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。     

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。     

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。     

TBM盘形滚刀破岩刀刃应力分布研究

为了研究盘形滚刀破岩过程中刀刃应力分布规律,利用数值模拟对滚刀破岩过程进行分析,同时,进行盘形滚刀切削岩石过程中刀刃应力应变测试。研究结果表明:在滚刀破岩过程中,刀刃应力从刃底沿径向逐渐减小,且最大值位于刃底边缘;刃底径向应力从接触岩石到最大侵深过程中经历加载-峰值-卸载3个阶段;随着滚压时间的变化,刀刃切向应力值符号发生改变,而径向应力值则一直保持为非正;随着贯入度增加,径向应力与切向应力均变大,且径向应力变化趋势更明显。此外,刀刃径向应力明显大于切向应力。     

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。     

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UDEC仿真的滚刀最优刀间距确定方法

为了得到指定切深下合理的刀间距,提出一种基于UDEC仿真的滚刀最优刀间距确定方法。通过试验机得到岩样力学参数,利用2D离散元仿真软件UDEC,建立了无围压条件下两把滚刀顺次切削节理不发育岩石的数学模型,在此基础上设计了一组数值试验,成功地模拟出了不同切深和刀间距下滚刀破碎岩石的全过程。分析得到指定切深下仿真切削比能耗与刀间距的对应关系,最小比能耗下的刀间距即为最优刀间距。最后,利用回转式盾构刀具切削实验台,采用恒切深方式进行多组实验,记录刀具所受三向力和破碎岩样重量,得到实验最优刀间距。通过实验手段和仿真手段得到的最优刀间距基本一致,工程数据也进一步证实了这一点。因此,基于UDEC仿真的滚刀最优刀间距确定方法是可行的。     

基于LS-DYNA的19英寸盘形滚刀仿真分析与优化

研究盘形滚刀的受力情况,可以为滚刀设计和选型提供理论依据。文章在对滚刀的受力进行理论计算的基础上,利用LS-DYNA显示动力学分析软件,对19英寸盘形滚刀刀圈进行仿真分析,得到了19英寸盘形滚刀破岩力曲线、刀圈的应力状态;结合对刀圈受力分析,优化刀圈结构;对比了应用有限元仿真、CSM模型和掘进参数计算的破岩力。结果表明:有限元仿真法可用于19英寸滚刀破岩力计算,优化后的刀圈适应地质条件的要求,为刀圈的针对性设计和选型分析提供科学的参考,具有重要的工程价值。     

单向非贯通节理岩体滚刀破岩 特性离散元模拟

相较于贯通节理,岩桥的存在使非贯通节理岩体受力破坏过程更加复杂。为探明其对破岩影响,通过采 用 PFC2D建立单向非贯通节理岩体滚刀破岩离散元模型,研究岩桥长度和倾角对岩体破碎模式、法向力、裂纹数 量及比能耗等参数的影响,揭示非贯通节理岩体滚刀破岩特性。研究发现：岩体以张拉破坏为主,节理对裂 纹扩展的“导向作用”明显,裂纹扩展方向总是趋向于和其距离最近的节理;竖向应力水平随节理倾角增加呈现 先增大后减小的趋势,在 45°倾角下达到最大值,应力区形状受到节理位置影响,两者具有一致性;完整岩体法 向力均值和峰值均大于节理岩体,节理对于破岩过程具有明显的促进作用;0°、60°、90°节理倾角下的比能耗值 明显低于其他节理组合,60°倾角下呈减小趋势,在岩桥长度为 25 mm 时取得最小值;0°、90°倾角下呈先减小后 增大趋势,在岩桥长度为 15 mm 时取得最小值。     

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。     

复合地层下盾构掘进速度与掘进参数匹配关系研究

在盾构隧道施工过程中,为了有效提高掘进效率、保持开挖面稳定、减少刀具磨损,需根据实际地质情况,正确选择合适的掘进参数。文章以穗莞深城际轨道交通线隧道工程为背景,针对隧道工程所处复合地质的特点,采集并分析掘进参数,得到复合地层条件下掘进速度的非线性模型,进而分析得出在复合地层中掘进速度与掘进参数的相关性。研究结果表明,在复合地层中,掘进速度与总推力、贯入度、刀盘转速、刀盘扭矩之间存在非线性关系,且掘进速度与总推力、贯入度和刀盘转速成正比例关系;复合地层软土掘进建议采用低转速小推力组合,在复合地层软岩掘进中建议采用高转速大推力组合。研究结果可为复合地层下盾构掘进参数的设定提供参考,具有重要的工程价值。     

