基于PFC3D的北京砂卵石地层盾构刀盘选型及刀具布置数值模拟研究

砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层及强磨蚀性地层,盾构在该类地层中掘进通常会面临刀盘、刀具磨损严重,盾构推力与刀盘扭矩偏高且波动幅度大、地层变形不易控制等问题。砂卵石地层盾构掘进效率的高低及地层控制的好坏,刀盘选型及刀具配置是关键。以北京地铁新机场线“磁各庄站～1#风井”盾构区间为工程依托,利用PFC3D数值模拟及现场测试相结合的手段,研究刀盘开口率、刀具组合高差、先行刀刀间距等参数对盾构掘进效率及地层变形的影响。研究结果表明：相同掘进参数下大开口率辐条式刀盘比小开口率辐板式刀盘具有更好的掘进速度,小开口率辐板式刀盘掘进时引起的地表变形更小,对周围地层的扰动范围也更小;先行刀与切削刀的组合高差为70 mm时盾构掘进效率较高且扭矩较低;先行刀刀间距设定为300 mm时,盾构有较好的掘进效率和较低的刀盘扭矩。工程实践表明;要实现砂卵石地层盾构长距离高效掘进,大开口率辐条式刀盘设计及大高差梯次化刀具布置是基础,高贯入度、低转速的掘进控制是关键。研究结果可为类似工程的盾构刀盘选型与刀具布设提供借鉴。     

基于网络分析法盾构下穿隧道风险分析

本文以深圳地铁某始发、到达阶段复合地层下穿既有线为工程依托,首先对其进行了风险分析,取得了两级风险指标。然后,在地铁盾构风险评价中采用网络分析法,以始发复杂地质条件下穿既有线隧道等多风险素为研究对象,以多风险因素专家调查结果为依据,构建风险评价模型,研究分析多层级风险源条件下,风险控制技术的不同层级权重排序。研究得到了盾构施工参数设置与控制不当、上软下硬地层不良影响为排序在首位、次位的风险因素。研究表明,网络层次分析法在地铁盾构工程风险评价中是可行的,可为地铁盾构工程风险控制快速决策提供了依据。     

某软土地层盾构隧道管片上浮事故分析

盾构隧道掘进过程中的管片上浮一直是一个棘手的问题。笔者以某软土地区盾构隧道工程中遇到的管片上浮事故为背景,寻找盾构机械参数、同步注浆、盾构姿态等方面的原因并进行分析研究,提出了相应的控制盾构隧道管片上浮的技术措施。实践证明,所采取的措施是可行、有效的,可为其他类似管片上浮事故提供借鉴与参考。     

大粒径卵漂石地层盾构破岩机理及工程应用

盾构法在地下工程中应用广泛,但其技术系统具有极强的地层适应性差异,需要针对特殊地层进行专门设计。大粒径卵漂石地层是盾构法的世界禁区,迄今为止,国内外适用该种地层的技术系统和成功的工程案例较少。根据大粒径卵漂石地层的力学特征及空间分布规律,采用理论分析与现场验证相结合的手段与方法,系统研究重型刀具与大粒径卵漂石的相互作用机理及盾构开挖过程中刀具与地层的能量传递原理,基于能量原理提出重型刀具的劈裂破岩机理。基于应力波传播理论及黎金格新表面理论,提出盾构在富含超大粒径卵漂石地层中的破岩机理--阻尼环境下重型刀具锤击劈裂破岩;相应推导破岩所需的最小扭矩,为盾构机刀盘装备扭矩选取提供依据;在北京地铁九号线06标“军事博物馆站-东钓鱼台站”盾构区间工程中得到验证,并获得成功应用。研究结果对指导盾构选型、盾构隧道施工及反馈设计具有重要理论与实际意义。