基于最小破碎比能TBM滚刀间距设计方法研究

正滚刀刀间距是TBM刀盘设计的重要参数之一,刀间距布置的合理性直接影响TBM破岩效率、刀具损耗等参数。本文首先基于最小破碎比能原理,确定相邻滚刀协同破岩时的合理刀间距,以压头侵入载荷与侵入深度的关系曲线为基础,提出单刀法向推力和贯入度计算模型,依据岩石破碎角几何关系计算不同贯入度下的最优刀间距,总结提出TBM正滚刀刀间距设计方法。结合某工程实例,计算查找TBM在不同岩体中高效运行的贯入度区间和最优刀间距,设计结果与经验取值接近。该方法可用于类似TBM滚刀刀间距设计。     

全断面掘进机刀具布置方式研究

全断面掘进机刀盘刀具直接与岩土接触,刀盘刀具的布置是影响掘进性能的关键因素。本文将全断面掘进机刀具布置分为正滚刀布置和边滚刀布置。正滚刀以刀间距合理的原则出发,阐述了等刀间距布置以及螺旋线布置方式的不同。边滚刀在考虑刀具布置基本原则前提下,建立多目标多约束的刀具布置优化模型,用遗传算法得到最优解。并以某型刀盘为实例,验证了该布置方法的可能性。     

基于三维颗粒流模型的TBM滚刀顺次破岩的研究

从岩石细观破坏角度出发,基于颗粒离散元法,建立隧道掘进机(TBM)单滚刀破岩三维颗粒流模型,对比分析滚刀侵压破岩、滚压破岩模式下岩石裂缝的扩展规律和滚刀受力特征。在此基础上,建立双滚刀顺次破岩三维颗粒流模型,分析不同断面形态下岩石裂缝扩展的范围以及不同刀间距下破岩比能与贯入度的关系。结果表明:滚刀侵压破岩时,岩石以剪切破坏为主,垂直力随着贯入度的增加而增加,且贯入度为6mm时,垂直力达到58.0kN;滚刀滚压破岩时,岩石以张拉破坏为主,滚动力、垂直力呈锯齿状波动变化,平均滚压力约为5.6kN,平均垂直力为20.67kN,小于侵压破岩时的垂直力;采用双滚刀顺次破岩时,与侵压破岩相比,滚压破岩的岩石裂缝纵向扩展深度较小、径向扩展范围较大,而且当刀间距与贯入度的比值较大时,滚压—侵压断面上的岩石裂缝最不易贯通,在两滚刀中间位置处容易形成岩脊;当刀间距与贯入度的比值为10时,滚刀破岩的比能最小,破岩效率最高。     

盘形滚刀与岩石相互作用研究综述

研究目的:盘形滚刀是一种重要破岩刀具,主要用在掘进机(TBM)、复合式盾构及岩石盾构的刀盘上。研 究盘形滚刀与岩石相互作用对于分析盘形滚刀破岩机理、指导刀盘刀具设计、提高破岩效率与掘进性能及降低 能耗都具有重要的理论意义和实用价值。 研究方法:文献综合分析和研究。 研究结果:扼要分析了隧道掘进机盘形滚刀破岩的基本原理、滚刀的截面形式及几何参数,并就滚刀与岩 石相互作用机理、滚刀破岩力、掘进性能预测等方面,对国内外具有代表性的研究成果进行了综述。 研究结论:指出影响盘形滚刀与岩石相互作用的因素主要有机械因素和地质因素。     

基于滑移线场的土压平衡盾构刀具切削扭矩研究

为了较合理地估算刀盘的切削扭矩,对刀盘2种主要刀具即切刀和滚刀的切削扭矩进行研究:首先基于塑性力学中滑移线场,对滚刀和切刀分别建立与其切削机制相对应的塑性力学模型,推导具体的表达式;然后,根据盾构刀具的配置参数及红层掘进参数对刀盘的切削扭矩进行计算,分项求和得到刀盘总扭矩。最后对刀盘计算总扭矩与施工实测总扭矩相比较,并分析理论计算模型存在的误差原因。研究结果表明:滚刀在红层中受均匀磨损,磨损量小,刀盘扭矩的实际装备系数为3.2,有一定的富余。研究结果可为盾构刀盘的设计、施工提供参考。     

