刮刀磨损实时监测系统研发及室内验证试验研究

为实现复合式TBM（全断面硬岩掘进机）和盾构刮刀磨损的实时监测,研发一种新型刮刀磨损实时监测系统。系统由磨损感知模块、数据读取及发送模块、无线接收网关、上位机软件4个部分组成。其中磨损感知模块由14个等阻值耐高温碳膜电阻并联组成,为该系统的核心。系统通过贴合于试验刀具表面的磨损感知模块实时感知刮刀的磨损量,并由数据读取及发送模块将信号发出,经无线网关接收数据后传送至上位机软件。根据理论推导提出刮刀磨损量监测计算公式,并进行室内验证试验,试验结果表明： 刮刀磨损感知模块在磨损过程中信号稳定且不失真,磨损量误差控制在1 mm以内,室内环境下无线传输距离达30 m。监测系统能实现刮刀磨损的实时监测,具有较高的精度,对复合式TBM和盾构刮刀磨损实时监测工程难题的解决起到了推动作用。     

复合盾构滚刀磨损的无线实时监测系统

为了实时监测复合盾构掘进过程中滚刀的磨损和工作情况,建立了一套滚刀磨损的无线实时监测系统,将滚刀刀圈与传感器之间的距离变化转换为电压信号,经计算处理后得到滚刀刀圈的磨损量。在信号传输中使用无线结合有线的方式,将监测数据从终端节点经中继路由传输到上位机监控系统。分析了滚刀失效的主要类型、监测及判断机制,重点探讨了其安装结构和实现方案。结合某工程现场实验,证明该系统能有效地监测滚刀刀圈的磨损量,从而实现滚刀刀圈磨损的实时监测。     

电涡流传感器在盾构滚刀磨损监测系统中的应用研究

为了在盾构掘进过程中实时监测滚刀的磨损和工作情况,建立一套基于电涡流传感器的滚刀磨损实时监测系统,将滚刀刀圈与传感器之间的距离变化转换为电压信号,经计算处理后得到滚刀刀圈的磨损量。重点探讨电涡流传感器的检测机制,并设计制作结构紧凑、测量精度较高的非接触式电涡流传感器。结合某工程现场试验结果进行温度补偿,实现了滚刀磨损的实时监测,试验结果表明了电涡流传感器在该系统中的有效性。     

盾构刀具磨损超声波检测系统室内试验研究

为实现准确检测刀具磨损量,判断换刀时机,节约刀具成本费用,确保施工安全的目的,结合目前超声波检测技术现状及国内外相关工程技术资料对盾构刀具磨损检测系统进行介绍,并在检测仪安装调试的基础上进行室内试验。验证检测仪的应用效果如下:1)研发的检测仪具备RS485通讯方式,具有实时显示功能,并通过电滑环的应用解决了测线在盾构运行过程中的绕线问题;2)新型超声波检测仪可在振动且具有一定温度的掘进环境中实时、准确地检测磨损量,并具有较好的系统稳定性。     

提高盾构刀具耐磨性能的研究

通过对盾构机的盘刀和刮刀失效形式的调查,分析了目前盾构刀具的主要失效形式,以及产生这些失效的原因,为提高盾构刀具耐磨性能的研究提供了依据。结合盾构刀具的工作原理,盾构刀具的使用现状,并对盾构刀具的磨损形式和磨损机理进行了分析研究,提出了提高盾构刀具耐磨性能的几点建议。     

TBM掘进刀具磨损实时监测技术及刀盘振动监测分析

受制于施工环境,TBM(tunnel boring machine)刀具磨损及刀盘振动实时监测问题一直难以解决。基于此,对滚刀和刮刀分别提出了基于电涡流传感器及电阻格栅的磨损实时监测系统,并通过试验建立了输出电压信号与磨损量之间的关系;同时,对吉林引松工程直径为8.03 m的隧道掘进机进行刀盘振动现场监测,并对振动响应进行时域及频域分析。结果表明:在一定地质条件下,随着贯入度的增大,刀盘振动值逐渐变大;刀盘空转频域曲线表现为局部峰值、整体幅值较小的特点,正常掘进时振动幅值明显较大的几个频率范围与刀盘空转时几个波峰对应的频率范围相同,在制作刀盘时其固有频率要尽量避开这几个频率范围,防止产生共振。     

