TBM滚刀布置方案对比分析与评价

刀盘是全断面岩石掘进机（TBM）的核心部件,滚刀布置设计是刀盘结构设计的关键,直接决定着刀盘的综合掘进性能。基于硬岩TBM 的 2种滚刀设计方案,对比分析不同滚刀布置方式对TBM刀盘力学性能的影响。从刀盘整体受力平衡的角度,对比计算2种方案的滚刀群径向不平衡力和倾覆力矩;从刀盘局部变形和应力分布的角度,提出滚刀分布密度的评价指标,并与刀盘面变形有限元计算结果进行关联分析。研究结果表明： 1）滚刀分布密度可作为滚刀布置的设计评价指标; 2）溜渣板对刀盘的力学性能影响较大; 3）随机式滚刀布置方案优于米字型滚刀布置方案。     

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。     

全断面岩石隧道掘进机滚刀磨损影响因素分析

为了有效控制和降低全断面岩石隧道掘进机施工时滚刀的磨损,较准确地预测滚刀的磨损量,通过室内实验和现场实验从地质影响因素和机械影响因素2个方面对滚刀磨损问题进行了分析。通过水泥试样实验,得出等效石英含量EQC和单轴抗压强度UCS单独对岩石磨蚀性的影响规律;通过现场岩样实验,得出两者共同对岩石磨蚀性的影响规律。通过对比进口与国产TBM的刀盘刀具布置,得出滚刀破岩面积对磨损速率的影响规律;通过统计现场掘进参数与刀具磨损数据,得出场切深指数FPI对滚刀平均磨损速率的影响规律。研究结果表明： 岩石对滚刀磨损的地质影响是岩石等效石英含量和单轴抗压强度共同作用的结果;破岩面积是刀盘刀具设计参数对滚刀磨损的敏感指标;场切深指数是设备掘进参数对滚刀磨损的敏感指标。     

基于现场试验的TBM滚刀磨损分析及预测

为准确判断和预测滚刀磨损生命周期,指导TBM安全、高效施工,采用现场跟踪试验和理论预测模型相结合的方法对滚刀磨 损进行分析研究。 由滚刀磨损机制分析得到,TBM滚刀磨损主要为磨粒磨损;基于滚刀破岩磨损现场跟踪试验,分析TBM滚刀磨 损失效形式,并结合刀盘刀具分布特点,研究滚刀磨损规律特性。 基于Rabinowicz磨粒磨损简化计算模型,引入CSM滚刀破岩模 型,构建滚刀磨损速率、线性磨损速率预测模型,对比分析高黎贡山正洞TBM 2 000 m掘进里程滚刀磨损实测数据与理论模型预测 结果。 结果表明: 1)正滚刀磨损发生规律性变化,中心滚刀易出现侧向滑移,边滚刀发生二次磨损; 2)TBM滚刀理论预测与实测 分析结果的相对误差小于10%,可准确预测滚刀磨损,同时得到正滚刀磨损速率与刀具、围岩物理参数具有相应的定量关系。     

布置参数对TBM边缘滚刀受力的影响

边缘滚刀安装在全断面隧道掘进机(TBM)刀盘的最外缘,在破岩时边缘滚刀的受力情况十分复杂,工作条件恶劣,容易损坏。为研究布置参数对边缘滚刀的影响,采用有限元分析软件ABAQUS建立边缘滚刀破岩的非线性动力学模型,分析边缘滚刀的受力情况。结果表明： 边缘滚刀在破岩时所受的作用力会剧烈振荡变化; 安装倾角和刀盘过渡圆弧半径对边缘滚刀受力的影响显著; 边缘滚刀受力随着安装倾角和刀盘过渡圆弧半径的增加而呈现近似线性的增长。     

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。     

富水卵漂石地层盾构滚刀磨损规律及寿命预测分析

为探究成都富水卵漂石地层盾构滚刀磨损规律及寿命特性，以成都地铁17号线凤温区间和明一区间第1次查换刀情况为研究对象，首先对两区间不同开口率刀盘的滚刀磨损形式和磨耗系数进行对比，之后采用基于现场实测数据的滚刀寿命预测模型对查换刀距离进行预测，最后通过第2次换刀对预测效果进行验证。研究结果表明： 1)富水卵漂石地层滚刀磨损形式主要表现为尖状磨损和偏磨磨损，偏磨滚刀主要分布于刀盘边缘及中心区域； 2)滚刀磨耗系数与安装位置半径关系曲线大致呈U形分布，中心滚刀和边缘滚刀的磨耗系数较大，正面滚刀的磨耗系数较小； 3)刀盘开口率是影响滚刀磨耗系数和偏磨概率的重要因素。     

敞开式TBM断层破碎带脱困技术

某供水工程敞开式TBM掘进在穿越断层时发生坍塌,刀盘被掌子面坍塌体掩埋,护盾被压住,TBM被困。为安全、快速地使TBM脱困,迅速恢复生产,在脱困过程中首先加固已施工段支护,在保证后方安全的前提下,进行前方掌子面和护盾上部加固,采用化学注浆法固结刀盘前方围岩和护盾上方中管棚超前支护法进行围岩超前支护、加固,然后清除刀盘刮渣孔及切口环内虚渣,使TBM顺利脱困,总用时20.5 d。通过这些方法的使用,达到了TBM安全快速脱困,迅速恢复生产的目的。     

