铁道工程学报

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阮波, 郑世龙, 丁茴, 聂如松, 阮晨希

铁道工程学报. 2021, 38(1): 1-6.

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研究目的: 新疆和田至若羌铁路经过塔克拉玛干沙漠南缘,地表以风积沙为主,水泥改良风积沙是沙漠地区铁路路基基床填筑的关键技术。塔克拉玛干沙漠夏季地表温度最高可达70 ℃,水泥改良风积沙的力学性能和变形特性易受高温的影响,因此本文结合新疆塔克拉玛干沙漠的气候条件,开展水泥改良风积沙无侧限抗压强度试验,研究70 ℃高温养护条件下水泥掺量和压实系数对水泥改良风积沙的应力应变特征、无侧限抗压强度、峰值应变和刚度的影响。
研究结论: (1)水泥改良风积沙的应力应变曲线近似正态分布,具有右偏态的特性;(2)高温养护条件下,压实系数为0.95时,水泥掺量为4%、5%、6%对应的水泥改良风积沙无侧限抗压强度分别为0.38 MPa、0.52 MPa和0.78 MPa,峰值应变分别为2.2%、2.4%和2.6%,刚度分别为10.4 MPa、16.2 MPa和22.8 MPa;(3)与标准养护条件相比,高温养护条件下水泥掺量为5%、压实系数为0.95的水泥改良风积沙的无侧限抗压强度和峰值应变分别降低了5.5%、22.7%,刚度增大了5.9%;(4)新疆和田至若羌铁路夏季施工时,考虑70 ℃高温养护条件,掺量5%的水泥改良风积沙能满足基床底层填料设计要求,避开高温施工环境条件,掺量4%的水泥改良风积沙能满足基床底层填料设计要求;(5)本研究成果可为风积沙铁路路基基床的设计、施工提供参考。

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长期交通荷载下压实黄土的稳定性状态

王瑞, 王雷, 胡志平, 赵振荣, 莫坤

铁道工程学报. 2021, 38(1): 7-12.

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研究目的: 长期交通荷载下路基土体稳定性状态的判定是对土体动力承载能力的宏观把控,是工程中评估路基长期服役能力时的重要参考。本文基于大量动三轴试验结果,综合压实黄土的弹、塑性应变发展规律界定长期交通荷载下压实黄土的稳定性状态(稳定、亚稳定和不稳定),讨论阻尼比、累积应变、累积应变发展速率随动应力的发展规律。
研究结论: (1)累积塑性应变、累积塑性应变发展速率和阻尼比呈现出明显的分阶段特征,当试样进入亚稳定状态时阻尼比进入平台段;(2)阻尼比随累积应变发展速率的变化规律呈现明显的阶段特征,采用双参数变化规律作为试样稳定状态的判据更加客观和显著;(3)稳定性状态判别标准的混乱是造成测试结论通用性较差的主要原因;(4)本文工作有助于建立更加完善、统一的稳定性状态判别标准。

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车站异形深大基坑施工过程试验研究

安辰亮, 冯卫星, 王道远, 袁金秀

铁道工程学报. 2021, 38(1): 13-18.

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研究目的: 异形深大基坑施工过程的稳定性一直是工程界研究的热点和难点问题,为探究异形深大基坑施工过程中支护结构变形演化规律和受力特征,本文以某大型异形深基坑为依托,开展支护结构变形和受力现场试验研究,以期为依托工程和类似工程设计施工提供指导。
研究结论: (1)异形深大基坑支护结构变形的空间效应显著,异形段的墙顶水平位移大于标准段;(2)地下连续墙的水平位移两头小、中间大,随深度增加呈三角形分布,位移最大处发生在基底±3 m附近;支撑处墙体位移较小,外荷载、施工中断会使墙体位移增大;(3)当基坑深度小于15 m时,支护结构土压力分布规律接近朗肯土压力理论值;当基坑深度大于15 m时,支护结构土压力明显小于朗肯土压力理论值,按理论计算值指导设计施工偏于保守;(4)异形深大基坑施工建议采取“地下连续墙+钢筋混凝土支撑+钢支撑”的组合支护形式,可有效控制支护的过大变形;(5)本研究成果可为基坑工程施工提供参考和借鉴。

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基于GA-MADS混合算法的既有铁路平面线形自动重构

李伟, 张振亚, 赵璐, 蒲浩, 彭先宝, 王杰, 王建西

铁道工程学报. 2021, 38(1): 19-24.

