土压平衡模型盾构掘进试验研究

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,然而,它在不同的土层中的适应性是不一样的。为研究土压平衡盾构机的盾构施工参数以及刀盘开口率对土层的适应性,在新建立的大型盾构模拟试验平台上,利用直径为1.8m的土压平衡模型盾构机在软土、砂土、砂砾土层中进行了盾构掘进模拟试验。试验平台的监测系统实时采集了盾构推进过程中的各种工作参数,通过分析试验数据,本文尝试对盾构掘进过程中土舱内外土压力的相关关系、刀盘扭矩和推力的变化及其影响因素进行了试验研究,还研究了不同刀盘开口率对盾构总推力和刀盘扭矩的影响规律,研究结果对土压平衡盾构机的设计和施工具有参考意义。     

均质地层中土压平衡盾构施工刀盘切削扭矩分析

在盾构的掘削过程中,刀盘切削矩是一个重要的施工参数,它不仅决定着施工的难易程度,而且还影响着盾构顶进推力、推进速度、刀盘转速、驱动功率等参数。应用数学和力学方法,从土压平衡盾构刀盘的切削工作机理入手,研究刀盘扭矩的计算方法及其影响因素;随后,开展了土压平衡盾构的掘削模型试验,研究在不同埋深、不同刀盘开口率、不同转速以及不同推进速度时刀盘扭矩的变化规律,对前述理论研究成果加以验证,并取得了较为满意的结果。     

均匀软质地层条件下土压平衡盾构施工的合理顶进推力分析

应用数学和力学方法,从土压平衡盾构的掘削工作机理入手,研究顶进推力的计算方法及其影响因素。开展土压平衡盾构的掘削模型试验,研究在不同埋深、不同刀盘开口率以及不同土性时的千斤顶顶进推力的变化规律,并对前述理论研究成果加以验证。结合地铁隧道工程实例,应用推导的推力计算公式预测盾构推进过程中的顶进推力,取得了较为满意的结果。     

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。     

土压平衡盾构刀盘开口率选型及其对地层适应性研究

刀盘开口率是土压平衡盾构选型时要确定的重要指标。分析了刀盘开口率对出土率的影响,提出了定量分析刀盘开口率对地层适应性的计算方法,该方法能很好地解释土压平衡盾构在砂性土中模拟掘进时出土率异常的现象。根据该计算理论,盾构推进时某种开口率的刀盘所能达到的最大出土率是一定的。因此,盾构的刀盘开口率不能小于能够保证盾构正常推进达到100%出土率时的开口率,否则将会产生出土困难,造成总推力和刀盘扭矩急剧上升;刀盘开口率也不宜过大,否则,盾构推进时,容易产生开挖面地层损失。应用本文的计算理论,对上海典型土层中土压平衡盾构刀盘选型提出了建议值。     

浅谈盾构机短距下穿既有线沉降工艺控制

盾构隧道下穿既有运营隧道时,将对既有隧道产生扰动,威胁着既有隧道的运营安全。针对土压平衡盾构下穿施工展开研究,探索粉质粘土地层盾构下穿施工中土仓压力、掘进推力、刀盘扭矩、刀盘转速、掘进速度、同步注浆量、同步注浆压力、出土量、盾构机姿态等施工参数的优化方法,提出适用于粉质粘土地层盾构下穿施工参数,形成盾构短距下穿既有运营隧道沉降控制技术,为西安地铁乃至西北地区盾构隧道下穿施工提供参考和借鉴。     

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。     

软土地层盾构隧道浅埋施工对地层应力场的扰动影响

盾构隧道施工必将引起周围地层的应力场扰动。利用数值方法建立了盾构隧道动态开挖模型,依托厦门地铁区间隧道浅埋施工工程,分析了盾构开挖过程对软土地层应力场的扰动规律,并进一步研究了隧道埋深对扰动效果的影响。结果表明,盾构隧道开挖对隧道侧面水平土压力和上方竖向土压力影响显著,尤其是盾尾注浆的挤压作用使土压力大幅增加,而后伴随注浆压力消散逐渐降低至稳定状态;增大隧道埋深对侧面水平土压力变化规律影响不大,但上方竖向土压力变化量显著减小,即深埋情况下地层抵抗扰动影响的能力有所提高;距离开挖空间越近,地层应力场受盾构施工扰动影响越明显,主要影响范围集中在隧道周围1.0D区域,浅埋开挖时引起地层土压力变化率较大,因此应加强浅埋施工近距地层的稳定性。     

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...     

