异形盾构全断面刀盘切削土体的流动特性仿真研究

随着城市地下空间的不断发展和隧道工程项目的增多,城市可供使用的地下空间用地正在减少。异形盾构由于其对空间利用的优越性,已经受到越来越多的关注。但异形盾构刀盘全断面切削性能大大受限于非常规的结构形式,为获得对异形盾构刀盘切削性能和土体的流动特性的深入理解,采用离散单元法(DEM)进行数值分析。通过研究不同推进工况下,刀盘切削过程中土体的流动特性,以及异形盾构刀盘切削速度和推进速度对土体流动特性的影响,对异形盾构全断面刀盘切削机理进行探索,并可提供借鉴。     

基于Kӧtter方程的盾构掘进面上被切削土体受力研究

为了计算不同土体性质与不同掘进参数下盾构刮刀与土体之间的作用力以及由此带来的切削扭矩,引入了修正后的Kӧtter方程作为补充方程,求解出开挖面上土体在被动切削至破坏时滑动面上的应力分布,建立了被切削土体受力模型,求解出刮刀刃面与土体之间的正压力p、摩擦力Q与侧向土体间抗剪阻力U,进而推导出刀盘切削扭矩T的计算公式。分析得到特定刀盘上刮刀的p,Q,U值随土体c,φ值增大而增大,通过适当提高刮刀刃面粗糙度来增大摩擦可使土体更易被切至破坏;p,Q,U值随刀盘转速ω增大而减小,p,Q随支护荷载p线性增大且p对于被切削土体受力的影响在砂性土中较大,最终给出特定刀盘掘进至部分种类土体中的切削扭矩值作为工程参考。     

基于K?tter方程的盾构掘进面上被切削土体受力研究

为了计算不同土体性质与不同掘进参数下盾构刮刀与土体之间的作用力以及由此带来的切削扭矩,引入了修正后的K?tter方程作为补充方程,求解出开挖面上土体在被动切削至破坏时滑动面上的应力分布,建立了被切削土体受力模型,求解出刮刀刃面与土体之间的正压力P、摩擦力Q与侧向土体间抗剪阻力U,进而推导出刀盘切削扭矩T的计算公式。分析得到特定刀盘上刮刀的P, Q,U值随土体c,j值增大而增大,通过适当提高刮刀刃面粗糙度来增大摩擦可使土体更易被切至破坏; P, Q,U值随刀盘转速w增大而减小, P, Q随支护荷载p线性增大且p对于被切削土体受力的影响在砂性土中较大,最终给出特定刀盘掘进至部分种类土体中的切削扭矩值作为工程参考。     

基于Abaqus软件的盾构刀具切削有限元分析

研究盾构刀具的切削过程,有助于提前了解和分析盾构切削刀盘的扭矩、刀盘转速、刀具切入深度等盾构机基本参数的合理性及其对结果的影响。介绍了采用基于Abaqus软件的有限元数值方法,建立了刀具切削土体过程的三维分析模型,对盾构刀具的切削过程进行了动态仿真。土体采用Drucker-Prager塑性模型,通过CEL方法进行流固耦合计算,较好地反映了刀具切削土体的变化过程,并获得了以下结论:切削土层材料的屈服应力越大,切削所需的力越大,刀盘扭矩也越大;切削速度对切削力大小的影响较小,切削速度放慢,切削力的波动较小,刀具受力更为稳定;切削刀具上的切削力随插入土体深度增加而增大。     

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。     

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...     

砂性土层盾构掘进面前土体改良现场试验

针对土压平衡盾构在砂性土层掘进时常面临的闭塞、喷涌、刀具严重磨损、掘进速度过慢及刀盘扭矩过大等难题,依托上海某盾构在高含砂率砂性土层中掘进的工程实例,在盾构掘进面前方掺加肥皂水、泡沫剂进行现场试验,通过试验前后盾构施工参数的反馈分析结果,确定出土体改良最佳方案。将试验成果应用于相似地层,通过长距离改良前后掘进速度、刀盘扭矩以及刀具磨损变化来检验试验成果。研究结果表明:肥皂水改良效果不明显,泡沫剂改良效果优于肥皂水,适量浓度泡沫剂能大幅度提高掘进速度、降低刀盘扭矩和减少刀具损耗。     

盾构同步压浆装置在上海地铁工程中的应用

上海地铁盾构是从法国FCB公司引进的φ6340mm的土压平衡盾构,它配有同步压浆装置。这是盾构法施工中比较先进的技术,在盾构向前推进时不停地向盾尾空隙中加压注浆材料,通过连续加压,使注浆材料充入建筑空隙而未达到土体相同强度前,能保持与土体压力相当的压力,从而使地面沉降控制在最小的范围。一般讲,使用同步注浆的注浆材科因渗透到盾构开挖面而影响盾构施工,但土压平衡盾构由于切削刀盘内滞留有切削土,因此     

