个方面论述了土压平衡盾构隧道长距离穿越砂卵石地层并穿越河流的施工技术。在试掘进阶段对盾构掘进主要控制参数包括推进速度、刀盘推力、土仓压力、刀盘扭矩、刀盘转速、注浆参数等进行了调整。在掘进过程中严格按照试掘进阶段的参数执行。实施效果表明,完全达到了刀盘刀具的耐磨性要求,保证了盾构机在砂卵石地层中长距离穿越河流的安全。     

新型泡沫剂在土压平衡盾构施工中的研究与应用

针对土压平衡盾构在砾砂地层掘进过程中,土体塑流性差,刀盘及螺旋输送机磨损严重,开挖面平衡不易保持等问题,开发了一种土压平衡盾构用新型泡沫剂,以北京地铁16#线西苑站~万泉河桥站区间砾砂地层土压平衡盾构施工为案例,对新型泡沫剂改良砾砂地层的塑流性进行了室内试验研究,得出含水率为5%~12.5%,泡沫掺量为20%~40%时,土体塑流性良好。利用该泡沫剂进行了盾构掘进试验,改良后刀盘上土压力主要集中在0.45~0.55 MPa,扭矩在3000~3750 kN/m,掘进速度在35~45 mm/min之间,结果显示,新型泡沫剂能满足施工需求,大大提高了掘进效率。     

深圳风化花岗岩地层盾构防泥饼渣土改良技术

依托深圳地铁某线盾构工程开展了风化花岗岩地层土压平衡盾构防泥饼渣土改良技术研究。通过对盾构掘进参数和刀具磨损分析,阐述了泥饼对盾构掘进参数和刀具磨损的影响,并结合地层制订了相应的渣土改良方案,有效预防泥饼出现。研究表明:盾构发生"结泥饼"后,推力明显增大,掘进速度逐渐减慢接近0,扭矩变化不大,采用分散剂浸泡刀盘,能消除一部分泥饼,但若渣土改良不合适,泥饼又将会快速形成;盾构结泥饼过程中,滚刀的磨损方式主要是偏磨,且刀具的磨损相对于刀盘回转中心呈现出一定的中心对称性;在风化花岗岩地层中,采用分散性泡沫剂和水可有效提高渣土的流动性,取得理想的改良效果;但在卵石土和风化花岗岩复合地层中,需采用膨润土、分散性泡沫剂和水相结合的渣土改良方案,提高渣土的抗渗性和流动性,且在风化花岗岩与卵石土复合地层和风化花岗岩地层中理想渣土的坍落度值为15～20cm;相比于渣土改良,地层对掘进参数的影响更明显,且盾构在卵石土和强风化花岗岩复合地层中掘进时,推力和扭矩相对较小。     

无水大粒径漂卵砾石地层土压平衡盾构施工渣土改良分析

土压平衡盾构在砂卵石地层掘进时,会出现盾构推力、刀盘扭矩异常增大,刀盘、刀具和螺旋输送机磨损严重等问题,通过渣土改良是解决上述问题的有效手段。因此,本文以北京地铁9号线砂卵石地层中的盾构隧道工程为背景,进行了采用膨润土和泡沫改良后渣土的现场试验及施工性能分析。试验结果表明:采用膨润土和泡沫作为混合改良添加剂对渣土进行改良能够显著降低盾构的推力和扭矩以及渣土温度;膨润土和泡沫混合注入后在掌子面形成的泥膜具有良好的保压性,能有效提高盾构停机状态下的安全性。     

土压平衡盾构施工中泡沫剂作用

介绍了目前地下盾构过程中泡沫剂的组成和使用原理,分析了泡沫剂的特性和作用以及泡沫剂的加注系统,介绍了在广州地铁施工现场中实测的泡沫剂使用效果,结果表明:在地下盾构过程中使用一定浓度、压力和流量的泡沫剂可以降低刀盘扭矩,减小盾构机推力,并达到提高掘进和出土效率的目的。     

复合地层长距离土压平衡盾构施工关键技术

针对土压平衡盾构在包含全断面碎石的复合地层掘进施工时,刀盘和刀具磨损严重、推力和扭矩增大、易导致掘进困难以及沉降不易控制等问题,对渣土改良、刀盘和刀具的配置优化以及泡沫系统改造等关键技术进行工程实践,结果表明,膨润土泥浆和泡沫对砂层渣土改良效果及地表沉降控制效果显著;配合泡沫系统改造,盾构掘进过程中推力和扭矩减小,掘进速度提高;刀盘和刀具优化改造后,磨损程度明显降低,同时避免通常采用的预设加固区等开仓换刀,减少经济成本和人员作业风险,实现一种既能满足工程施工需要,同时控制施工成本的方法。     

