盾构机刀盘磨损修复技术的应用实践

刀盘是机械化盾构机的掘削机构,具有开挖地层、稳定开挖面、搅拌渣土等功能,并承受大扭矩、大推力和冲击载荷的作用,其工作状况非常恶劣.因此,刀盘在盾构推进过程中将会不可避免地出现磨损.通过工程实例,介绍了盾构机刀盘磨损修复的技术应用.     

苏通GIL综合管廊工程泥水盾构穿越致密复合砂层磨蚀性预测分析

高磨蚀性致密砂层中盾构刀具磨损严重制约施工效率。为准确预测大直径泥水盾构刮刀的磨损量与削掘距离寿命,本文采用隧道断面面积统计分析法和分段体积统计分析法对苏通GIL综合管廊工程DK0+~DK1+780段隧道所穿越的密实复合砂层进行统计分析。结合典型断面各地层面积权重,分段各地层体积权重及单一地层磨耗系数K得到了隧道穿越密实复合砂层各典型截面和分段上加权平均磨耗系数K'及其变化规律。根据加权平均磨耗系数K'及相应刀具磨损模型,对大直径泥水盾构在密实复合砂层中刀具磨损量及削掘距离寿命进行预测。并将预测结果与类似工程地质条件下南京长江隧道大直径泥水盾构实际施工过程中刀具磨损量及削掘距离寿命进行比较。研究结果表明:加权平均磨耗系数K'随掘进里程增加整体呈逐渐增大趋势,在1778m处取得最大值K'_max=18.36×10-3mm·km-1;刀具最严重磨损发生在安装直径D=12.07m处。取限定磨损量δ=5mm,对应的削掘距离寿命分别为L₁=1063m和L₂=453m,因此需要进行两次刀具更换。与南京长江隧道泥水盾构刀具实际磨损情况的对比表明预测结果具有较高的可靠性。该研究成果为苏通GIL综合管廊工程及类似地层条件下越江隧道盾构刀具磨损预测及更换提供了一定的理论依据。     

NSQYPHFH1493型泥水气压平衡复合式隧道掘进机通过鉴定

中机联在南京组织专家对中交天和机械设备制造有限公司和中交隧道工程局有限公司共同完成的“NSQYPHFH1493型泥水气压平衡复合式隧道掘进机”科技成果进行了鉴定。该成果发明了备用可推出式滚刀技术,解决了特殊情况下固定式滚刀磨损后难以更换的难题。研制了刀盘伸缩机构,提高了各类刀具更换的效率,并极大地降低了成本,有效地解决突发事故刀盘卡死处理的难题。     

青岛地铁土压平衡盾构碎石土改良方法研究

盾构在碎石土地层掘进时经常面临着地层渗透性强、刀盘扭矩大、刀具磨损严重等诸多困难。为解决上述施工难题,以青岛地铁4号线典型的碎石土地层为研究对象,首先通过颗粒筛分、LCPC试验和渗透性试验评价了碎石土的基本特性,结合传统的砂土和黏性土改良方案设计了5组碎石土改良配比方案,对不同配比方案进行坍落度试验、渗透性试验和直剪试验,分析了不同改良指标碎石土的流塑性、渗透性及抗剪力学特性,根据实际工程中盾构刀盘扭矩的变化情况验证了泡沫与聚合物组合改良的最佳方案。研究表明：7%浓度泡沫与5%浓度聚合物配比的改良剂能够有效降低碎石土的渗透系数,同时起到降低刀盘扭矩的作用。     

挪威首个隧道工程采用TBM盾构施工

挪威首个隧道工程按计划在1月采用TBM盾构机进行施工,该项工程将历时22年。直径7．2米的罗宾斯盾构机刀盘转动仪式在2013年11月底举行,该盾构机将用于Rossaga水力发电工程隧道段的施工。     

全断面盾构机异质岩土掘进载荷等效模型研究

由于岩土结构的变化,全断面盾构机在掘进过程中推进力和扭矩需要进行适当的顺应性设计以获得良好的掘进效率,以减少刀具磨损和损伤破坏事故的发生。针对盾构机在掘进过程中遇到的典型地质结构,建立地质结构的圆形百分比模型,分析刀盘上不同刀具在掘进过程中载荷受力,建立不同刀具及总扭转载荷的数学表述方法,基于该方法对盾构机在异质岩土结构中旋转时刀盘总扭矩随旋转角度的变化特性进行研究,结果表明,在软岩与硬岩比例大约为30%时刀盘的扭矩载荷波动最大,容易造成刀盘堵转及损伤事故,该可以解释云南上公山隧道掘进时频繁堵转产生机理,为异质岩土掘进时盾构机冗余驱动电机的顺应性设计提供指导。     