基于复合地层的盾构刀具磨损优化研究

伴随城市地铁的快速建设，隧道盾构技术的应用日益广泛。刀具作为隧道掘进的执行部件，其使用寿命对掘进效率具有直接影响。本文结合某地铁施工，综合复合地层的地层分布及地层条件，确定硬质地层对掘进面物理特性的影响。基于不同的单一地层条件下刀盘的合理转速，提出了复合地层隧道施工中刀盘转速的确定方法。通过对掘进机工作中刀盘扭矩变化情况的监测，提前调节刀盘转速。该方法可有效降低盾构在复合地层施工过程中的刀盘磨损速度，延长刀盘使用寿命，提高施工效率。     

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.     

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]     

盾构隧道施工盘形滚刀推力分布规律研究

 盾构掘进时,刀盘由油缸推压到工作面上,滚刀与岩石之间产生相互作用。为研究各滚刀推力分布规律,分析影响滚刀与岩石相互作用的影响因素,指出掘进过程中滚刀推力分布主要与岩石刚度有关。假设滚刀与岩石弹性点接触,建立刀盘与岩石相互作用的三维弹性支点力学模型并进行了简化,运用有限元方法对其进行分析与比较。研究表明,刀盘上各滚刀的推力分布并不均匀,滚刀布置稀少处的推力较高,面刀推力均比边刀推力高出40%～60%。相同的刀盘形式,滚刀布置方式不同,其推力分布差异较大。最后,运用蒙特卡罗有限元方法,分析岩石刚度变化对滚刀推力分布的影响,岩石越软,滚刀推力分布越均匀;反之,滚刀推力分布的均匀性越差。在硬地层中掘进时,个别推力高的滚刀磨损严重,换刀频繁,影响了施工进度。因此,该部位的滚刀布置值得进一步研究。     

Laboratory model tests and field investigations of EPB shield machine tunnelling in soft ground in Shanghai

In the last decades, many studies have been presented by different scholars on the environmental problems induced by the shield tunnelling in soft ground. But it mainly concentrated on ground surface settlement, tunnel surface stability and the influence to existing structures. Among them, little attention was paid to soil disturbance caused by the mismatch of machine’s operation parameters. In order to reveal this inherent relation, a series of laboratory model tests were carried out in the 1/16 scale for a field tunnel in practice where the tunnel had 6.4 m diameter. The tests to simulate earth pressure balance (EPB) shield tunnelling in soft ground were conducted with a microshield machine (0.4 m diameter). Measurements were carried out simultaneously in each test for total jack thrust force, cutting torque, chamber pressure, mucking ratio, ground surface displacement, and earth pressure. Based on the analysis of test results under different overburden ratio, cutterhead aperture ratio and screw rotation speed, the relationships between machine’s operation parameters themselves and its influence on disturbance to surrounding soil mass were discovered. Such discoveries were also verified by the field investigations. These results are useful for engineers and technicians to select suitable and serviceable machine operation parameters and reduce environmental influence at all stages of tunnel construction.     

高强度基岩爆破预处理泥水盾构掘进特征研究

泥水盾构在高强度基岩地层中掘进,盾构自身刀具无法有效破岩,采用基岩爆破预处理的控制钻爆法能严格控制破碎碴块体量,提高刀具破岩能力,但盾构施工过程中,掘进参数与岩石之间关系非常复杂。以台山核电站取水隧道为背景,对现场获得的工作数据进行挖掘,分析基岩爆破前后地层中盾构刀盘推力、刀盘扭矩及掘进速度的参数的选用特点。在此基础上,引入参数转换量FPI、TPI指数及比能进行研究,研究表明,未经处理基岩地层,岩石强度过高,刀盘推力先达到最大值,但切深很浅,扭矩很难发挥最大能力;经爆破处理后,基岩岩体受到不同程度破碎,盾构机推力及扭矩能有效发挥其功能,掘进效能提高。因此,在盾构机的工作负荷范围内,应依据基岩岩体破碎效果,调整刀盘推力和扭矩,使之更好地适应地层,力争达到高效安全的掘进目的。     