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研究目的: 既有铁路平面线形重构是铁路养护维修与增改建设计的重要基础,重构结果对列车运行安全、养护改建工程量将产生重要影响。既有方法通常先识别确定交点坐标,再逐交点优化半径缓长,属局部重构,难以实现全局优化;同时对约束的处理还不全面,重构的线形需要经过大量人工调整方可应用。对此,本文提出一种遗传算法混合网格自适应直接搜索(GA-MADS)的既有线路平面重构方法,实现线路平面整体自动优化重构。
研究结论: (1)在遗传算法中融入MADS,有效克服了遗传算法在优化中随机性大、早熟收敛的缺点,实现平面线形整体重构;(2)各类约束在优化过程中被自动处理,无需人工后续调整;(3)研究成果已在各大铁路设计院6 000余公里的既有线增改建设计中成功应用,结果表明该方法可以自动产生满足工程约束的优化重构线形,大幅提高效率和质量。

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弹性支撑块式无砟轨道力学特性研究

曾志平, 胡广辉, 王卫东, 黄相东, 王俊东

铁道工程学报. 2021, 38(1): 25-31.

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研究目的: 由于隧道内净空的限制,重载铁路长大隧道内宜铺设无砟轨道,弹性支撑块式无砟轨道(LVT)以其良好的减振性能逐渐在重载铁路中得到应用。为研究不同轴重和加载方式下LVT结构的应力应变特性,本文以蒙华铁路重载铁路隧道应用的LVT为例,通过建立LVT结构有限元模型,以探讨LVT结构的受力与变形特征,为LVT轨道结构的优化以及设计施工提供理论依据。
研究结论: (1)LVT结构能够保证30 t轴重下静力学性能安全性,当轴重由30 t提高至42 t,钢轨弯矩、轨道结构部件应力及位移幅值增长量在40%左右;横向荷载对轨道结构横向位移及应力的影响显著,板端加载时道床板及底座板应力增量分别为284%、1 000%;(2) 横向荷载作用下,除支承块横向应力下降,钢轨弯矩、支承块纵向应力、道床板应力、底座板应力均呈现增长趋势,其中道床板及底座板应力分别增长400%、530%;(3)板端加载时荷载由相邻扣件共同承担,扣件节点反力峰值有所下降,荷载作用点下竖向荷载分配比例由2 ∶1降低至4 ∶1,横向荷载分配比例由67%降低至47%;(4)本研究结果对重载铁路中LVT轨道结构的设计和施工有指导意义。

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高性能湿接装配式长型浮置板静动力性能研究

李奇, 李兴, 吴迪, 段桂平, 陈高峰

铁道工程学报. 2021, 38(1): 32-36.

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研究目的: 综合现浇长板和预制短板两种浮置板轨道的优点,提出一种通过高性能混凝土湿接缝将预制短板连接成长板的浮置板设计方案。通过对该方案和对比方案的车轨耦合动力计算及对其不利状态下的静动力分析,从多方面验证该方案的可行性和优越性,并为其设计及应用提供依据。
研究结论: (1)长板正弯矩相比短板有所增大,湿接缝位置相对于其他预制部位弯矩无明显区别;(2)长板在整体动力性能上要优于短板,带剪力铰湿接长板在降低浮置板振动加速度方面有明显优势;(3)浮置板结构在地铁运行车速下动力放大作用较小,隔振器阻尼对板的振动加速度有较大影响;(4)基础沉降和隔振器失效不利状态对长型浮置板响应有明显不利影响,应通过合理配筋设计予以解决;(5)本文研究可为该新型浮置板轨道系统的进一步设计及应用提供参考依据。

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有砟高铁大机捣固质量相关性及敏感波长研究

王英杰, 楚杭, 时瑾, 陈云峰, 康彦波

铁道工程学报. 2021, 38(1): 37-41.

