不同贯入度下铁路隧道TBM盘形滚刀的破岩效率分析

针对大瑞铁路高黎贡山隧道工程特定岩性条件，运用显示动力学理论和岩体破碎准则，建立了滚刀破岩数值模型，并对不同贯入度下滚刀破岩效率进行了分析。结果表明:随着滚刀贯入度的增大，两把滚刀底部岩体等效塑性应变区域逐渐贯通，沟槽深度不断加大，同时岩脊宽度逐渐减小；各贯入度下切向力时程曲线均呈现正向波动特性；滚刀平均切向力和破岩体积随滚刀贯入度的增加呈现非线性递增关系；破岩比能耗随着滚刀贯入度的增加先减小后增大，并存在一个最优贯入度数值使得比能耗最小。     

基于线性切割试验碴片分析的滚刀破岩效率研究

为了研究碴片形状与TBM破岩效率之间的关系,应用机械破岩试验平台对北山花岗岩进行线性切割试验。通过对试验所形成的碴片进行粗糙度指数、扁平度以及长轴分析,发现不同滚刀间距及贯入度下所形成的碴片有很好的规律。TBM破岩效率越高,所形成的碴片大岩块的长轴更长,粗糙度指数更大,同时碴片也更加扁平。将粗糙度指数与比能进行回归分析,二者具有很好的线性关系。对于北山花岗岩,当刀间距与贯入度的比值为40左右时,TBM破岩效率最高。因此,碴片分析对评价TBM的破岩效率和优化施工具有重要意义。     

镶齿滚刀破岩机理及效率的旋转破岩试验

随着隧道工程建设的不断增多,镶齿滚刀已被广泛应用于多种开挖机械,如隧道掘进机、反井钻机、采掘机等,不同破岩参数下镶齿滚刀的破岩机理及破岩效率研究,对提高机械掘进效率、降低施工成本有重要意义。应用北京工业大学自主研制的多功能机械破岩试验平台,选用直径304.8 mm（12英寸）的镶齿滚刀对尺寸为1 000 mm×1 000 mm×600 mm的北山花岗岩进行旋转切割破岩试验研究。通过对排齿及整刀进行不同贯入度的旋转切割试验,并应用荧光裂纹检测法对侵入坑下方裂纹进行检测,研究镶齿滚刀的破岩规律。结果表明：①镶齿滚刀为"递进式"破岩,破岩开始于相邻小齿间距的球齿之间,而后发展到相邻的大排间距的球齿之间;②第3排球齿破岩效率最高,且整刀在贯入度为1.5 mm时破岩效率最高;③应用荧光裂纹检测法分析滚刀下方岩体裂纹分布特征,发现每排球齿下的裂纹扩展方向及范围存在较大差异。裂纹分布特征分析结果与通过滚刀力、岩片分析得出的镶齿滚刀破岩效率的结论相一致。该研究可为机械开挖设备滚刀布置、刀型优化及施工运行参数优化提供试验参考和理论依据。     

基于PLC刀盘刀具破岩模态实验平台控制系统设计

在盾构破岩掘进过程中,盘形滚刀是最有效的机械破岩方式之一,而影响盘形滚刀破岩速率和破岩效率的主要因素是盘形滚刀刀间距的合理设置,刀间距的优化设计是基于盘形滚刀对不同岩样破岩角的确定。基于PLC设计的控制系统数据采集、处理实验平台的模拟控制参数,通过采用声发射信号源定位检测的方法来近似计算破岩角。在贯入度确定的条件下针对同一岩样,如果刀间距太大,一把盘形滚刀产生的岩石裂纹不能与相邻盘形滚刀的影响范围相接,必定开挖不出片状石渣,从而使破岩速率降低;反之如果刀间距太小,则会使石渣块太小,从而降低破岩效率。详细阐述实验平台控制系统设计原理,并对其数据采集、处理策略进行分析,所设计的控制系统满足实验平台控制要求。     

基于隧道工程实例的TBM破岩特征参数研究

为评价TBM的破岩性能、反馈滚刀破岩载荷、预警TBM卡机风险，提出采用破岩系数表征宏观TBM多滚刀协同破岩特征，采用切割系数表征细观单滚刀破岩特征。通过TBM破岩系数与滚刀切割系数关系推导，得出宏观上反映TBM推力和转矩相关性的破岩系数与细观上反映滚刀垂直力和滚动力相关性的切割系数在数值上相等，且仅与贯入度和滚刀直径有关；通过多个TBM工程现场数据验证，得到TBM破岩系数与滚刀切割系数均随滚刀贯入度的增大呈幂函数关系，TBM破岩系数在数值上明显比滚刀切割系数小，但二者呈高度线性关系，表明破岩系数与切割系数关系的理论推导研究方法的正确性。该研究建立的破岩系数、切割系数、贯入度等参数间的相关性对于预测和评价TBM的破岩性能大有益处。     

