不截流条件下长距离穿湖盾构的选型及控制参数研究

湖底富水砂砾黏土地层具有水压高、渗水性强、地下水径流通畅和补给迅速以及自稳能力较差、卵石粒径大等特点,盾构在不截流条件下长距离和小半径曲线穿湖施工常面临由于大粒径卵石排除困难、刀盘和刀具磨损严重、盾构机卡壳、管片损伤、地层扰动造成的塑性区隆沉开裂和贯通、停机进行刀盘刀具更换或修复难度大等风险。本文以北京地铁14号线盾构隧道下穿朝阳公园北湖和南湖工程为背景,对盾构机选型中的外径、刀盘开口率、刀具磨损量、刀盘扭矩和排土量等重要参数进行了计算分析和合理性验证。同时提出了辐条式土压平衡盾构在富水砂砾黏土地层中长距离下穿湖泊的合理掘进参数和相关控制措施,并通过井下监控和地面监控实时跟踪盾构机掘进姿态来保证盾构顺利掘进。最后工程实践表明辐条式土压平衡盾构在富水砂砾黏土地层应用可行。     

砂卵石地层土压盾构开挖面动态平衡机理研究

砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层,土体内摩擦角大、塑流性差、含水量高且渗透系数大,土压盾构在此地层条件下掘进所受到的不利影响主要有:刀盘及螺旋输送机磨损严重、排土困难及开挖面土压平衡不易保持.以成都市地铁一号线为背景,采用真三轴实验手段,探究了加泥式土压盾构及欠压掘进模式的开挖面动态平衡机理.结果表明:(1)采用加泥式土压盾构施工,提高了砂卵石地层土体塑流性及保水性,可加快螺旋出土器排土,减少刀盘扭矩、千斤项推力及刀头磨损,此外,由于产生泥膜效果,保持并在一定程度上提高了土体强度,有效控制了变形的发展;(2)土压盾构掘进中的欠土压模式,可缓解土舱压力过大,使滚刀处于相对独立的状态,有利于提高刀盘的工作效能,此外,该模式在一定应力水平下对土体强度的影响较小,但是要注意控制侧向变形的发展,盾构掘进中应利用盾构本体正面挡板来保持地层的稳定.     

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。     

土压平衡盾构对砂层和软土地层的适应性分析

为了穿越天津海河"共同沟"盾构隧道的粉土、粉细砂软土地层,采用土压平衡盾构掘进,克服了土体容易液化、海河地下水丰富、水压大等多重困难,顺利完成了掘进施工任务。以土压平衡盾构的刀盘设计、刀具布置,泡沫注入系统,同步注浆系统和掘进施工参数为分析对象,充分证明了土压平衡盾构完全适合砂层、软土地层和地下水丰富地层的施工,为类似工程提供借鉴。     

无水砂卵石地层盾构刀具磨损的研究

介绍北京地铁10号线二期17标火器营站-终点站区间及长春桥站-火器营站区间无水砂卵石地层盾构施工采取的措施,展示了无水砂卵石地层对盾构刀具的磨损情况,讨论了刀具磨损的规律及刀具磨损与施工参数的关系。施工前对刀盘进行合理改进,施工中严格控制掘进参数,有效控制地表沉降、维持开挖面稳定,减小刀具磨损,最终使盾构顺利完成无水砂卵石地层施工,并对今后盾构在此类地层中施工提供借鉴。     

北京南水北调工程小直径盾构的针对性设计

以北京市南水北调配套工程河西支线第八标段工程为背景,针对隧道穿越卵石含量多且卵石粒径大的特点,对小直径土压盾构在刀盘结构、刀具布置、主驱动配置、螺旋输送机结构、渣土改良系统等方面进行针对性设计。指出应对大粒径卵石地层,小直径盾构采取配置大开口率的辐条式刀盘、抗冲击和抗磨损的刀具、大功率高承载的刀盘驱动、带式大直径螺旋输送机,以及有效的膨润土和泡沫渣土改良系统等方案,可有效提高施工效率,降低施工风险。     

