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。     

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。     

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。     

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。     

基于多目标优化的盾构刀具布置研究

盾构刀盘刀具的布置直接关系到刀盘的受力状况、刀具的磨损、大轴承寿命以及高效稳定的掘进。针对复合型土压平衡盾构刀盘特点研究了切刀及滚刀的布置规律,并对滚刀和切刀进行了布置优化。在满足刀盘几何要求和力学平衡约束基础上,建立了满足多种约束条件的滚刀布置优化模型,并采用粒子群多目标优化算法对模型进行求解。从刀盘整体受力出发,并基于阿基米德螺旋线方法进行切刀布置。最后通过ANSYS Workbench有限元软件对布置结果进行仿真分析,验证了该方法布置刀具的合理性和有效性,使优化方案更符合工程实际需要。     

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。     

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。     

土压平衡盾构机多级环形刀盘设计

针对盾构机施工过程中容易出现卡盘与结泥现象,设计了具有双刀盘的多级环形刀盘结构,改变了一般盾构机刀盘一体化结构,其中外环刀盘为平顶形,内环刀盘为外锥形。通过对比在锥形刀盘上安装的盘形滚刀和在平顶形刀盘上安装的盘形滚刀与岩石相互作用的力学模型,计算内环刀盘合适的外径范围和锥角区间,为今后多级环形刀盘盾构机的研发设计提供理论依据。     

TBM滚刀破岩时滑移量的数值模拟研究

TBM破岩用的盘形滚刀消耗量大且价格昂贵,不合理的换刀会对工期、施工成本以及TBM本身造成不利影响,研究盘形滚刀的磨损特性以及预测滚刀磨损具有重要意义。滚刀破岩时其受力情况及滑移量对滚刀磨损机理及磨损量的预测至关重要,本文利用软件ABAQUS建立了盘形滚刀破岩过程的有限元模型,研究了滚刀滑移现象以及滚刀受力分布情况。定量地分析了滚刀贯入度以及滚刀与岩石间的摩擦系数对滚刀滑移的影响。结果表明:滚刀破岩时的滑移量与贯入度成正比,与摩擦系数成反比。所得结果可以为滚刀磨损量的预测提供参考。     

TBM破岩机理及刀圈改形技术研究

通过地应力对破岩影响的分析,对TBM破岩机理进行了研究,着重考虑了岩石破裂角对破岩效果的影响.在刀圈荷载一定的条件下,为提高破岩效果可以针对不同的岩石采用不同的刀圈外形.结合秦岭隧道的工程实际,提出了提高工作效率的刀圈改形方案.     

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。     

极硬岩隧道工程中双护盾隧道掘进机刀盘设计与滚刀磨损分析

双护盾隧道掘进机在极硬岩隧道施工中存在刀具磨损更换频繁、装备掘不动且施工效率低下的难题。以深圳地铁6号线羊台山隧道工程为研究对象,通过统计、参数相关分析的方法,提出:在双护盾隧道掘进机设计选型阶段前期,需要重点考虑高强度刀盘本体设计、刀具型式的选择及合理的刀间距布置方式;在施工过程中,可以进行破岩刀具的材料、刀具刃形优化,以及掘进参数与不同类别围岩的合理匹配选择。提出了适宜的双护盾隧道掘进机施工控制掘进参数。实践结果证明,硬岩刀盘的针对性设计与优化调整,以及合理的掘进参数选择,有效减少了换刀频次,降低了施工成本,保证了施工工期。     

基于近似模型技术的高强钢盾构刀盘优化设计

成都地铁6号线某标段为砂卵石、泥岩地层,原设计的盾构6.28 m刀盘中心开口率小,出现泥糊刀盘、卵石难进入土仓等问题.由于高强钢盾构刀盘相较于普通刀盘其强度和刚度均有较大余量,故通过集成有限元软件Ansys Workbench和多学科优化软件Isight,针对高强钢盾构刀盘的结构优化提出一种基于近似模型技术的优化方法.首先进行仿真分析研究2种不同材料刀盘的优化空间,建立高强钢盾构刀盘的优化数学模型,对所选设计变量进行最优拉丁超立方试验设计,并以径向基神经网络近似模型代替刀盘有限元模型,采用多岛遗传算法对高强钢刀盘进行优化设计,最终减薄刀盘钢板的厚度,增大了刀盘中心开口率,有利于大粒径卵石进入土仓,降低刀盘滞磨率,并可提供更大的刀盘结构空间以安装适合常压换刀的滚刀刀箱.该优化方法大大缩减了计算时间,提高了优化设计的效率.     

