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。     

复合地层下盾构施工模态系统刀盘荷载及振动特性研究

基于苏埃通道盾构工程和盾构及掘进技术国家重点实验室的盾构施工模态系统的刀盘实体,利用JHC本构模型对岩体进行仿真,通过显示动力学软件LS-DYNA对不同模式下的滚刀群切削复合地层进行数值模拟,并结合滚刀、刀盘的力学分析及傅立叶变换函数,得到滚刀和刀盘的三向荷载-时间历程曲线及荷载的频谱图。通过分析荷载曲线及频谱图可知:1)在荷载特性方面,切削过程中滚刀和刀盘荷载均具有突变性、随机性和冲击性;当滚刀运动经过软硬岩层交界面时,滚刀切点荷载发生突变,有可能发生剧烈震荡。2)在振动特性方面,刀盘荷载的频率主要集中在0~5 Hz,属于典型的低频振动,并与滚刀的频率分布一致;软岩及硬岩仅对滚刀荷载的幅值产生影响,对其频率分布影响有限。结合刀盘在软硬不均地层条件下静力学的分析结果,确定刀盘在不均匀受力状态下的最大应力、应变位置,为苏埃通道滚刀破岩物理模型试验刀盘测试系统的构建提供了依据。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

盾构刀盘变形修复技术及理念

珠三角城际隧道施工中盾构刀盘出现了较大变形,为实现仓内维修并恢复掘进,探讨在不具备全面、系统修复的安全空间和作业条件情况下进行刀盘应急修复的特殊技术,总结出仓内变形刀盘的修复要点即控制修复刀箱在刀盘径向和轴向的安装位置,以保证各滚刀间距及破岩轨迹与原设计相符,并使滚刀表面保持弧形过渡。为盾构刀盘仓内特殊条件下维修积累了经验,也是对修复表面要求“从平到不平”的理念做了尝试与探讨。     

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%。     

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。      

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。     

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。     

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。     

长距离掘进软弱围岩的TBM刀盘扩挖技术

为解决全断面岩石隧道掘进机（TBM）在软弱围岩地层的适应性问题，应对由于围岩收敛变形导致的卡机和支护被破坏的风险，基于高黎贡山隧道TBM施工项目，从TBM装备角度提出了针对性设计方案。通过对比现有的TBM刀盘扩挖技术，提出边缘滚刀外移和预留扩挖刀箱组合设计方案，并结合一套同步抬升油缸系统和中间导向柱实现了刀盘的抬升扩挖设计。通过上述研究，使刀盘半径方向扩挖量达到100 mm，避免由于隧道底部扩挖导致的主机“栽头”现象，实现TBM在软弱围岩地质条件的长距离扩挖掘进。     

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。     

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。