用单刃刀具加工蜗轮齿形

利用机床与切向刀架间的传动链，在工件与刀具之间建立一个确定的运动关系，模仿蜗轮滚刀在切削工件时的“刃齿平移效应”，以完成蜗轮齿形展成切削的过程，可较好地解决用单刃刀具替代蜗轮滚刀实现对蜗轮齿形的加工。     

基于施工条件下的盘形滚刀破岩数值研究

考虑到全断面硬岩掘进机盘形滚刀破岩时受力情况的复杂性,利用大型有限元软件ANSYS/LS-DYNA对滚刀受力进行研究。依托于吉林引水工程地质与TBM设备参数,建立滚刀-岩石三维数值模型,并将数值结果与现场实际掘进参数对比验证数值模型的准确性,在此基础上获得不同刀间距与贯入度下滚刀受力的变化规律。模拟结果展示了破岩过程中滚刀所受到的垂直力随破岩距离的增长而剧烈振荡变化,在贯入度定值下,滚刀所受到的垂直力随着刀间距的增加而增大,滚动力受刀间距影响不大;在刀间距定值下,随着贯入度的增加,垂直力与滚动力均逐渐增加。研究结果可为改善盘形滚刀的设计、延长其使用寿命提供一定的理论指导。     

土压平衡盾构斜切大直径主筋桩群施工技术

针对盾构直接切削大直径主筋桩群的工程难题,以广州地铁12号线官洲站—大学城北站区间工程为例,开展盾构直接切削桩径1 200mm、主筋直径25 mm和28 mm桩群的实践研究,分析盾构施工关键措施、切桩效果。实践表明：滚刀和撕裂刀搭配的刀具配置具备切削主筋直径25 mm和28 mm混凝土桩基的能力;镶齿滚刀难以直接切断钢筋,撕裂刀二次作用时对钢筋的剪切作用力可将滚刀切口位置切断;采用“低推速、高转速、稳扭矩”方式掘进可有效切断桩体及钢筋;采用分体式液压钢筋剪可较好处理盾构仓内缠绕钢筋。     

盾构刀盘刀具布置优化算法比较

盾构刀具作为掘进过程中的切削工具,选型与布置影响着盾构的使用性能。结合直径Φ8 810 mm的盾构刀盘实例,将质心分布重合、破岩刀间距、最优切削效率、布刀位置不干涉等约束转化为数学不等式,建立带约束的数学优化模型;确定径向载荷、倾覆力矩最小为目标函数;对比分别采用传统优化算法、标准遗传算法、多目标遗传算法优化计算后刀盘受力情况。研究结果证明采用优化算法优化刀盘刀具布置的可行性。优化后倾覆力矩及径向不平衡力均减小,多目标遗传算法布置方案明显优于另两种优化方案,在今后解决刀具优化布置问题时可作为首选。     

球型镶齿滚刀参数对破岩比能影响性研究

研究球型镶齿滚刀破岩过程中刀盘转速、钻压、镶齿数、刀盘间距以及贯入度5种因素对破岩比能的影响,利用ABAQUS有限元计算软件,建立双排滚刀直线切割围岩的动力显式模型;基于正交试验法,设置五因素四水平正交试验L16(4~5),通过极差分析和方差分析找出不同因素变化对破岩比能的影响规律,并对比分析最优组合和最不利工况下滚刀滚动力和破岩效果。研究结果表明:影响滚刀破岩比能因素的主次顺序依次是钻压、刀盘排距、转速、刀齿数和贯入度;适用于中风化凝灰岩互层的钻具参数为转速12.56 m/s,钻压25 kN,刀齿数34个,刀盘排距35 mm,贯入度1 mm,此时的破岩比能为0.382 8 MJ/m~3,优化效果较好。     

地应力对TBM滚刀破岩力影响室内试验研究

为研究地应力对隧道掘进机(TBM)滚刀破岩力的影响,采用北京工业大学研制的机械破岩试验平台分五个双向等围压模拟地应力对重庆青砂岩进行室内全尺寸线性切削试验。结果表明,围压对TBM滚刀破岩的影响可划分为三个阶段,即强化效应阶段、损伤效应阶段和破裂效应阶段。本文深入揭示围压对盘形滚刀受力性能的影响,为川藏线地应力条件下TBM开挖时刀盘动力参数设计与施工运行参数优化提供参考。     