土压平衡盾构刀盘的地质适应性设计

刀盘作为盾构最为主要的工作部件,在盾构掘进过程中起开挖地层,破岩,稳定掌子面和流动碴土等作用,刀盘的结构及刀具布置与工程地质条件有着密切的关系,不同地层应采用不同的刀盘结构和刀具类型,合适的刀盘设计是盾构施工安全的关键,是施工进度的保证,是经济效益的体现。下文以南京、长春、广州地区地铁施工为例,进一步阐述土压平衡盾构刀盘的地质适应性设计。     

南宁富水圆砾地层施工盾构耐磨设计

南宁地铁1号线某标段采用土压平衡盾构施工,盾构区间地层以富水圆砾地层为主,圆砾含量高达95.81%,盾构施工需要解决刀盘、刀具、螺旋机的耐磨问题。土压平衡盾构在圆砾含量如此之高的地层中掘进国内外尚无成功实例,本文针对这一问题进行了分析,提出了刀盘、刀具及螺旋机的耐磨设计方法。     

砂卵石地层盾构刀具动态磨损分析

减小盾构刀具磨损,是保证土压平衡盾构长距离掘进的重要措施.砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层,盾构在此种地层条件下掘进,盾构刀具磨损严重.采用最新动态监测装置,对北京地铁四号线四标角门北路站～北京南站区间隧道盾构刀具进行磨损监测,利用最小二乘法对监测数据进行回归分析.以刀具磨损系数为因变量,以千斤顶掘进速度v、千斤顶推力F、刀盘转速n以及刀盘扭矩T等掘进参数为自变量分别建立回归表达式,在此基础上提出掘进参数的合理选择范围,并建立刀具磨损量与掘进距离的拟合表达式,为工程实际中减小刀具磨损及预测盾构在类似地层条件下的最长掘进距离等提供理论依据.研究结论对于类似地质条件下盾构选型和实际施工有一定的指导价值.     

大直径土压平衡盾构在复杂地层中的应用

以都江堰至四姑娘山山地轨道交通土建1标项目的都江堰站至永丰站地下区间和永丰站至蒲阳站区间为工程背景，针对土压平衡盾构穿越高富水、大粒径砂卵石复杂地层进行研究，论述盾构的选型，分析掘进过程中存在的刀盘磨损严重、刀具更换困难、扭矩过大等实际问题，得出相关规律，采取针对性优化措施，从而使得刀盘结构对富水大粒径砂卵石地层的适应性更强，减少换刀频次，提高施工效率，大幅度降低施工成本，为类似地层的盾构施工提供一定的借鉴和指导。     

济南复合地层土压平衡盾构掘进效能实测分析#br#

依托济南轨道交通一号线复合地层土压平衡盾构掘进施工,提出一种在盾构机额定配置条件下的分项功耗和施工参数离散性指标双结合的掘进效能评价方法,并据此分析得到刀盘切削、盾构推进和螺机出土效能的变化特征。结果表明：①土压平衡盾构穿越济南复合地层时,盾构掘进总功耗在400~1250kW变化,其中,刀盘切削和盾构推进是盾构掘进功耗的主要组成部分,占总功耗的66%~84%;②刀盘切削的扭矩和转速具有明显的聚集特征,而盾构推进速度和推力分布形态的聚集特征弱于刀盘参数;③螺机出土的转速和扭矩在不同地层中的差异性不大,螺机参数的聚集特征不明显;④由于盾构掘进的分项功耗与其离散性指标不存在必然的联系,盾构施工中可能存在掘进功耗小但施工控制困难的情况,应在盾构选型及施工过程中予以充分考虑。     

富水砂卵石地层土压平衡盾构带压换刀技术

成都地铁1号线的盾构掘进表明,在砂卵石地层中开挖刀具的磨耗非常严重,平均120～150m需全面更换一次刀具.结合成都地铁1号线盾构3标项目,对浅埋富水砂卵石地层条件下的土压平衡盾构带压换刀技术进行了有益尝试并获得成功,从而形成了相关成套技术.主要包括带压换刀工作气压值的经验计算公式,膨润土泥浆的配合比和制备流程,以及按"到达预定换刀地点前"、"到达时"、"换刀结束后的恢复掘进"三阶段控制的施工工艺.     