滚刀破岩引致岩石振动特性试验研究

隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)技术是一种安全高效的隧道工程施工方法。在TBM掘进中,滚刀刀盘系统与岩石相互作用时会产生振动现象,其振动特性与破岩机制均会影响到TBM的掘进效率和刀盘刀具的使用寿命。通过制作大尺寸砂浆材料试件,采用自主研制的TJ-TS500型线性切割试验平台,设计较为精细的振动测试系统,进行滚刀线性切削试验。试验方案考虑切深、切割速度以及试样节理特征等因素,同时在切削过程中对滚刀三向力以及试样的振动信号进行监测。通过对采集的振动信号进行快速傅里叶变换（fast Fourier transformation,FFT）,分析不同切削参数条件下的滚刀破岩振动特性。     

TBM、盾构盘形滚刀硬岩掘进的刃口磨损形状分析及优化对策

为探索TBM、盾构盘形滚刀在破岩中与岩石的相互作用过程,优化掘进机在不同类型及类别岩层中的设备选型及刀盘刀具配置,提高破岩效率,以TBM、盾构在国内不同地区硬岩掘进实际工程案例中正常磨损的滚刀刃口磨损形状为依据,分析其磨损机制,得到以下结论:1) TBM、盾构的硬岩掘进对应于不同的机型、掘进模式、掘进参数、岩石强度、滚刀梯度硬度,其正常磨损的滚刀刃口会出现不同的特定的磨损形状。2)刃口磨损形状是在特定的边界条件下出现的结果,反过来会影响掘进效率。3)根据刃口磨损形状分析结果可知,优化及选择合适的机型、掘进模式、掘进参数、滚刀配置可以提高破岩能力及效率,延长滚刀使用寿命。     

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。     

考虑地质适宜性和滚刀直径的TBM刀具消耗预测

刀具消耗是TBM施工成本管理的重要研究内容。将影响刀具消耗的主要因素归纳为地质条件、机械因素和掘进参数3个方面,在此基础上讨论了刀具消耗与围岩等级、TBM工作条件等级之间的关系。在总结和分析利用TBM工作条件等级进行刀具消耗预测研究的基础上,对拟合函数进行优化,并引入滚刀直径影响因子,构建同时考虑地质适宜性和滚刀直径的TBM刀具消耗预测方法。通过对兰州水源地建设工程输水隧洞TBM1掘进段的刀具消耗分析,验证提出的TBM刀具消耗预测方法的合理性。研究结果表明： 1）TBM工作条件等级可以反映TBM掘进性能和地质适宜性特点; 2）拟合函数ln(x-1)和ln x更适合描述和预测刀具消耗规律; 3）滚刀直径对刀具消耗具有一定影响,滚刀直径越大,刀具消耗越小; 4）同时考虑地质适宜性和滚刀直径的TBM刀具消耗预测模型的计算结果更接近实际耗刀率; 5）刀具消耗与岩体完整性密切相关,与实际耗刀率相比,Ⅱ类围岩的预测计算结果略高,而Ⅲ类围岩的预测计算结果略低。     

盾构被困实例分析及脱困措施

在隧道盾构施工过程中,盾构被困的现象时有发生,对工程施工进度、安全和周围环境等造成不利影响。通过工程实例分析刀盘、盾体和盾尾被困的常见原因,总结相应的脱困措施,得出盾构被困的分类判断依据:1)刀盘开口处被地层中异常渣土填充束缚的判断依据;2)边刀(边滚刀或边刮刀)磨损造成掌子面开挖轮廓不足的判断依据;3)刀盘前方存在硬质障碍物的判断依据。     

引汉济渭秦岭隧洞高磨蚀性硬岩TBM滚刀磨损试验研究

引汉济渭工程秦岭输水隧洞TBM掘进施工在试掘进段因遭遇高磨蚀性硬岩地层,滚刀发生严重磨损,致使施工进度严重滞后。为降低刀具磨损,节约施工成本,加快施工进度,必须对刀具磨损进行准确预测。针对高磨蚀性地层,开展滚刀磨损预测研究; 通过课题组前期研究结果,建立滚刀磨损理论预测模型; 通过室内实验,建立滚刀磨损实验预测模型; 通过现场试验,对室内实验模型及课题组前期研究建立的理论预测模型进行验证。结果表明,实验预测结果具有较高的准确性,相对误差在10%以内。     