泥水盾构施工实时管理信息系统的研发与应用

以北京铁路地下直径线盾构区间隧道工程为背景,对泥水盾构施工中自动采集的数据进行研究和分析,研发了泥水盾构施工实时管理信息系统。本系统能够对盾构施工过程进行实时监控,提供可视化图形数据分析界面,并对盾构施工中的耗材进行统计分析,既便于分析盾构施工的全过程及其可能出现的各种问题,又可以对盾构施工成本和质量进行控制,还能形象地显示工程进度。本系统通过调试和试用,能够实现信息反馈和盾构的施工监控,便于用户对盾构施工进行有效地信息分析、合理地施工组织和管理。     

大直径泥水盾构针对长距离施工的优化

大直径泥水盾构在复杂砂卵石地层中长距离掘进施工,盾构经常会受到刀盘刀具磨损严重、进排浆管及阀磨损严重、破碎机及泥舱门故障和突发事件等因素影响而导致停机,从而降低了盾构设备的性能,严重时将直接威胁施工安全。为了优化盾构设计、方便检修及降低施工风险,对北京某项目12 m级泥水盾构在施工过程中出现的问题,通过对刀盘刀具、泥水循环系统、破碎机和泥浆门、电气系统、监控检测系统等的优化,提高了设备的利用率和施工效率,降低了施工风险和施工成本,确保了人员和设备的安全。     

基于刀盘摩擦扭矩参数的刀具磨损状态识别

盾构在砂卵石地层掘进时,刀具磨损量大一直是困扰施工的难题。从土压平衡盾构的工作原理及砂卵石地层特性2方面分析刀盘扭矩的构成,并通过数学和力学分析建立了摩擦扭矩计算模型。以成都地铁3号线红牌楼南站-红牌楼站区间为研究背景,依托盾构施工安全风险监控系统,对计算模型进行验证;分析刀具磨损时,根据地质条件将摩擦扭矩进行分段计算,同时将摩擦扭矩除以总扭矩得到摩擦比例系数,运用比例系数跟踪判断刀具磨损程度。研究结果表明,砂卵石地层中构成刀盘扭矩的主要组分是刀盘正面、背面和侧面上的摩擦扭矩;摩擦扭矩计算模型符合工程实际;得到的摩擦比例系数与换刀形态具有较好的对应性,可定性判断刀具磨损程度,指导工程实践。     

复合盾构土舱可视化实时监测系统研究

为了在复合盾构掘进过程中实时监测土舱的情况,获得刀盘的旋转状态、刀具的磨损状况、开挖地层的图像信息和渣土的流动特性,建立一套土舱可视化实时监测系统,该系统通过上位机监控系统实时监测前端设备的工作状态,并将摄像机采集的信号实时传输到视频采集系统。介绍该系统方案,重点探讨其结构设计、硬件设计、软件设计,并通过室内和现场试验进行验证该系统的有效性。结果表明,该系统可实现土舱的实时视频监控、录像、回放以及系统温度、湿度和压力的监测。     

复杂地质条件下TBM刀具失效形式及原因分析与应对措施

为研究分析复杂地质条件、不合理掘进参数等与TBM刀具异常损坏、刀具消耗的关系，以利于TBM掘进效率和施工成本的控制，在系统阐述TBM刀具常见失效形式的基础上，研究分析总推力、刀盘转速、刀具贯入度等掘进参数及不同围岩单轴抗压强度、石英质量分数等地质参数对刀具磨损及异常损坏的影响规律。以引汉济渭秦岭隧洞和中天山隧道工程为例，对刀具消耗及失效形式进行统计分析，并从刀具选型、检查及维修等方面，提出针对性的优化方法。最后，基于目前刀具配置及监测技术存在不足的现状，提出应进一步研发刀间距可调的刀具配置技术，以确保不同地质条件下的刀具破岩效率；同时，加强对TBM工作环境具有较强适应性的新型刀具状态监测系统的研发及应用。     

TBM盘形滚刀磨损与滚刀滑动距离关系研究

盘形滚刀磨损是制约TBM掘进效率和施工成本的重要因素。为研究滚刀滑动对滚刀磨损的影响,提出了"一次侵入位移"的概念,应用质点的运动合成原理推导出了考虑滚刀刀刃宽度影响的一次侵入位移及滚刀滑动距离的计算公式,研究一次侵入位移的影响因素以及滚刀磨损与滑动距离的关系,基于上述研究分析秦岭隧道TB880E型TBM滚刀滑动磨损系数分布规律。研究表明:1)滚刀破岩过程中,刀刃相对开挖面岩石除滚动外,还产生相对滑动;2)中心区域滚刀侧向位移分量最大,滚刀磨损以剪切破岩和滑动磨损为主,中心区域以外滚刀沿掘进方向位移分量最大,滚刀磨损以碾压破岩和滚动磨损为主;3)应进一步综合考虑滚刀破岩量、滑动距离以及二次磨损等因素对滚刀磨损的影响。     