高压水刀辅助TBM滚刀破岩效率室内模型试验

研究不同工况条件下高压水刀辅助TBM滚刀破岩效率,对于进一步优化该新兴技术,实现高强度高磨蚀性地层TBM高效安全掘进具有重要意义。为此,基于室内滚刀贯入模型试验,对不同低围压作用(围压p₀=0,1.25,2.5 MPa)以及不同高压水刀预切割竖向裂缝几何参数(切缝深度H=10,20 mm,预切缝-刀具轴线间距L=0,20,40 mm)条件下高磨蚀性硬岩试样滚刀贯入破碎过程及破岩效率影响规律展开研究。试验结果表明:低围压且无预切缝条件下,随着围压的增大,岩样峰值贯入荷载增大,贯入荷载-贯入度曲线跃进跌落次数增多,试样破坏特征从脆性破坏向延性破坏转化,无围压条件下高强度高磨蚀性地层TBM掘进难度高于常规强度地层和高强度磨蚀性地层;低围压且有预切缝条件下,预切缝-刀具轴线间距L=0时,岩样发生劈裂模式破坏,无围压条件下,L=0时,其峰值贯入荷载显著小于L≠0情况,有围压条件下,L=0时,岩样达到峰值贯入荷载所对应的贯入度显著大于L≠0情况;有预切缝条件下,预切缝-刀具轴线间距L≠0时,预切缝深度H越大,破岩效率越高,较大的高压水刀切割深度H能够降低高强度高磨蚀地层TBM掘进中滚刀的磨损率;有预切缝条件下,当预切缝深度H一定时,不同L值下的岩样峰值贯入荷载及对应的贯入度都随着围压增大而增大,而当L值较大时,一定程度上需提高掘进推力才能够实现高效破岩。     

TBM掘进中滚刀受力实时监测方法研究

由于掘进环境过于恶劣，TBM（tunnel boring machine）滚刀受力实时监测问题一直难以解决。文章根据对滚刀部件特征和荷载传递规律的分析，在C型垫块中嵌入应变计，提出有效的监测方法，并通过C型垫块的标定试验以及回转破岩试验，验证该监测方法的有效性和可行性。结果表明： 1）在不同贯入度下，根据受力监测方法得到的垂向荷载与油缸荷载大小稍有差别，但两者的变化趋势几乎是一致的，说明该监测方法具有可行性和有效性； 2）随着贯入度的增大，滚刀所受法向力和侧向力也在增大。     

基于三维离散元的滚刀破岩机理研究

为研究滚刀破岩机理,借助CAD建模技术,高效精确地生成了盘形滚刀模型,采用三维颗粒流方法模拟盘形滚刀破岩过程,分析了盘形滚刀破岩机理。研究结果表明,随着刀盘贯入度的增加,裂纹数量呈跳跃式快速增加,且主要集中在滚刀刀刃两侧2 cm范围内,沿滚刀运动迹线发展。剪裂纹数量略大于拉裂纹,但总体相当,岩石表现出拉伸-剪切综合破坏模式。随着滚刀侵入岩体,法向推力、切向滚动力和侧向力均波动剧烈,但法向推力变化范围不随贯入度变化,切向滚动力和侧向力波动范围则随着贯入度的增加而增加。     

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。      

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。     

17in与19in滚刀破岩效率及耐磨度的初步比较研究

目前硬岩掘进机最常用的盘形滚刀有17in及19in 2种规格的滚刀,经工程实例比较,19in规格的滚刀具有更好的破岩效率及耐磨度。在开挖面岩体性质、滚压速度、刀具结构材料基本相同的条件下,滚刀直径的增大为何导致破岩效果更好,从理论分析的角度,量化比较这2种规格的单刃滚刀的破岩效率及耐磨度,为掘进机用户在选型时提供参考。     

偏刃刀圈在小转弯半径隧道施工工况中的研究与应用

为开发出适合在小转弯隧道中使用的新型滚刀刀圈，在磨粒磨损原理的基础上，通过研究CSM刀圈侧边受力模型、边缘滚刀破岩机制、磨损量预测公式，进行滚刀切削岩石试验，建立了刀圈与岩石接触力模型，分析了转弯段边缘滚刀刀圈受力情况、针对性设计了偏刃刀圈，并在山东文登小转弯半径隧道掘进段工况下进行常规刀圈和偏刃刀圈工业试验。得出结论如下： 1）TBM掘进直线隧道时边缘滚刀所受侧向力不可忽视，侧向力与刀圈同岩石的接触面积和所受的压力有关； 2）在直线工况掘进下的边缘滚刀外侧岩石几乎不发生破坏，边缘滚刀内侧对岩石具有“刮擦剪切效应”，刀圈内侧所受侧向力远大于外侧； 3）转弯段刀圈内侧受力严重偏离了正压力方向，加速边缘滚刀刀圈内侧的磨损； 4）在掘进距离达145.43 m时，19#和20#刀位的偏刃刀圈较常规刀圈磨损速率分别降低7.4%和17.5%。因此，偏刃刀圈更加适用于小转弯工况下的隧道掘进。     

