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。     

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。     

土压平衡式盾构掘进试验及掘进数学模型研究

应用正交试验设计技术，进行盾构掘进参数组合试验，采用多元统计分析方法，对土仓压力、推力、刀盘转速等主要掘进参数对掘进速度、刀盘扭矩的影响进行了研究，得到了土压平衡式盾构在软土中的掘进速度数学模型和刀盘扭矩数学模型，模型平均误差约为10％。研究结果表明：对掘进速度和刀盘扭矩影响最大的3个操作参数依次为：千斤顶推力、土舱压力和刀盘转速。掘进速度、刀盘扭矩与千斤顶推力成正比，与土舱压力成反比，刀盘转速对刀盘扭矩和掘进速度影响不大。     

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。     

土压平衡盾构掘进总推力的计算与试验研究

土压平衡盾构在我国的地铁建设中,起着越来越重要的作用,由于其作业环境和作业对象的复杂性,对作业过程中的许多技术参数要进行认真研究,其中土压平衡盾构掘进过程中的总推力就是需要进一步研究的主要参数之一.土压平衡盾构总推力的数学模型对土压平衡盾构的设计、选型以及控制方法的选择有重要的指导意义.建立了土压平衡盾构掘进过程中总推力的数学模型,并分析了诸如刀盘开口率、盾构与土体接触长度、盾构壳体与周围土体之间的摩擦系数以及土舱压力等参数对盾构总推力的影响.所建立的数学模型在以1 800 mm盾构和一个长8.6 m的模拟土箱组成的模拟盾构试验台上进行了掘进试验验证.结果表明,实际总推力与根据所建立的数学模型得出的计算值基本相符;总推力与土舱压力,盾构与土体接触长度等关系密切,尤其是土舱压力的平衡与否对总推力的影响作用十分明显.     

黏性地层面板式土压平衡盾构刀盘泥饼堵塞试验研究

面板式土压平衡盾构机在黏性地层中掘进时刀盘容易出现结泥饼问题,泥饼形成后会覆盖刀具、堵塞刀盘开口,从而降低刀盘的掘进效率,甚至使得盾构机完全丧失掘进能力,给盾构隧道施工带来严重影响。首先介绍了刀盘与土颗粒之间的黏附机理,通过自制的面板式刀盘掘进模拟装置开展了室内试验,研究了盾构掘进速度和刀盘扭矩的变化规律及其与刀盘堵塞之间的相关关系。研究表明:刀盘堵塞是一个连续渐进的过程,土颗粒首先在刀具密集处黏附聚集,然后逐渐扩大形成泥饼;泥饼形成后会覆盖刀具,降低刀具对地层的贯入度,并堵塞开口,降低渣土通过效率;在掘进参数上面主要体现为刀盘扭矩增大、盾构掘进速度减慢、排土顺畅度降低;刀盘开始结泥饼后,刀盘扭矩的增长符合三次多项式函数关系,掘进速度呈指数型降低;试验同时表明,土体含水率对刀盘结泥饼及堵塞具有显著影响,当其接近塑限时,泥饼最容易形成,盾构掘进效率最低,刀盘开口堵塞风险最大。研究成果对于评估黏性地层面板式土压平衡盾构掘进刀盘结泥饼及堵塞的风险具有借鉴意义。     

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。     

土压平衡盾构掘进的数学物理模型及各参数间关系研究

为保证开挖面稳定及控制地面沉降,土压平衡盾构掘进时必须合理匹配各施工参数。基于模型试验结果,推导土压平衡盾构的3个基本方程式,进而得到土压平衡盾构2个总平衡方程式,建立土压平衡盾构掘进的数理模型。在此基础上推导总推力、土仓压力、螺旋机转速、掘进速度间关系的数学表达式,利用盾构施工的现场数据验证关系式的正确性。利用现场掘进数据统计刀盘扭矩、刀盘转速、土仓压力间的经验关系式。这些关系对土压平衡盾构设计时的参数选择和匹配有重要的指导意义,可以应用于土压平衡盾构施工时的参数控制。土压平衡盾构掘进的连续性方程为土压平衡盾构掘进时的地面沉降控制提供了新的研究思路。     

无水砂卵石地层盾构施工常压开仓刀盘改造技术

土压平衡盾构机的刀盘开口率直接影响着盾构施工过程中的渣土排放率以及开挖面压力平衡情况。某输变电工程采用盾构法施工,在掘进过程中出现盾构机刀盘扭矩过大、过载频繁、掘进速度慢、刀盘磨损严重、泡沫和膨润土用量增大、渣土含水量增大、千斤顶推力增大、排出渣土变热等现象。经过咨询专家,查找、分析原因,确定上述问题是由于刀盘开口率低,破碎的渣土未能及时进入土仓,固结在刀具、辐条等部位形成泥饼而导致的。项目部及时对盾构机刀盘进行改造,增大刀盘开口率,解决了上述问题,刀盘改造的成功经验可以为类似工程提供借鉴。     

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.     