引汉济渭岭南TBM工程二长花岗岩地层滚刀磨损研究

针对秦岭二长花岗岩条件下TBM滚刀消耗严重的问题,依托引汉济渭岭南TBM工程,通过对现场岩样和刀圈材料开展室内试验,明确岩石的磨蚀性能和刀圈的耐磨性能指标,发现岩石的磨蚀性由其抗压强度与矿物成分共同决定,刀圈的耐磨性主要取决于材料的成分及组织。通过对前2 000 m试掘进段刀具使用情况和磨损数据的分析,掌握各个刀位的磨损规律:1)正滚刀的累计磨损量随滚刀安装半径的增加近似呈线性增长;边滚刀中处于过渡区域的滚刀累计磨损量最大,两侧逐渐减小。2)与滚动距离磨损速率相比,破岩体积磨损速率更能准确衡量滚刀磨损的快慢程度。3)重复磨损对边滚刀磨损影响较大,而通过在边缘区域增加滚刀数量来提高耐磨性的方法可以起到一定作用,但不能从根本上解决问题。     

隧道掘进机滚刀岩机作用实验台的研制

为了观测滚刀破岩的全过程和监测岩石的微破裂,研制隧道掘进机滚刀岩机作用实验台,对立式和卧式2种实验台研制方案进行总结并作出对比选择,对实验台组成、主要构造及安装调试过程进行详细阐述。归纳出实验台可开展的实验项目如下： 1）盘形滚刀受力预测公式的研究; 2）探寻滚刀作用在不同岩石类型的最优破岩刀间距; 3）研究滚刀压力、贯入度及刀间距等关系曲线。结合国家973课题开展相关实验研究,实验结果表明该实验台的应用性、先进性和科学性,实验台的成功研制为滚刀高效破岩机制研究提供公共开放的实验研究平台。      

盾构切削刀具的布置规律及优化研究

根据盾构切削刀具的阿氏螺线布置规律,针对北京地铁四号线14标学院南路站—双榆树站区间盾构刀具的布置形式,推导该区间盾构刀具的阿氏螺线布置公式及规律;并通过对刀具实际磨损情况的分析和研究,提出减少刀具磨损的优化布置措施。研究有助于为同类工程盾构刀具的布置提供参考。     

厦门轨道交通3号线跨海段盾构滚刀磨损预测

为有效控制海底隧道盾构刀具更换风险,提高盾构施工效率,针对厦门轨道交通3号线跨海段复杂地层,通过开展不同类型岩石的缩尺滚刀磨损试验和岩石磨蚀性试验,揭示滚刀材料磨损速率与岩石磨蚀性指标CAI值呈幂指数关系,建立通过测定拟建工程岩样CAI值预测工程刀具消耗的方法。利用建立的预测方法,对厦门轨道交通3号线中微风化花岗岩地层的滚刀批量换刀距离进行预测,得到该地层下边滚刀的批量换刀距离为50 m,正滚刀的批量换刀距离为215 m; 并在此基础上给出滚刀更换位置与换刀工法建议,为该工程与类似工程施工提供参考。     

基于复合磨蚀试验台的滚刀磨损试验研究

为提高TBM滚刀与地层的适应性,降低滚刀磨损速率,应用滚刀复合磨蚀试验台进行滚压磨损试验,对小尺寸滚刀开展不同岩性、几何参数（刃宽、刃形、直径）和贯入速度的磨损规律研究。通过对磨损量统计发现： 磨损量与岩样CAI值的平方正相关; 宽刃滚刀较窄刃滚刀磨损速率快; 圆刃滚刀相对平刃滚刀有更好的耐磨性; 滚刀直径与磨损速率相关性不强,但大直径滚刀具有径向磨损量大的优势; 在一定区间内较大的贯入速度能够减少刀具磨损,同时具备较高的破岩效率。     

海底隧道基岩突起段地层典型滚刀破岩实验研究

为制定高强度花岗岩基岩突起地层的盾构掘进方案,在汕头海湾隧道现场取回花岗岩岩样,测试出CAI值及元素成分,进行滚刀破岩实验,对比分析相同工况下48.26 cm（19英寸）2种典型盘形滚刀（镶齿和一般平刃）的破岩效果,研究48.26 cm（19英寸）一般平刃在不同推力和刀间距下的掘进参数变化情况。实验结果表明： 1）工程现场的花岗岩岩样Si元素平均含量为37.35%,CAI值为3.56~3.91,为高磨蚀性岩石; 2）相同工况下,一般平刃滚刀具有更高的掘进效率; 3）单把滚刀总推力为300 kN时,掘进速度为4.1 mm/min。