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。

为评估越站列车高速(350 km/h)通过半地下车站时气动效应对车站内、外环境的影响,为车站及连接隧道的设计提供参考。利用重叠网格技术建立高速铁路半地下车站气动效应计算模型,分析单车上行、单车下行、全地下段会车、半地下段会车等工况下站台区域的空气压力及风速、站外微气压波变化规律。结果表明:1)全地下段比半地下段的压力波动剧烈;2)单车上行工况,全地下段站台区域压力波动最剧烈,其压力波动峰值、瞬变压力峰值均最大,但均小于评价标准;3)全地下段会车工况,站台区域的风速最大,最大风速未超过5.0 m/s;4)上行列车通过时,在全地下段和半地下段交界处附近产生微气压波,50 m范围内有建筑物时需考虑微气压波的影响。

为提高大直径盾构(≥9 m)主轴承密封承压能力及可靠性和安全性,通过研究主流形式大直径盾构主轴承密封结构、工作原理、性能参数及典型案例,对2种形式主轴承密封接触应力进行有限元分析,并对比分析数十台2种主轴承密封保压试验数据和掘进数据。研究表明:1)带楔形突起的唇形密封结构比不带楔形突起的唇形密封结构承压能力更强,且在不借助压力补偿系统时可承受≤0.6 MPa的开挖舱压力。2)在开挖舱压力>0.6 MPa或开挖舱压力瞬间波动较大的工况下,压力补偿系统由于人为操作迟滞或响应不及时等不确定性因素,唇形密封系统存在较大被击穿的安全隐患。3)单道指形密封正面最大动态承压能力为1 MPa,建议开挖舱压力在0.4~1 MPa时选用指形密封,不需要配置压力补偿系统,可提高主轴承密封结构的承压和稳压能力。

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。

为探讨低真空环境下拼装式盾构管片的密封性能,基于搭建的低真空隧道结构原型平台,开展不同工况下管片结构的密封性能及表面应变规律研究,并进行管片结构的密封性能改进,得出以下结论:1)抽真空对管片外壁应变影响很小,内侧应变变化随抽真空过程可分为4个阶段,且最大拉压应变与抽真空的阶段时长有关;2)纵向装配力对管片结构密封的影响大于环向;3)改进密封后极限相对真空度由43 kPa提高到80 kPa;4)理论上现有管片结构密封垫适用于低真空对气密性的要求,但由于实际施工工艺及拼装存在误差,需要进行密封和管片结构的改进优化。

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。