Determination of the cutterhead torque for EPB shield tunneling machine

Cutterhead torque is an important parameter for the design and operation of earth pressure balance (EPB) shields. Based on the analysis of several completed project cases from job sites, the conventional torque determination model based on experimentation proves rough enough to be improved. Composition and corresponding calculation method of cutterhead torque are presented, taking into account of cutterhead structure, cutting principle and the interaction between cutterhead and soil. Considering a Φ1.8 m EPB test machine in the lab, theoretical calculation following the improved model and test are carried out with three typical types of soils. Calculation and test results indicate that the cutterhead torque varies with geological conditions apparently, and the opening ratio of the cutterhead as well as earth pressure turns out to be the two most important factors in determining the cutterhead torque. The test results also show that the torque calculation formula for EPB shield tunneling can reasonably predict the excavation torque required by the cutterhead in clay soil tunneling, but for cohesionless tunneling, soil conditioning reduces the amount of torque necessary.     

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]     

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。     

软土地层土压平衡盾构法施工的模型试验研究

我国沿海地区以及许多内陆城市的地下广泛分布着很深的软黏土沉积层,目前该区域的许多城市都已兴建或正在筹建地铁。为确保在这种软弱地层中能采取与之相适应的盾构工法、减少对周围环境的影响以及降低工程造价,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,进行了土压平衡盾构针对软土地层的适应性试验研究。为此,首先根据相似理论和模型试验方法建立了土体–盾构机器之间的相似系统;随后,针对上海地区特定的软土地层,进行了人工模型土壤的配制和模型试验方法的设计,并利用直径400 mm的模型盾构机模拟直径6340 mm的原型盾构机;最后,进行盾构不同工作参数组合的掘削试验,并记录下试验过程中机器工作参数及土体内应力和变形变化的有关试验结果,通过对试验数据的整理与分析,得出了软土地层中土压平衡盾构法施工的一些有用的规律。     

EPB盾构掘进机关键参数设计计算与软件实现

土压平衡(EPB)盾构掘进机是目前国际、国内隧道施工的主力机型,为满足复杂的设计要求和工程施工要求,需要对其关键参数进行计算,其中盾构的外载荷、刀盘转矩、盾体推力和主驱动功率等是土压平衡盾构的主要关键参数,对土压平衡盾构的设计、选型和控制方法的选择有着重要的指导意义。对上述参数进行了分析计算,并基于C++Builder开发了土压平衡盾构掘进机关键参数设计计算软件。最后通过实例检验,表明该软件计算精确,效率高,能够保证盾构性能可靠,满足施工要求。     

土压平衡式盾构掘进过程的相似模型试验

土压平衡式盾构掘进过程是一个多系统综合运作的复杂力学过程。为实现土压平衡盾构掘进过程的相似模拟,设计制造能够完成掘削面开挖、螺旋出土器出土、盾构机推进、管片拼装、盾尾注浆等全过程模拟的土压平衡式模型盾构机。其次对盾构-地层系统的相关参量进行甄别,选出对试验结果有重要影响的参量,同时基于相似理论,通过量纲分析的方法得到盾构-地层系统的相似准则。基于该相似准则,进行土压平衡式盾构掘进过程的室内相似模型试验,获得土压平衡式盾构掘进对地层影响的一般规律,该试验结果经过相似关系换算后可直接反映出原型中的实际地层沉降量。这种能够实现掘进全过程模拟的土压平衡式模型盾构机为深入研究盾构施工对地层及周围环境的影响提供新手段。     

Estimating torque,thrust and other design parameters of different type TBMs with some criticism to TBMs used in Turkish tunneling projects

It is crucially important to select a proper TBM and define its basic specifications such as installed cutterhead torque and TBM thrust capacities for a special job. Underestimation of these parameters would reduce excavation performance. In order to generate a general guidance on determination of some of TBM specifications, a database including 262 TBMs’ design parameters is established. The statistical relationships between the design parameters of 262 TBMs (72 open, 24 single shield, 41 double shield, 86 EPB and 39 slurry TBMs) manufactured after 1985 in the world are investigated and theoretical concepts behind the relationships between TBM diameter and installed thrust capacity, nominal cutterhead torque capacity, total weight, maximum rotational speed of cutterhead, and number of disc cutters are discussed. Some of the correlations between these parameters are found to be strong. The results are summarized in a table given upper and lower limits of predicted values. At the end, some data obtained in different 30 tunnels excavated in different geological conditions with different TBMs in Turkey are discussed to test the validity of predictor equations developed within the frame of this study.