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研究目的: 我国设计速度为250 km/h的新建高速铁路以有砟轨道为主,在联调联试前通过精捣作业能够有效改善线路几何形位,满足轨道平顺度要求。本文通过分析某新建高速有砟高铁精捣作业数据,研究精捣作业下大机捣固各捣次作业质量的相关性规律,在此基础上借助带通滤波及中点弦测法分析不同波段下的作业质量相关性,揭示波长对精捣作业质量相关性的影响。
研究结论: (1)在大机捣固过程中,每次捣固的方案作业量与实际调整量间均呈现出一定的线性相关性,可通过线性回归模型进行近似拟合,以指导工程实践;(2)在一捣至五捣作业中,大机作业质量相关系数呈下降趋势,一捣作业相关系数变化范围最小,且一捣实际调整量数值最大,其作业效果最为稳定;(3)随着不平顺波长的增加,在长波范围内线形调整与大机作业质量相关性较强,可通过起拨量来控制长波不平顺。

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考虑随机裂隙的寒区隧道冻胀力研究

王志杰, 蔡李斌, 徐海岩, 邱志洪, 张曾照, 李振, 蒋新政

铁道工程学报. 2021, 38(1): 42-48.

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研究目的: 为进一步研究围岩和衬砌结构的冻胀力,以 2022 年冬奥会重大交通保障项目金家庄特长螺旋隧道为依托,通过现场实测、室内试验和COMSOL数值模拟相结合的方法,探究考虑随机裂隙条件下,孔隙率、渗透率、随机裂隙孔径和模型下边界水头对冻胀力量值和分布规律的影响。
研究结论: (1)衬砌结构的最大拉、压应力随孔隙率的增大而增大,随渗透率、随机裂隙孔径和下边界水头的增大而减小;(2)衬砌内、外边缘的第一主应力在拱腰处最大,内边缘第三主应力最大值位于拱脚处,而外边缘第三主应力量值由拱顶到仰拱逐渐降低;(3)围岩最大拉、压应力随着孔隙率和下边界水头的增大而增大,随着渗透率和随机裂隙孔径的增大而减小;(4)拱顶截线A的主应力量值及变化范围随孔隙率的增大而增大,随渗透率、随机裂隙孔径和下边界水头的增大而减小;(5)本研究结果可为寒区隧道冻胀力的量值大小和分布规律研究提供借鉴参考。

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环境荷载作用下盾构隧道断面变形特征分析

黄震, 张陈龙, 傅鹤林, 安鹏涛, 姚国京

铁道工程学报. 2021, 38(1): 49-54.

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研究目的: 城市地铁盾构隧道在环境荷载作用下容易诱发衬砌结构变形。为分析城市盾构隧道结构变形成因及变形基本形态特征,基于向量基本概念,提出定量分析隧道结构断面变形特征的描述方法,并结合有限元数值分析方法,模拟盾构隧道在不同环境荷载作用下的结构变形形态,以验证隧道变形描述方法的正确性。
研究结论: (1)盾构隧道处于无软弱滑动面的一般地层中,结构变形大小和方向与环境荷载作用形式密切相关,且结构最大向内变形与最大环境荷载作用方向一致;(2)盾构隧道处于软弱滑动面地层中,隧道衬砌结构向内变形极大值不与最大加载方向一致,而与滑动面的滑动方向有关,且在滑动面穿越隧道断面的衬砌端点位置变形大小具有突变特征;(3)本研究结果对于揭示城市盾构隧道变形机理以及预测隧道周边环境荷载变化具有理论价值。

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冻融环境浅埋砂质黄土隧道围岩变形规律研究

吴占东

铁道工程学报. 2021, 38(1): 55-59.