土压平衡盾构机非保压施工技术与应用

以沈阳地铁2号线13标区间盾构隧道掘进为背景,研究分析了土压平衡盾构机在富水的粉细砂、中粗砂和卵砾石复杂地层中盾构掘进,提出了在该地层中盾构机非保压的掘进模式。通过多个盾构施工实例证明采用该模式掘进既可以减少刀盘和刀具的较大磨损,降低总推力和扭矩,避免中途换刀,又可以保证盾构正常安全地施工,该盾构掘进模式可供类似工程借鉴。     

复杂地层土压平衡盾构推力和刀盘扭矩计算研究

千斤顶推力、刀盘扭矩是盾构设计制造及掘进的重要控制参数。通过对盾构推进过程中盾构与围岩相互作用规律的分析,系统分析了土压平衡盾构总推力、刀盘扭矩的影响因素。提出了考虑刀盘挤土效应及土舱内压力分布模式影响的推力计算修正公式,及综合考虑了刀盘挤土效应与开挖面土体渗透性的刀盘扭矩计算修正公式。通过对深圳地铁二号线香香区间掘进载荷实测数据的分析,对修正公式在复杂地质条件下的适应性进行了验证。该修正公式对复杂地层中土压平衡盾构掘进载荷的确定有一定的指导意义,可用于盾构刀盘装备扭矩设计和施工参数的预测。     

软土地层土压平衡盾构施工参数的模型试验研究

我国沿海经济发达城市及一些内陆中心城市正在兴建或筹建地铁,这些地区的地下广泛分布着较厚的软黏土沉积层。为研究土压平衡盾构在这种软土地层中施工的适应性,以上海地铁M8线某区间隧道工程为研究背景,采用室内模型试验的方法,开展在不同埋深、不同刀盘开口率、不同推进速度以及不同螺旋机转速等情况下的盾构掘削模型试验。通过对试验结果的整理与分析,得出土仓压力与排土效率、单位时间排土量与推进速度、推力和扭矩之间的内在联系,以及隧道埋深、刀盘开口率、推进速度对推力和扭矩的影响。这些结论的取得为盾构施工参数之间及其与地层特性之间的适应性理论提供了有益的帮助,并为更好地指导软土地层盾构隧道的设计与施工服务。     

盾构切削木桩试验研究

结合上海新建路越江隧道穿越旧木桩工程,以φ1 800大型盾构模拟试验平台为基础,采用模型试验的方法,研究了盾构直接切削木桩和在土体中切削木桩两种工况,得到了实际施工中所需盾构道具改制方案以及土体加固参数。试验结果表明:盾构推进速度越慢而刀盘转速越快,则切削的效果越好,而推进速度在1 cm/min左右效果最好;增加先行刀的数量以及在盾构周边安装先行刀,可使得切削下来的木屑较易排出;在盾构切削木桩过程中,木桩位移以平动为主,转动位移较小,且桩体位移可以通过加固桩周土体得到控制。     

基于长短时记忆网络的盾构机刀盘扭矩实时预测

盾构机是土质隧道开挖的优质工程机械,被广泛应用在地铁建设。刀盘扭矩是保证盾构正常推进的关键参数,能被精确实时预测对预防灾难事故、确保施工正常推进具有极高的指导意义。针对现有扭矩预测多为计算平均值的问题,提出一种基于长短时记忆(Long-Short Term Memory,LSTM)网络的扭矩实时预测模型。首先通过分析盾构机状态参数与扭矩的相关性,选择一组关键状态参数,降低输入维度;然后建立LSTM扭矩预测模型;最后利用该模型在归一化后的实际数据集上进行验证并与BP网络模型对比。试验结果表明,该模型在测试集上均方差为0.002 81,平均绝对误差为0.036 7,均优于BP网络;该模型具有良好的预测能力与泛化性能,能够很好地拟合关键状态参数与刀盘扭矩之间的非线性关系。     

Experimental study on working parameters of earth pressure balance shield machine tunneling in soft ground