砂土地层土压盾构隧道施工掌子面稳定性研究

土压平衡盾构在自稳性较差的砂土地层施工时若仓内支护压力过小可能诱发掌子面失稳,应引起高度重视。采用三维离散元方法分析了砂土地层土压盾构掘进与停机状态下的掌子面稳定性。研究建立了较为精细的土压盾构机模型并引入盾构动态施工过程,充分考虑了刀盘旋转切削土体与面板支撑对掌子面的影响,探讨了刀盘型式、隧道埋深以及刀盘转速等因素对掌子面极限支护压力与失稳区分布的影响规律,并从细观角度解释了砂土地层土压盾构隧道掌子面失稳机理。与既有研究相比,本文考虑了土压盾构动态施工对掌子面稳定性的影响,更加接近工程实际,研究成果可为确保砂土地层土压盾构隧道施工掌子面稳定提供参考。     

基于端头加固理论的盾构尺寸效应及界线研究

分析和总结了既有端头加固模型的不足,针对其局限性,考虑尺寸效应对盾构始发与到达端头加固的影响,提出了改进的荷载等效模型。基于既有模型和改进模型,对粉质粘土、粉土、砂土及与砂卵石等四种地层进行端头加固统计计算,讨论了应力及纵向加固范围与盾构直径之间的关系,验证了端头加固的尺寸效应,给出了大小盾构的分界线。研究结果表明:直径小于10 m和大于10 m盾构隧道端头土体的纵向加固范围、最大拉应力及最大剪应力同直径的关系曲线呈现明显不同的变化特征,10 m直径可以作为大小盾构的有效分界线。对于直径大于10 m的盾构隧道,使用改进模型进行端头加固计算更科学、更符合实际,结论更可靠。基于盾构始发与到达端头加固理论提出的大小盾构尺寸界线,可为将来进一步研究类似问题提供了参考。     

富水圆砾地层土压平衡盾构掘进参数优化研究

如今盾构法施工在地铁建设中已得到广泛应用,砂卵石、软土等地层的盾构施工技术日趋成熟,而富水圆砾地层的盾构施工技术研究较匮乏。本文依托南宁轨道交通2号线三十三中~苏卢站盾构掘进区间,对富水圆砾地层段和圆砾泥岩复合地层段土压平衡盾构掘进参数进行对比分析,并对圆砾地层土仓压力取值范围的计算方法进行讨论。研究结果表明,圆砾地层掘进参数波动幅度较小,其中,盾构推力、刀盘扭矩、注浆压力三者存在相似的变化趋势,土仓压力则有所增长。复合地层中掘进参数中盾构推力、刀盘扭矩、注浆压力波动幅度更明显,但土仓压力基本保持稳定。采用Terzaghi松动土压力或静止土压力计算值作为圆砾地层土仓压力取值上限更为合理。三苏区间采用的掘进参数对地表沉降基本控制在5mm以内,对圆砾地层盾构施工具有借鉴意义。     

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]     

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.     

富水砂层土压平衡盾构关键施工技术

沈阳地铁二号线会展中心站一世纪广场站隧道盾构区间穿越中粗砂、砾砂层,砂性土层内摩擦角大,碴土流动性差,排土困难,地下水量丰富、水压高,因此盾构掘进控制困难,容易造成地表沉降.从土压平衡盾构的适应性、刀盘和螺旋输送机的结构、刀具的配置和加固、碴土改良措施、沉降控制方法等方面介绍土压平衡盾构穿越砂层的施工技术.在施工过程中,通过采取同步注浆、二次注浆、加强施工监测等措施保证了既有线行车安全.     

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。