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研究目的: 黄土因其结构性工程性质特殊,其中砂质黄土受冻融作用的影响尤为敏感,浅埋砂质黄土隧道施工过程中在冻融循环作用下发生各类病害屡见不鲜。本文以银西高铁惠安堡黄土隧道洞口段现场监测结果为基础,进行冻融条件下砂质黄土的参数试验,配合数值模拟等方法,得到这种不良地质条件下隧道围岩变形规律及稳定性发展状况。
研究结论: (1)冻融循环对不同含水率的砂质黄土物理、力学特性均有着重要的影响,且随着含水率的增加,这种影响的作用更加强烈;(2)运用FLAC^3D软件对不同含水率砂质黄土隧道围岩变形规律进行了研究,得出冻融循环和含水率的耦合作用对砂质黄土隧道的围岩变形规律;(3)分析了冻融循环和含水率的耦合作用对砂质黄土隧道的围岩变形的影响机理;(4)本研究结论可为季节性冻土区浅埋砂质黄土隧道设计和施工提供借鉴和参考。

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饱和软黄土隧道围岩注浆加固参数研究

张学进

铁道工程学报. 2021, 38(1): 60-65.

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研究目的: 饱和软黄土地层隧道围岩具有强度低、承载力差、抗变形能力弱等特性,因此对饱和软黄土地层隧道围岩注浆加固参数展开研究具有重要意义。依托西安地铁4号线火车站站暗挖西安火车站工程,进行室内黄土力学性能和现场注浆试验,研究含水率对黄土强度特性的影响,分析黄土劈裂注浆浆液扩散的基本规律及劈裂机理,并总结现场隧道围岩注浆加固参数。
研究结论: (1)饱和软黄土的含水率降低,其强度呈线性增长,因此注浆后降低了原位土体的渗透性能以及提升土体的黏聚力,整体上提升土体的抗剪强度;(2)黄土劈裂注浆浆液扩散的基本规律及劈裂机理:浆脉夹角近似120°,且高度不一致,长度有差别,在注浆压力逐渐增大的情况下,浆液在黄土体内会先后三次劈裂土体,形成劈裂缝并在其中进行扩散、填充,最终形成黄土劈裂注浆的“Y”型浆脉;(3)加固后的开挖面土体无侧限抗压强度达到0.6 MPa,周边土体加固区达到1.2 MPa,渗透系数≤10^-6 cm/s,含水率由原先的约30%下降至10%;(4)得出了在饱和软黄土地层中下穿火车站暗挖隧道WSS注浆所使用的配合比、注浆压力控制值、黄土地层下填充系数等参数,可为饱和软黄土地层隧道围岩注浆加固参数的精细化设计提供必要的参考依据。

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铁路隧道底鼓段围岩蠕变参数反演方法研究

路军富, 肖铮, 喻渝, 袁伟

铁道工程学报. 2021, 38(1): 66-71.

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研究目的: 某铁路隧道底部粉砂质泥岩蠕变导致仰拱结构持续底鼓,致使列车降速行驶,对铁路运行造成安全隐患。为较准确获取仰拱底鼓区粉砂质泥岩的蠕变参数,本文基于某隧道仰拱5年多的底鼓变形实际监测数据,建立室内岩石剪切蠕变试验与深度学习(GRNN)相融合的岩体蠕变参数确定方法,并对隧道仰拱蠕变变形进行长期预测。
研究结论: (1)铁路隧道底鼓段粉砂质泥岩具有明显蠕变特性,该特性对隧道仰拱持续底鼓变形影响较大;(2)提出了基于深度学习的隧道底鼓段围岩蠕变参数反演方法,该方法结合底鼓段长期监测变形数据,能够有效获取隧底岩体蠕变参数,解决隧道围岩蠕变参数难以确定的难题;(3)反演得到的隧底岩体蠕变参数相应的底鼓变形值与实测值拟合度较高,验证了该方法的合理性;(4)本研究成果可为隧道围岩蠕变参数确定、仰拱蠕变变形预测和底鼓治理提供理论依据。

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悬臂浇筑连续梁墩梁临时固结及计算分析研究

孟庆斌, 王明慧, 张桥, 李国华, 蒋树平

铁道工程学报. 2021, 38(1): 72-75.