Deep sedimentary deposits of soft clays are widely distributed in coastal areas as well as many interior major cities in China. In order to study the stratum adaptability of earth pressure balance (EPB) shield machine tunneling in such types of soft ground, model tests of tunneling excavation, using the running tunnel of the Shanghai Metro Line M8 as a background, are carried out with different over burden ratios, opening rates of cutter head, driving speeds and rotation speeds of screw conveyor. Based on the test results, the interrelationships between chamber pressure and mucking efficiency, mucking rate and driving speed, thrust force and torque are obtained. The influences of tunnel depth, opening rate of cutter head and driving speed on thrust force and torque are revealed. Such findings can not only facilitate establishing relationships between shield working parameters and soil properties, but also serve as a guide for the design and construction of shield tunnel in soft ground. __________ Translated from China Civil Engineering Journal, 2007, 40(9): 87–94 [译自: 岩土工程学报]     

盾构周围土压力的试验研究与数值模拟

建立大型盾构模拟试验平台和直径为φ1．8m的盾构机模型，在软土、砂土及砂砾土层中进行盾构模型的掘进试验，在试验中分别采用刀盘开口率为30％和70％的盾构模型进行模拟掘进。模型盾构掘进过程中，监测系统实时采集推力、土舱压力和刀盘扭矩等盾构推进的各种工作参数，重点对模型盾构周围土压力变化及刀盘开口率对土舱内外土压力的影响进行研究。另外，还研究2种不同刀盘开口率对于盾构的推力和刀盘扭矩的影响，并建立模拟盾构掘进的有限差分模型。该模型考虑刀盘开口率的影响，获得盾构周围土体中土压力的动态变化曲线，并将土压力的实测值和计算值进行比较。     

土压平衡盾构施工中泡沫改良砂土的试验研究

土压平衡盾构在隧道施工中,特别在地铁区间隧道施工中已经得到广泛应用。土压平衡盾构主要适用于粘性土地层开挖,其在砂土地层的掘进过程中通常会遇到掌子面土压平衡难以形成、螺旋出土器无法正常排土、刀盘扭矩过大及刀具磨损过快等一些问题。最有效的解决方法是使用泡沫等添加剂对土体进行改良,但是目前工程施工现场添加剂的使用尚存在一定的盲目性。文章首先通过自制的试验室发泡装置生产泡沫,并对泡沫的性能与发泡剂溶液浓度的关系进行研究,为有效使用泡沫提供依据,并通过一系列试验研究泡沫对砂土的改良效果,得到适合土压平衡盾构施工的优化泡沫掺入比。     

复合地层中盾构滚刀磨损实用预测方法及应用

盾构机在复合地层掘进过程中常因刀具磨损量过大而产生掘进工效降低和刀具失效等问题。依托深圳地铁13号线白应区间复合地层段滚刀磨损数据,根据Rabinowicz磨粒磨损计算模型提出了一种滚刀磨损量实用预测方法。该方法结合滑移率计算公式和刀盘扭矩、刀盘推力得到滚刀滑动距离,通过科罗拉多矿业学院模型(CSM模型)、岩石强度参数和滚刀贯入深度确定接触面法向荷载,根据滚刀设计参数确定其材料强度。通过确定影响滚刀磨损量的三个主要因素(滑动距离、接触面法向荷载和材料强度),推导出了考虑盾构滚刀磨损体积计算公式,并采用深圳地铁13号线白应区间复合地层段滚刀实测磨损量与磨损量预测值进行对比验证。结果表明:实测磨损量与预测较为吻合,验证了所提出的滚刀磨损量预测方法的合理性,研究成果可为复合地层中盾构滚刀磨损量预测和换刀时机的确定提供理论依据。     

Experimental study of the effect of conditioning on abrasive wear and torque requirement of full face tunneling machines

One of the main operational parameters in pressurized full face soft ground tunneling with machines such as earth pressure balance (EPB) TBMs is soil conditioning. Soil conditioners which are proper foam or conditioning agents, are often injected through the cutterhead or into the cutting chamber to make the muck flowable, lower inner friction between the soil particles, control soil stickiness, prepare the excavated soil to be compressible during the tunneling operation, control the water inflow, reduce the torque on the cutterhead, and lower power and torque of the screw conveyor. Foams can also be used in hard rock tunneling to reduce the wear and torque to replace conventional dust suppression by water sprays. This paper reviews the common practice in soil conditioning and focuses on assessing the influence of the conditioning on tool wear and torque requirement of the machines. Tests performed on many standard type soils and few samples from soft ground tunneling projects around the US on Penn State Soil Abrasion testing device. The results of tests performed in dry, moist and conditioned soil will be discussed and compared in this paper. The preliminary results show that the use of proper soil conditioning can reduce the wear of cutters and machine components by orders of magnitude while it can reduce the torque by over 50%.