沉管分次预制施工周期较长、纵向施工缝渗水风险较大,而常规钢木混合体系模板难以满足全断面预制一次浇筑成型的质量与进度要求。为解决上述问题,研制出一款可自行走的全断面液压模板台车,其内模台车采用三角形桁架结构及液压步履式自行走系统,可实现内模台车的快速移位;外模台车采用无拉杆斜支撑桁架结构,可降低结构的渗水风险;端模采用梳齿型组合钢模,可提高周转利用率;同时,外模台车可为体系转换提供条件,节约施工周期。通过ANSYS软件对混凝土浇筑过程中的模板变形和位移数值进行模拟,实践证明,该模板台车可保证沉管全断面顺序预制工艺的实施和浇筑安全。

为提高单护盾TBM在长距离硬岩地层中的适应性,针对单向出渣单护盾TBM在掘进过程中的盾体滚转问题,设计2种可防止和纠正盾体滚转的系统。通过分析单护盾TBM盾体滚转产生的原因和影响因素,提出2种单向出渣单护盾TBM纠滚技术——不依赖管片的盾体主动纠滚技术和推进油缸偏转纠滚技术,说明2种盾体纠滚技术间的联系,建立盾体姿态控制数学模型,阐述盾体滚转发生的临界条件和控制盾体姿态需满足的要求,并结合工程实例说明推进油缸偏转控制盾体姿态的可行性和有效性。

为解决当前手段不能实现管环端面平整偏差自动测量的问题,及时为人工补偿平整偏差提供数据依据,基于所建立的模型设计自动测量方案并对测试应用结果进行分析总结。通过分析盾构施工特点,确定可在盾构坐标系内表征测量点坐标,在此基础上推导基于推进油缸行程的管环平整偏差数学模型,证明基点与测量点间距与安装角度关系可由三角函数描述,且可在平面直角坐标系内计算平整偏差。设计基于油缸行程传感器的评估算法、测量方案,实际测试的数据表明,和人工测量结果相比,该系统能以较高精度自动监测管环平整偏差,有效降低测量人员的劳动强度。

为解决目前双三角钻臂液压系统参数设计采用相关经验值加安全系数的方法存在的系统压力设计偏高、液压部件选配耐压等级大、系统发热严重、制造维保成本高、系统功耗大等问题,对双三角钻臂结构进行理论分析,采用运动轨迹投影和静力学分析的方法,建立钻臂运动过程中双三角负载与运动位置之间的关系,根据臂架设计参数获取其极值及其极值位置的油缸负载参数。根据双三角结构工作原理并结合臂架工作环境,设计一种负载敏感液压控制系统,经理论分析和计算,确定系统的原理和液压元件的主要参数并试验。试验结果表明,运动极值位置的液压系统负载参数与理论分析参数基本一致,系统运行整体平稳可靠,随动油缸调节功能正常,隧道内试验3 h液压系统温升65.5℃,证明该液压系统设计的合理性和可应用性。

为解决盾构主驱动密封系统在掘进过程中失效,造成主驱动、主轴承或齿轮损坏的问题,以某系列土压平衡盾构主驱动密封系统的结构和工作原理为基础,首先,采用适用于现场施工条件的主驱动密封气压检测技术,即分别向内、外密封各腔体内通入100k Pa压缩空气,保压30 min后,压降值在允许范围内为合格,超出为不合格,进而判定主驱动密封是否失效。然后,结合现场经验和理论分析,从设计、装配、操作、磨损4个方面对密封失效的原因进行分析,得出装配不合格、操作不当和正常磨损等问题均是目前最常见的密封失效原因。最后,针对密封失效原因,分别从设计、安装、操作、日常维保等各个环节进行预防把控,以保证主驱动密封系统达到设计使用寿命。