梯度硬度滚刀刀圈关键技术研究及应用

盾构和隧道掘进机(TBM)施工对盘形滚刀的设计及制造要求较高,特别是对滚刀刀圈的材料和热处理工 艺的要求更高。随着盾构和 TBM 施工工程增多,复杂地质条件难以准确预测,特别是在上软下硬地层中,普通 工艺的滚刀刀圈易出现刀圈崩块、断裂现象。针对上软下硬地层的地质条件,进行冷作模具钢刀圈材料成份和刀 圈刃型的设计,对滚刀刀圈梯度硬度热处理工艺进行研究,并通过项目现场试验,检验热处理工艺的效果。     

中粗砂地层中降低盾构机刀盘扭矩的措施研究

盾构法施二已成为开挖城市地铁隧道的主要工法。但盾构施工中,刀盘驱动扭矩过大,始终是制约施工进度的主要因素。从盾构机刀盘驱动系统、土仓内切削土体、泡沫系统、刀盘开口率、刀具选型等5个方面对盾构机刀盘驱动扭矩过大的原因进行了分析,提出了切实可行的解决办法,并在沈阳地铁一号线云沈区间盾构施工中得到了成功的应用。     

隧道铣挖法铣挖参数数值模拟研究

基于PRO/E建立艾卡特ER1500-1XL铣挖头模型导入LS-DYNA中,选择DRUCKER-PRAGER本构模型模拟岩土材料,刚体模拟铣挖头进行铣削岩土仿真。通过数值模拟方法改变隧道铣挖法中铣削参数(吃刀深度,截割厚度,铣挖方式),结合现场资料得到隧道铣挖规律。结果如下:(1)截齿荷载平均值差异不大时差异系数较大是截齿破坏的主要原因;(2)吃刀深度和垂直摆动速度与单位比能耗呈指数关系,加大吃刀深度比摆动速度对加大截割厚度更有效,截割阻力与截割厚度成线性关系;(3)铣挖尽量采用顺切,较为省力,延长截齿寿命。     

泥水盾构刀具磨损机理研究

泥水盾构刀具磨损受诸多因素的影响,文章在磨损基本理论的基础上,总结得出泥水盾构刀具的磨损类型及磨损过程的3个阶段,并用ABAQUS软件对磨损过程进行了模拟计算,计算分析了不同地层条件、刀具组合配置、刀具材料选择、刀具设计与制造工艺及掘进参数等对刀具磨损的影响。     

厦门越海隧道盾构施工若干技术难题及对策

针对厦门2号线越海段盾构施工过程中出现掘进参数异常、刀具磨损严重及异常失效、堵管等工程难题,通过地质补勘,发现局部存在极硬而多裂隙的破碎带复杂地层。基于此,对越海隧道盾构施工技术进行探讨研究,创造性地提出了海上注浆加固技术,并对刀盘上的滚刀结构进行重新设计。后续施工过程刀盘推力恢复至21 000~22 000 kN之间,掘进速度维持在2~4 mm/min,达到正常掘进水平,同时降低了刀具的异常磨损和消耗。有效解决了盾构海底穿越破碎带复杂地层的难题,使得盾构顺利掘进,可为后续类似盾构越海施工提供指导。     

TBM中心刀改进方案及工程应用

盘形滚刀作为TBM的专用破岩工具,它的使用及维修技术,直接影响隧道掘进速度和施工成本。介绍了盘形滚刀中心刀（Timken公司制）存在的缺陷,改进方案及实施改进的过程。     

绞吸式挖泥船功率管理系统分析与设计

介绍了绞吸式挖泥船的工作特性,并对动力系统的在不同工况下使用情况进行了分析,对绞吸挖泥船动力系统的优化配置和使用的可行性和方法进行了说明,并对系统改进后的船舶安全和绞吸船工作系统性能提升方面做了分析。     

盾构机刀盘开裂后的洞内修复加强技术

刀盘是盾构机的重要组成部件,它是盾构的掘削机构,在不同的地层中,刀盘的受力载荷复杂多变,加之刀盘配置和掘进参数的不尽合理,就会导致刀盘的结构发生变化,出现开裂。结合工程实例,介绍了刀盘开裂后洞内修复加强的技术。