盾构法施工引起邻近地下管线位移分析

采用三维有限元方法,考虑土体、地下管线、盾壳以及衬砌的相互作用,用ANSYS程序软件模拟盾构推进对邻近地下管线位移的影响,探讨盾构刀盘推进力、盾构开挖面到地下管线不同距离、注浆程度等因素对地下管线位移的影响。     

玻璃纤维筋在成都地铁工程的应用

地铁盾构隧道盾构机进、出洞时,都必须穿过端头井井壁。通常端头井井壁为钢筋混凝土材料,盾构刀具无法直接切削,需要将井壁拆除后方可通过。在井壁拆除到盾构通过这段时间内,井壁拆除后的外侧地层直接暴露,易出现出现涌水和坍方,造成盾构无法进、出洞,进而造成周围地层沉降。目前国内主要是通过加固端头井外土体进行控制,但由于地质情况的不同,加固的效果很难保证。文章介绍的玻璃纤维筋可替代钢筋应用在端头井井壁上,盾构刀具可直接切削,井壁不需拆除,能减少土体直接暴露的风险,有效降低盾构在进、出洞环节上安全风险。     

盾构穿越既有桥梁桩基磨桩技术的研究

基于杭州地铁2号线建国路站—中河路站区间盾构穿越凤起桥6根大直径桥桩工程需要,根据软土地区及大直径桩基特点进行刀具选型,结合Advant Edge FEM有限元软件对贝壳刀的角度进行设计,并对刀具布置方式进行研究。研究结果表明：双面刃、零后角、负前角组成的贝壳刀,结合先行刀与刮刀,采用同心圆三段高差立体刀具布置切削桩基效果最佳。将结果应用到盾构刀盘改进,配合盾构推进过程中的施工控制,对桥面进行沉降监测。监测结果表明：盾构磨桩过河区间中桥面平均累计沉降仅-3.09 mm,未对凤起桥及河流产生明显影响,切削钢筋效果较好且只有极少部分钢筋缠绕在刀具上。此项技术成功应用于杭州地铁2号线凤起桥磨桩工程,可为今后类似磨桩工程提供借鉴。     

盾构直接切削大直径钢筋混凝土桩基试验研究

基于苏州地铁盾构切削穿越14根大直径桥桩工程需要,开展盾构直接切削两根直径 1 200 mm桩基的现场试验,分析切桩效果及机制、掘削参数特征、刀具损伤规律等,并探讨研究盾构直接切削大直径桩基的可行性及关键技术。试验表明：贝壳刀可适用于直接切削桩基,以剪切切削与侧向挤碎的方式破除混凝土,切筋机制为剪切切削;钢筋受周边混凝土的包裹固定情况是其能否被有效切断的关键因素;作用于桩身的推力值、扭矩值与切深近似成线性关系;切桩时推速的波动幅度较大,易造成刀具合金崩裂;切削侧部桩相比中部桩对刀具的损伤更大。根据试验结果,提出超前贝壳刀的配置方案以及分次切筋的切削理念,建议推速设定值不超过2 mm/min,刀盘转速宜用中档。试验成果成功应用于苏州切桩工程,试验与实践共同表明盾构直接切削大直径桩基是可行的。     

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.     

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。     

关于盾构机刀盘结构设计的几个问题

刀盘的结构及刀具的配置直接关系到盾构掘进的效果和效率，通过对比辐条式刀盘和面板式刀盘的结构形式和刀具布置等因素，阐述上述因素在掘进过程中的主要作用，确定刀盘的设计是决定整个设备掘进效果的关键，因此针对不同的地层情况进行有针对性的设计和调整，通过合理优化，将有效延长刀盘、刀具的使用寿命，降低施工成本，为长距离盾构施工提供可靠保障。     

泥水盾构掘进参数对地面沉降影响实例研究

通过对杭州庆春路过江隧道施工中泥水盾构掘进参数及地面沉降的分析,讨论泥水盾构掘进参数对地面沉降的影响。分析表明:①适当提高切口泥水和同步注浆压力使地面微量隆起,可抵消部分地层损失,降低地面总沉降量;②及时快速的盾尾同步注浆是减少盾尾地层损失的关键,而单纯增加注浆量并不能起到控制盾尾沉降的作用;③在保证掘进稳定均匀的前提下,提高掘进速度可以降低地面沉降,相反,盾构长时间搁置会加剧地面沉降;④适当降低刀盘扭矩的同时加大转速,可以加快推进速度,减少刀盘的扰动和盾构偏转,同时降低切削土块的尺寸,减少盾构掘进泥浆管堵塞的风险;⑤良好的盾构姿态控制,可以减少超挖以及盾壳对周围土层的摩擦、挤压,从而减少地层损失和固结沉降;⑥盾构掘进所致地面隆起变形较无规则,使得横断面地面沉降偏离高斯曲线分布。     

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]     

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。