TBM滚刀磨损研究现状及展望

机械制造技术和经济的发展,促使越来越多的水利、交通和矿山采用全断面隧道掘进机(TBM)进行隧(巷)洞(道)的开挖。TBM刀具的磨损对掘进效率和成本有很大影响,刀具磨损研究对提高刀具耐磨性、提高刀具磨损监测和更换的及时性以及合理预测并控制掘进工期和成本都具有重要意义。从TBM刀具磨损的形式、影响因素、监测方法和滚刀磨损定量预测模型几个方面,综述了国内外TBM掘进过程中滚刀磨损检测与预测相关的研究进展,提出了TBM刀具耐磨性提升、刀具磨损检测和磨损定量预测的研究方向。     

大口径工程施工用滚刀钻头的研究

在大口径基岩和水井工程施工中,回转钻进破岩目前被国内外认为是一种快速、有效、经济的工艺方法.而回转钻进中常用的刀具主要是各种形式的滚刀钻头.破岩滚刀从结构形式上大致分为镶齿、楔齿和盘型滚刀.镶齿滚刀主要用于硬岩钻进,因价格昂贵难以用于基桩工程和水井施工.在楔齿滚刀中,传统的楔齿主要采用喷涂、电焊GW合金、激光熔敷等方法进行强化刀齿表面处理,效果不甚理想.而盘型滚刀只是将刀齿作圆周状分布,其刀齿材料和处理方式同楔齿和镶齿大致相同,主要用于反井钻进和巷道掘进,价格较高.针对这种情况,我们于1989年开始立项研究CG经济型滚刀及滚刀钻头.CG型滚刀的最大特点就是采用高强度、高硬度、高耐磨性的钢结硬质合金作为刀齿,合金密封,大大提高了滚刀钻头的可靠性和使用寿命,降低了产品成本.该型滚刀钻头在基岩中钻进最高寿命达140 m,在中硬地层中钻速最高可达0.5 m/h,在硬地层中钻进最高钻速达到0.3 m/h,充分显示了其在基岩钻进中的优势.这种经济型滚刀于1993年通过了部级鉴定.1995年获<国家级新产品证书>,并被定为河北省科技开发项目.1996年该型滚刀又获原地质矿产部科技成果三等奖.     

大直径滚刀钻头在卵漂石地层中的应用

通过施工现场对不同钻进工艺,不同类型钻头的对比试验,得出大直径滚刀钻头在卵漂石地层哪钻进具有优越性并提出影响其效率的因数。     

土压平衡式盾构机刀盘扭矩力学模型研究

土压平衡式盾构工法逐渐成为了城市地下隧道建设的主流方法,其刀盘扭矩相对于泥水加压式盾构机的刀盘扭矩大得多,已经成为了盾构工程界普遍关注的一个问题。目前,对于扭矩的计算大多采用经验估算的办法,存在过大的扭矩估算区间,由于施工经验的缺乏以及为了工程施工安全,不得不采用扭矩的上限值来进行盾构装配扭矩的设计,从而造成较大浪费。根据刀盘扭矩的形成机制,分别探讨各组成部分扭矩计算方法,综合后得到盾构机刀盘扭矩的计算力学模型。最后通过一个地铁盾构施工实例验证盾构刀盘扭矩计算力学模型的合理性。     

复合式土压平衡盾构刀盘失效风险分析

通过对复合式土压平衡盾构刀盘失效的事故种类及原因的分析与总结,应用故障树分析（FTA）方法对刀盘失效风险进行了研究,建立了刀盘面板、刀具和其他刀盘体系的故障树系统模型。通过定性与定量分析,讨论了各项风险事故的潜在失效模式和影响因素。结合具体工程进行了应用,并提出了针对性的控制措施。研究有助于复合式土压平衡盾构刀盘的设计、施工的决策与控制。     

The Derivation and Validation of TBM Disc Cutter Wear Prediction Model

The problem of disc cutter wear is inevitable when shield or TBM excavating hard rock for a long distance, thus, the study of disc cutter wear model has an important project value on predicting its service life and replacement opportunity. It is put forward by analyzing disc cutter wear mechanism that the main wear form is abrasive wear, which is based on plastic removal mechanism. Then, disc cutter wear rate and linear wear rate prediction models are obtained by approximate calculation and mathematical deduction, which are based on Rabinowicz equation and CSM model. At last, the two models are verified through field test data from three projects, and the results show that the prediction model can accurately reflect the real wear situation of disc cutter.     