水射流辅助机械滚刀破岩试验研究

为解决极端软硬不均、极硬岩（硬度超过180 MPa）等复杂地质条件下，隧道掘进机破岩过程中刀具破岩效率低及“啃不动”的问题，采用滚刀岩机作用综合试验台，搭载高压水射流装置，采用不同的水射流参数及掘进参数对花岗岩试样开展破岩试验，研究不同条件下水射流辅助机械滚刀破岩对掘进参数及效率的影响。通过试验获得水射流破岩合理的靶距与压力，探明水射流与机械滚刀交叉轨迹复合破岩、同轨迹复合破岩相对于纯机械滚刀破岩刀盘推力、转矩及破岩效能的变化特性。     

管道更新掘进机刀盘切削钢筋混凝土管道转矩试验研究

为研究掘进机直接切削钢筋混凝土管道，实现管道原位破除更新的可行性，对新型刀盘切削过程中的参数进行分析。通过力学与数学方法，从条齿滚刀切削钢筋混凝土管道机制入手，研究切削转矩的计算方法；设计刀盘试验，系统研究切削参数的变化规律与影响因素，并提出管道更新掘进施工控制指导参数。研究表明： 1）刀盘全断面切削钢筋混凝土管道时，刀盘转矩与时间呈Boltzmann函数关系。2）刀盘推进速度提高，刀盘转矩呈线性增加；刀盘转速提高，刀盘转矩呈先减小后增大的规律。3）结合刀盘切削参数与切削比能，确定8~12 mm/r为较优贯入度区间。     

基于线性回归法的TBM滚刀贯入度预测研究

为解决盾构施工中全断面隧道掘进机(TBM)滚刀贯入度的预测问题,使其更好地应用于所处地层,依托深圳地铁6号线的相关数据及中铁TBM云管理平台的数据处理功能,定性分析TBM破岩过程,并将破岩的宏观过程划分为3个阶段;采用线性回归方法,依次从贯入度与掘进推力的关系、贯入度与刀盘转矩的关系对TBM滚刀贯入度的变化情况进行量化分析,并在这一过程中推导得到TBM掘进的贯入度与推力、转矩的参数预测模型,并结合现场实测结果对线性回归法的预测结果进行验证。结果表明:1)TBM在不同阶段的贯入度、推力及转矩均有不同程度的变化,且相互之间存在一定的关联;2)掘进参数的线性回归预测模型经过验证是合理的,表明线性回归法适用于TBM掘进参数的预测,可视具体情况为隧道工程实施阶段掘进参数的调整提供理论指导和参考。     

基于MATLAB/Simulink的TBM边滚刀动力学模型及振动分析

为解决TBM设备在硬岩地层施工过程中单刃边滚刀失效较严重的问题，对边滚刀在破岩过程中的振动特性进行研究。首先，基于对破岩时边滚刀的受力分析，将其所受载荷简化为垂向力、轴向力以及倾覆力矩，建立滚刀动力学模型。然后，运用MATLAB/Simulink建立边滚刀动力学仿真模型，由ANSYS/Ls-dyna仿真得到的边滚刀破岩载荷历程作为该动力学模型的输入激励，仿真得到边滚刀各部件振动位移响应曲线。最后，通过改变模型中滚刀各部件的刚度大小,研究其对滚刀振动的影响。研究发现： 1）对于安装角为45°的边滚刀，在花岗岩地层中破岩时，其刀圈侧向振动幅度比垂向振动幅度大22%左右，侧向摆角最大可达到0.406°。2）刀圈与轴承的刚度是影响滚刀振动和侧向摆动的重要因素，增大1倍刀圈刚度，滚刀垂向、侧向振幅和摆动振幅分别降低26.6%、31.5%、31.0%；增大1倍轴承刚度，滚刀垂向、侧向振幅和摆动振幅分别降低19.5%、14.1%、21.7%。     

TBM掘进综合试验台的研制

刀盘刀具破岩技术是全断面隧道掘进机技术的核心,但是目前国内研究基础还比较薄弱。为了掌握滚刀破岩技术,需要在实验室内准确模拟滚刀破岩过程的试验台架。介绍TBM掘进综合试验台的主要结构、工作原理、主要技术指标、液压系统和信号检测系统等。试验台的建成将为我国TBM刀盘破岩技术及滚刀制造技术提供关键的试验设备。     

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。     

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。