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研究目的: 墩梁临时固结是悬臂浇筑法保证梁体施工过程中抗倾覆稳定的重要措施,目前在进行临时固结设计时采用的计算模型不一致,造成临时固结设计存在较大差异。结合实际连续梁桥临时固结的设计,建立两种临时固结计算模型,分析计算结果的差异,从而给出合理选取墩梁临时固结计算模型的建议。
研究结论: (1)不同模型间计算结果差异较大,若采用不合理模型,一方面将造成临时固结所承受的计算压力过大,导致临时固结设计截面尺寸过于庞大;另一方面造成临时固结所受的计算拉力过小,导致临时固结设计钢筋配置不足,结构处于不安全状态;(2)合理采用计算模型,获得正确的计算结果,在确保结构安全的前提下有利于节约成本;(3)本研究成果可用于连续梁墩梁临时固结的设计。

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耐候钢管混凝土柱局部轴向受压性能试验研究

曾在平, 王秀丽, 冯竹君, 杨宏, 申亮, 李杰, 胡志明

铁道工程学报. 2021, 38(1): 76-83.

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研究目的: 免涂耐候钢在桥梁中的应用越来越广泛,耐候钢管混凝土桥墩通常出现局部受压荷载工况。为研究矩形耐候钢管混凝土柱轴向局部受压特性,本文结合3根耐候钢管混凝土柱局部轴压试验,采用ABAQUS有限元软件进行模拟计算,结合试验和有限元方法分析局压面积比ψ²、含钢率、混凝土强度、钢管强度等参数对局压耐候钢管混凝土柱力学性能的影响。
研究结论: (1)当含钢率小于0.14时,随着钢管厚度的增加,套箍效应对局压承载能力、刚度有很大的提高,当含钢率大于0.14时,继续增加钢管厚度对提高局压承载能力效果不明显,随着钢管厚度的增加,钢管混凝土界面的纵向剪力传递长度变长;(2)对参数进行回归分析发现:局压面积比ψ²、核心混凝土强度、含钢率是影响局压承载力的重要参数,钢材强度对局压承载能力影响较小;(3)提出了耐候钢管混凝土柱局压承载力简化计算公式;(4)本研究成果可为高架桥梁耐候钢管混凝土桥墩设计与应用提供技术支撑。

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斜拉桥锚拉板易损细节设计优化

卫星, 吕明达, 戴晓春, 赵骏铭, 张靖

铁道工程学报. 2021, 38(1): 84-90.

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研究目的: 郑北大桥索梁锚固结构采用锚拉板结构形式,该区域构造复杂,焊缝交错,部分位置存在明显的应力集中现象,恒载作用下易发生塑性破坏,反复荷载作用下易产生疲劳破坏。通过建立精细化有限元模型,分析锚拉板式索梁锚固结构的易损部位,对局部细节进行设计参数优化,从而改善其恒载和活载下的受力性能。提取疲劳易损部位热点应力,通过热点应力S-N曲线和线性累积损伤理论计算其疲劳寿命,验证参数优化效果。
研究结论: (1)在原设计的基础上适当优化锚拉板厚度能有效改善锚拉板式索梁锚固结构恒载下受力性能,防止材料塑性破坏;(2)经热点应力法计算疲劳寿命验证,在原设计的基础上适当优化圆形过渡区半径、锚拉板厚度、锚筒厚度能提升锚拉板的疲劳寿命;(3)本文研究结论可运用于今后的斜拉桥锚拉板式索梁锚固结构的设计中,以供相关设计人员参考。

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连续梁桥典型变形对轨道几何形位演变的影响

冯玉林, 蒋丽忠, 曾永平, 周旺保, 刘祥

铁道工程学报. 2021, 38(1): 91-96.