基于脉冲涡流的TBM盘形滚刀磨损检测方法

为保障TBM高效安全运行，提出一种脉冲涡流检测（PECT）的刀圈径向磨损量无损检测方法。先基于Maxwell时变电磁场理论建立有限元模型，采用控制变量法探究线圈高度、内半径和外半径3个激励线圈参数的优化策略；再搭建刀圈径向梯度化磨损量无损检测有限元模型，研究刀圈径向磨损量与前期电压信号积分值的映射关系，提取可连续反映刀圈磨损程度的特征量，并研究不同提离距离下刀圈径向磨损量与特征量的映射关系。结果表明：在给定激励线圈外半径取值的前提下合理调节内半径取值，可最大程度兼顾对激励线圈高分辨率、强耦合程度的要求；检测线圈与刀圈的最远距离为64 mm，在满足48.26 cm刀圈最大径向磨损量为35 mm的基础上保留了29 mm余量，比传统涡流检测的最远提离距离提高了83%；该方法提高了探头远距离检测能力，保障了探头安装空间，同时显著降低了探头被岩碴刮擦损伤的风险。     

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。     

汕头市苏埃过海通道 泥水盾构针对性措施

结合汕头市苏埃通道的工程概况,分析出本工程存在高水压进仓作业困难、三段基岩凸起段掘进困难、浅覆土软弱地层压力控制精度要求高、刀盘结泥饼等工程施工重难点,提出相应的针对性措施。盾构机采用常压换刀刀盘设计,提高高水压环境下的换刀作业安全性及换刀效率;主驱动具备伸缩摆动功能,方便常压刀盘在硬岩地层中正面滚刀及边滚刀的更换;对泥浆循环系统进行针对性设计,降低盾构机堵仓滞排、刀盘结泥饼等风险。     

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。     

基于离散元方法的TBM刀盘磨损研究及优化设计

研究目的:刀盘位于全断面隧道掘进机的最前端,工况恶劣,刀盘刀具磨损严重,是刀盘失效的主要原因。本文应用离散元分析方法对刀盘面板的磨损进行模拟仿真,并对磨损大小进行定量分析;通过对刀盘面板进行分区,研究面板的磨损规律;开展刀盘面板的堆焊结构优化设计,提出米字形堆焊的面板结构。研究结论:(1)刀盘面板滚刀分布密集区及出渣槽区域附近的面板磨损较为严重,易发生磨损激增;(2)优化后的新刀盘面板结构平均磨损量较原刀盘面板下降了近25%,优化后的刀盘面板耐磨特性得到明显提升,新刀盘面板结构固有频率较原刀盘面板更远离其工作频率,工作更加安全;(3)本文研究可为刀盘磨损的计算提供方法指导,优化的耐磨结构可应用于修复磨损严重的刀盘。     

高磨蚀复合地层盾构刀盘受力分析与计算

盾构在复合地层中施工,经常会遇到盾构姿态难以控制、刀盘刀具异常或过量磨损、刀盘变形与开裂等问题,目前是盾构施工一大难题。针对芜湖过江隧道其中一段软硬复合地层的工程地质特点,将其在盾构掘进断面内的地层简化为上软下硬的二元地层结构,对刀盘受力公式进行推导并建立刀盘受力计算模型,基于LabVIEW编制盾构刀盘受力计算程序。该程序可以计算盾构机在复合地层掘进过程中的刀盘有效推力、有效扭矩、倾覆力矩和不平衡力及它们的变化情况。最后实例计算,得出刀盘受力和力矩随软岩比、刀盘转角和贯入度的变化规律,解释了盾构在复合地层施工难题的原因,为其提供依据。     

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。