复杂岩石地层盾构掘进效能影响因素分析

基于现场掘进试验和岩石点荷载强度试验,对泥岩、砂岩交互地层条件下泥水盾构的掘进效能及其影响因素进行研究.利用现场采集的数据,运用回归分析的方法,主要分析盾构掘进效能与岩石强度、刀盘推力及刀盘扭矩的关系.研究成果表明,岩石强度越高,刀盘每转切深和掘进速率就越低,二者呈幂函数曲线关系;随着刀盘推力的增大,切深呈幂函数关系增加;而随着刀盘切深的增加,刀盘扭矩则呈线性增加.对比两种地层的掘进特性,相对而言,泥岩地层掘进效能较高,但需要较大的扭矩,而在砂岩地层掘进需要较大的推力才能获得理想的掘进效能.     

土压平衡盾构平衡控制理论及试验研究

土压平衡盾构在掘进时有两种平衡状态,一种是盾构与前方土体接触压力和土水压力的平衡,另一种是出土的平衡。两种平衡状态只有在刀盘开口率非常大时才等价。由于面板的挤压作用,开口率较小的盾构两种平衡状态将有较大偏离。出土率是控制土压平衡的重要指标,当其接近100%时,盾构处于出土的平衡掘进状态。盾构掘进时很难直接控制出土率,可通过施工参数间接控制。推导出土率与螺旋机转速、推进速度的定量关系,通过模型试验验证三者关系;推导平衡状态时上述三个参数的关系,该关系可作为通过施工参数控制平衡状态的标准;提出通过模型试验确定平衡状态时参数匹配的方法。当出土率小于或大于100%时及采用开口率较小的面板式刀盘时,盾构将产生不平衡掘进。大部分土压平衡盾构不平衡掘进产生挤土作用,造成正的地层损失及附加的应力场。试验结果表明,不平衡推进时挤土量一部分产生体积应变,一部分形成正的地层损失,使盾构前方地表产生了隆起;现场试验测试了刀盘前方附加应力场的大小和范围。研究成果可以指导土压平衡盾构推进时的参数控制,对控制推进时地表变形有指导意义。     

复杂岩石地层隧道掘进机操作特性分析

为提高掘进效率,改进掘进机与地层的匹配性设计,对掘进机的操作特性进行研究。基于重庆越江隧道盾构掘进试验,分析复杂岩石地层盾构刀盘扭矩、刀盘推力及转速的参数选用原则,在此基础上,分析主掘进参数与切深的关系。随后,对不同地层条件下刀盘扭矩与推力之间的匹配性进行分析,绘制了刀盘扭矩与推力之间的操作特性曲线,并用于分析和制定不同地层条件下的主掘进参数匹配方案。对于较软的泥岩,刀盘扭矩先达到最大值,而推力却不能发挥其最大能力;岩石强度增高,所需推力增加,在发挥扭矩能力的前提下,推力也能发挥其功能,从而使二者达到最佳操作关系;若岩石强度过高,推力保持在最大值,但切深很浅,滚刀旋转阻力减小,刀盘扭矩很难发挥最大能力。因此,应视地层软硬,根据刀盘推力与扭矩的操作特性对刀盘的主掘进参数进行合理设计,并在掘进过程中实时调整其匹配关系。     

天津地铁北站北-铁东路站区间盾构机选型研究

针对天津市地铁二期工程3号线北站北-铁东路站盾构区间的工程地质情况和施工条件,就其盾构机的选型进行了分析。在分析中,对盾构机的刀盘、刀具的形式以及布置等进行了阐述,同时时推力、刀盘驱动扭矩、主驱动功率、推进系统功率、螺旋输送机出土能力以及注浆能力等关键参数进行了计算。最终确定选择加泥式土压平衡盾构。实践证明该盾构机选型是合理的。