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研究目的: 连续梁桥变形引起的轨道几何形位演变直接影响线路运营速度和行车安全。轨道几何形位演变的有效防控是保证轨道平顺性的核心关键。以考虑两侧简支梁引桥及路基影响的3跨连续梁桥为研究对象,基于作者已建立的连续梁桥典型变形引起轨道几何形位改变的映射解析计算模型,定量化研究桥墩沉降,梁端横、竖向转角及梁体横、竖向错台等典型变形对CRTS Ⅱ型板式无砟轨道结构轨道几何形位改变的影响,并提出钢轨变形防控措施。
研究结论: (1)钢轨变形量与连续梁桥变形幅值呈正比,具有明显“跟随性”;(2)连续梁桥变形导致较大扣件力集中在梁缝处;(3)无论是桥墩沉降、梁端转角还是梁体错台,都会使在桥梁变形区域边界处的钢轨产生“上翘”的现象,且“上翘”值与桥梁变形幅值呈正相关,合理控制变形区域边界处的钢轨上翘,可保证线路高效安全运营;(4)本研究结论可为防治轨道几何形位演变提供理论依据。

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液压式盾构/TBM主机平移-空推集成装置的研制

洪开荣, 李志军, 陈馈, 朱朋金, 杨顺成, 肖利星, 周果, 赵康林

铁道工程学报. 2021, 38(1): 97-102.

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研究目的: 目前,隧道掘进机平移与空推工艺多采用不同装置分步完成,装置安装耗时费力,严重影响项目施工进程,且国内外没有可同时解决掘进机主机平移和空推的工法或装置。本文研制了一种基于液压的盾构/TBM主机平移-空推集成装置,将平移与空推工序合一,可极大提高工程施工效率,实现荷载600 t盾构/TBM主机连续移位。
研究结论: (1)利用液压力驱动液压马达实现装置移位和驱动轮90°转向,实现了平移与空推工艺集成;(2)多轮系和从动轮碟簧设计可优化载荷分布,从动轮选用自润滑推力关节轴承使装置可适应一定倾斜度和不平度,提升装置运行平稳性;(3)600 t荷载下,利用聚氨酯包敷于钢轮外的复合轮设计减小了轮系与地面接触应力,降低地面要求;(4)ANSYS仿真分析表明承载台架满足强度要求;(5)目前该装置已成功应用于青岛地铁8号线项目,缩短工期20 d,填补了国内外技术空白,应用前景广阔。

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砂卵石地层撕裂刀布置对刮刀磨损的影响研究

江华, 张晋勋, 李继东, 江玉生, 周刘刚, 殷明伦, 陈凡

铁道工程学报. 2021, 38(1): 103-108.

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研究目的: 砂卵石地层空间分布不均、磨蚀性强,盾构在该类地层中开挖时经常出现掘进效率低、刀具磨损严重的情况,为实现砂卵石地层盾构安全高效掘进,开展撕裂刀布置对刮刀的磨损影响研究。本文以北京新机场线“磁一”区间工程为背景,根据区间砂卵石地层分布特征及刀具磨损的保护需要,对撕裂刀及刮刀进行分区、分层布置设计,提出三种组合布置模式;开展盾构现场原位试验,利用现场观测断面及监测断面,对盾构掘进过程中刀具的磨损状态进行跟踪测试与分析。
研究结论: (1)B模式刀具布置可以有效降低刮刀的磨损,刀具布置时应优先选用此模式;(2)撕裂刀对刮刀的保护作用随着距离的增加迅速减小,有效保护距离为单倍刀宽;(3)该研究结果可为砂卵石地层盾构刀具的布置提供理论依据及参考。

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2021年, 第38卷, 第1期　
刊出日期：2021-01-15

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