土压平衡盾构施工的顶进推力模型试验研究

在盾构的掘削过程中,千斤顶顶进推力是一个重要的施工参数,它不仅决定着施工速度,而且还影响着刀盘的切削扭矩、转动速度等其他参量。但是,目前对千斤顶顶进推力的变化规律,尤其是土体与盾壳之间摩擦阻力的研究还不够深入。以上海地区粉砂地层为参照原型,借助于模型试验方法,通过对盾构机工作参数和地层特性参数进行不同的组合试验,研究了土压平衡盾构推进过程中顶进推力变化的规律,以及土体与盾壳之间摩擦作用的机理及其影响因素。在此基础上推导了盾构千斤顶顶进推力的计算公式。     

考虑动态泥膜效应的盾构开挖面稳定理论研究

泥水盾构工法被广泛应用于高压富水复杂地质环境中修筑隧道,其中开挖面稳定控制是工程成败的关键,在盾构掘进时,由于刀盘不断旋转切削地层,开挖面上的泥膜处于“形成―破坏―再形成”的动态循环过程,泥膜透水性增强,这种动态泥膜作用下开挖面的稳定如何评价有待于进一步探索。对此,对泥水盾构掘进过程中的动态泥膜进行了分类,提出了考虑盾构运动和泥浆渗滤特征的动态泥膜理论。在此基础上,采用空间离散法将泥水压力引入旋转体模型,建立了考虑动态泥膜效应的开挖面稳定力学模型,提出了泥水盾构动态掘进过程中开挖面临界泥浆压力及泥浆支护效率评估方法,研究指出：当盾构在强渗透性地层中掘进时,在尽量提高泥浆成膜率的同时,应注重泥浆黏度调节,充分发挥渗透力支护作用,同时可适当提高盾构掘进速度并降低刀盘转速,有利于开挖面稳定控制。以泥浆成膜率、等效渗透系数为依据给出了泥浆支护效率设计图,研究工作对盾构掘进支护压力控制和泥浆配置有一定的借鉴意义。     

土压平衡盾构掘进参数关系及其对地层位移影响的试验研究

土压平衡盾构机施工过程中,正确地选择掘进参数可以有效地保持开挖面稳定、减少土体位移和地面沉降。通过对杭州地铁1号线盾构隧道施工进行现场监测,研究了盾构机参数关系及其对地层位移的影响。监测内容包括：地表沉降、土体侧向位移、超孔隙水压力以及记录盾构机实时工作参数。研究结果表明,盾构机总推力、土舱压力和刀盘扭矩变化基本同步;盾构机到达前,地表沉降主要受出土率的影响,施工沉降与盾构机土舱内外压力差值成反比;盾尾通过测点后0.5～1 d时间,超孔隙水压力快速下降,且在盾尾通过10 d左右完全消散;工后沉降分为加速沉降阶段和缓慢沉降阶段,占总沉降的 50% 以上,且在孔压计超孔隙水压力消散后继续缓慢发展。     

泡沫改良砂卵石土的试验研究

砂卵石土具有内摩擦角大、流动性差、渗透系数大等特点,在砂卵石地层的盾构施工时会引起出土困难、刀盘磨损、地下水喷涌等问题。通过泡沫优化试验,得到泡沫半衰期及发泡倍率最优时的发泡液浓度为2%～3%。基于四川成都地铁7号线茶店子站至一品天下站区间砂卵石地层,配制卵、砾石含量为20%、40%、60%、80%的土体,掺入泡沫进行室内大型剪切试验、坍落度试验和渗透试验,发现随着泡沫注入率的增加,包裹在砂卵石土周围泡沫土的含量增加,砂石分离现象逐渐消失,抗剪强度和内摩擦角呈非线性降低,坍落度逐渐增大,抗渗性能明显提高,并得到了不同含石量砂卵石土满足盾构施工中“理想状态土体”要求的泡沫注入率。研究成果对砂卵石地层盾构掘进中的相关问题解决具有一定的意义。     

旋喷桩在盾构法隧道端头井洞口土体加固工程中的应用

盾构法隧道在进行盾构机的始发或到达作业时,当既有端头井洞口挡土墙结构凿除后,保证该位置土体在盾构机刀盘贯入或脱离地层前一段时间内的稳定就成了盾构机始发或到达施工的关键。结合工程实例,从高压注浆原理、注浆参数和施工工艺等方面阐述了二重管旋喷桩在盾构法隧道端头井洞口土体加固工程中的应用。再者,针对旋喷桩加固以及与其相关的盾构始发或到达施工技术方面的一些问题也提出了一些建议和看法。