基于磨损比耗指数的滚刀磨损定量预测方法

为定量预测盾构掘进复合地层时不同刀位的滚刀磨损量,以滚刀磨损的逐刀量测及相应的破岩体积的分层统计为基础,将位置各异的滚刀磨损比耗指数(SWI)——滚刀磨损增加量与破岩体积之比,按滚刀掘进地层进行分类统计,得到以掘进参数为自变量、适用于4种均质地层的SWI回归方程。将SWI回归方程与磨损量的分层求和法相结合,提出基于磨损比耗指数的复合地层滚刀磨损的定量预测方法。研究表明:1)磨损比耗指数同时考虑磨损量与滚刀安装位置、掘进距离的关系,物理意义明确;2)SWI回归方程预测精度较高,可为刀圈极限磨损预测提供掘进参数预警值。通过分析方程系数与岩性的相关性,提出在不同地层中有利于减缓滚刀磨损的掘进参数调整方法。实测结果表明,复合地层滚刀磨损定量预测方法在磨损量预测,尤其是滚刀寿命预测中具有较高的精度。     

TBM盘形滚刀重复破碎与二次磨损规律研究

秦岭隧道TB880E掘进机在施工过程中积累了大量宝贵而完整的滚刀磨损统计数据,为深入研究滚刀磨损规律和磨损机制提供了依据。从TB880E现场实测滚刀磨损数据入手,结合TB880E滚刀一次破岩体积的理论计算结果,建立了滚刀磨损量与一次破岩体积的关系;对滚刀单位破岩体积磨损量进行分析,得到了滚刀单位破岩体积磨损量与滚刀安装半径的关系曲线,总结出刀盘上滚刀磨损的4个区域,分析了不同区域滚刀磨损的机制;首次提出滚刀重复破碎与二次磨损的定量计算方法,得到了TB880E滚刀重复破碎体积与二次磨损量的分布规律。研究表明： 正面滚刀磨损的主要影响因素是一次破碎,而边缘滚刀的主要影响因素是重复破碎引起的二次磨损。     

断层破碎带敞开式TBM卡机处理与脱困技术探析

新疆某引水工程的大坡度支洞采用敝开式TBM施工,在掘进施工过程中遭遇大断层构造破碎带并发生塌方,TBM刀盘被掌子面坍塌围岩卡死,护盾被破碎体压住,TBM被困。为使TBM快速脱困,首先采用超前预报方法探明前方地质情况,之后加固已支护段的围岩,然后采用流动性大、早强、高强性能的化学注浆材料,对护盾上方及前方围岩进行固结灌浆,将刀盘和护盾周围的松散岩石加固成一个稳定的整体,进而清除刀盘及护盾周围的虚渣,并缓慢转动刀盘向前推进,最终使TBM安全脱困。采用超前地质预报和化学灌浆相结合的方法不仅使TBM顺利脱困,而且与其他脱困方法相比,进一步缩短了脱困时间。     

TBM掘进模态综合实验平台升级改造研究

为建立全断面岩石隧道掘进机刀盘不同位置滚刀载荷分布规律，防止TBM滚刀及刀座频繁过载失效，通过对TBM掘进模态综合实验平台升级改造，研发了单把滚刀载荷测试方法，实现了单刃滚刀、中心双联滚刀以及不同规格滚刀载荷的直接获取； 开发了滚刀载荷和转速监测系统，实现了滚刀载荷和转速数据的实时采集和无线传输； 制造了可安装不同规格滚刀、刀间距和刀高差可调的多功能刀盘，实现了刀盘刀具多种方式布置。TBM掘进模态综合实验平台的升级改造为TBM刀盘不同位置滚刀载荷分布规律、刀盘刀具布置等滚刀破岩理论的研究提供了实验工具，为TBM滚刀载荷实时监测提供了新方法。     

基于宏观能量理论与微观磨损机制的滚刀磨损量预测

为了准确预测全断面岩石掘进机长距离掘进硬岩地层的滚刀更换与使用量,量化滚刀检修、更换的时间与费用,从滚刀磨损宏观能量转换入手,基于能量磨损理论,通过分析摩擦功与磨损体积之间的关系,建立滚刀宏观能量理论的磨损量预测模型;从滚刀磨损的微观磨损机制入手,基于磨粒磨损机制,通过分析微观磨粒犁沟与滚刀宏观磨损量的关系,建立滚刀微观磨损机制的磨损量预测模型。通过某引水隧洞工程的现场磨损数据与掘进参数对2种预测方法的可行性进行验证,结果表明:2种预测模型对滚刀磨损量的预估具有一定的参考;提高预测结果的准确性需通过实验方法建立关键参数的选取准则。     

盘形滚刀刀圈轧制数值模拟研究

盘形滚刀工况条件差、换刀成本高,生产厂家对刀圈的性能要求越来越严格。为了提高刀圈质量,针对TBM中43.2 cm(17英寸)盘形滚刀刀圈,采用轧制成形工艺,运用塑性成形软件,建立盘形滚刀轧制过程数值模型,通过有限元仿真分析滚刀成形的应力场和应变场,并对不同参数对成形过程的影响进行研究。研究结果表明:1)轧制过程应力较小,应变分布较为均匀,但整体应变较小,随着主辊转速及芯辊进给速度的增大,等效应力逐渐减小,应变基本不变。2)匹配仿真参数进行刀圈轧制试验,并对刀圈质量进行检测,刀圈流线与外形轮廓相符,分布连贯不被打断,且与主应力方向一致,流线合理。