为从不同工况、动态、静态等状态下分析主驱动密封润滑系统对主驱动轴承的保护效果,提出一些可以供掘进机主驱动设计、使用参考的建议。首先,制作透明的主驱动密封油脂扩散装置,通过油脂计量阀进行油脂注入,分别设置不同的迷宫长度、迷宫间隙和润滑量,进行油脂扩散弧长的计量,从而验证油脂的扩散与主驱动迷宫设计对主驱动保护的异同。然后,以某主驱动润滑系统模拟试验台为基础,采用不同的密封润滑剂形式、润滑剂量和刀盘转速相结合,从不同角度对主驱动密封的温度上升原因进行分析,并提出合适的密封工作温度建议。最后,针对部分TBM机型密封失效原因进行分析,并提出可以根据不同机型进行主驱动密封润滑系统设计的思路,以保证主驱动密封系统的良好性能。

为解决隧道掘进机主驱动高压密封技术难题,指导高压工况下密封系统参数设计,通过搭建Φ5 m级主驱动密封试验台,采用静态试验与动态试验相结合的方法,验证密封试验台的可行性,并深入研究转速、承压状态与冷却水流量对唇形密封与聚氨酯密封2种高压密封系统运行温度的影响。结果表明:1)静态试验下,高压密封系统逐级加压至2 MPa可保持稳定,验证了2种密封系统的高承压能力;2)唇形密封与聚氨酯密封的动态试验显示,高转速会降低承压密封的稳定性,在高压下影响显著增强;3)转速对密封系统温度有较大影响,与密封系统温升呈正相关,并且承压越高,密封系统温升越大;4)2种密封系统在转速1.5 r/min附近可均衡系统稳定性与发热量要求,聚氨酯密封结构的冷却水流量控制在50 L/min较优。

为从机制上深入研究超高水压下盾尾密封性能,利用机、电、液相关控制技术研制出超高水压盾尾密封性能试验台,重点设计要素有:1)动作姿态设计,试验台通过控制油缸伸缩实现轴向移动、径向移动和转向偏转等动作,模拟盾构掘进过程中的姿态变化;2)油脂供给设计,采用由5道盾尾刷形成的4个油脂腔,模拟超高水压盾构盾尾密封设计;3)超高水土压力供给设计,设计一套安全、可靠、承压可达2.5 MPa的泥水循环保压系统,模拟盾构超高水土压力。试验台为模拟超高水压复杂施工环境做好了充足的准备,通过后期测试在超高水压下的静态、动态盾尾密封性能,研究不同的水土压力、油脂腔数量、油脂质量、盾尾刷质量以及盾构掘进姿态、管片错台等因素对盾尾密封性的影响程度。

为解决TBM在软弱围岩和断层破碎带中掘进的适应性以及有效应对收敛变形造成的侵限和卡机问题,结合秦岭隧道、大瑞铁路等TBM应用案例,通过对液压式扩挖刀、边滚刀外移、预留扩挖刀箱、主驱动偏心设计和更换刀盘边块5种针对性设计方案进行对比,得出不同扩挖方式的应用特点及适用机型。主要研究结论如下:1)液压式扩挖刀可单独适用,适用于短距离扩挖,其他4种方式均适用于长距离扩挖;2)在半径方向扩挖量大于50 mm时,边刀外移必须和刀盘抬升同时使用;3)半径方向最大扩挖量不宜超过100 mm,更大的扩挖必须通过更换边块方式解决;4)随着TBM技术的发展,半径方向100 mm以上的便捷扩挖方式仍是下一步研究的方向。

为解决综合管廊预制模板存在的混凝土胀模、支撑体系失稳、合模脱模效率低等问题,依托雄安新区长节段大吨位装配式综合管廊示范项目,研制出一套综合管廊整体预制液压模板。在综合管廊整体预制特点及施工流程分析的基础上,对液压模板的侧模、端模、内模结构及其驱动机构进行详细设计。侧模采用液压驱动机构,可避免拆模过程的廊体划伤;端模采用直线驱动机构,可使模板本体受力均衡;内模采用自行走装置和导向机构,可提高模板拆装效率;防鼓胀装置和姿态保持装置,可保障预制管廊的成型质量。开展预制液压模板的现场试验和工效分析可知,该液压模板可有效提高长节段大吨位综合管廊整体预制的质量和效率。