双向聚能光面爆破周边眼参数确定的新方法

爆破时周边眼属于两端封闭结构,从经典的薄壁内压圆筒理论着手,推导应变能方程与聚能状态下能量分配关系,根据破坏准则对该法周边眼参数进行设计,提出一种隧道聚能光面爆破周边眼参数的确定方法。以张家界吴家边隧道为例,利用此新方法计算其周边眼参数,并结合现场实际的光爆效果,探讨该方法的可行性和计算精度问题。研究结果表明:当聚能装置上聚能缝宽度增大时,往聚能切缝缝两侧汇聚的能量越多,周边眼炮孔间距越大,相同药量作用下破岩效果更佳;聚能影响因素λ增大时,即聚能装置刚度越强,可使周边眼间距显著增大。若取相同周边眼间距,在有聚能装置存在的情况下可减少炸药用量来达到相同光爆效果;围岩等级越高,岩石抗拉强度越强时,周边眼间距明显减小,随聚能影响因素增大,周边眼间距略有增加。在使用该方法计算周边眼间距时,爆破后产生的残余炮孔占95%左右,光面爆破效果良好,可为类似工程提供参考。     

新建盾构隧道垂直下穿对既有隧道的影响

以某新建盾构隧道拟近距离垂直下穿苏州地铁1号线区间隧道为研究对象,采用有限元分析软件ANSYS对盾构隧道施工过程进行三维弹塑性数值模拟,分析不同间距时新建隧道垂直下穿对既有地铁隧道的影响。结果表明:应力、弯矩、轴力和土层位移均随着开挖步的增加而增加;新建隧道开挖对既有隧道的影响在3倍新建隧道直径范围之内;在条件允许的情况下,新建隧道垂直下穿既有隧道的间距应大于0.8倍新建隧道直径,否则,应采用改变施工参数、加固既有隧道周围土体等施工措施,降低既有隧道截面的应力、弯矩、轴力和土层位移的增加值,确保既有隧道结构的安全和新建隧道的顺利掘进。     

岩石含水状态对岩石膨胀力影响的研究

岩石膨胀力试验是测定膨胀岩在水环境下所产生膨胀应力的试验方法。岩石的含水状态对膨胀力测试值具有重要影响。本文通过对岩石试样进行不同含水状态的膨胀力试验,研究了含水状态对岩石膨胀力试验结果的影响程度和规律。结果表明:含水状态对膨胀力测试值的影响显著,风干状态下的膨胀力平均值是饱和状态的83.0倍,烘干状态下的膨胀力平均值是饱和状态的77.6倍,烘干或风干状态的岩石再次遇水后,会出现持续膨胀的趋势,长期干燥环境使岩石内部毛细水充分排出,当岩石再次吸水膨胀时其更具危害性。对于材质均匀,一致性较好的膨胀岩,膨胀力测试值随含水比的增大而减小,随空孔率的增大而增大,且相关性较好。     

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。     

含软弱夹层顺层岩质边坡稳定性分析及处治研究

为解决含软弱夹层的顺层岩质边坡失稳问题,以锦赤铁路某顺层岩质边坡为研究对象,基于工程地质资料,分析该类滑坡的发生机理。建立力学模型,采用工程类比法、室内试验法和反算法确定边坡安全系数,以及软弱夹层结构面抗剪强度和岩层失稳横向极限长度,计算得出该边坡的剩余下滑力为1 684. 8 kN/m。针对滑移-拉裂型顺层边坡的破坏模式,提出通过反压回填、刷方减重、夯填裂缝等措施减少下滑力,设置抗滑桩和锚杆框架梁等综合处治措施。基于算得的剩余下滑力,采用定量分析法,得出抗滑桩和锚杆框架梁的布置形式:抗滑桩截面为2. 25 m×2 m,桩长18 m,桩间距为6 m;锚杆框架梁的锚杆间距为3. 6 m,菱形布置。监测数据表明,处治效果较为理想,可为此类顺层滑坡的预防和处治提供借鉴。     

梯形螺纹滚丝轮的设计

近年来,我厂开发了铁路线路用道钉系列产品,其中螺纹道钉材料为Q235A,其梯形螺纹部分T25.6-1.6×95需要加工,通常有车床车加工、滚丝加工和搓丝加工三种形式.产品开发时,选择螺纹滚压加工道钉.因螺纹滚压具有较高螺纹表面的粗糙度,被加工工件会产生塑性变形,从而提高了表层金属的硬度及强度;又属无屑加工,既节省材料工效又高,适合中小批量生产.根据加工工件螺纹长为100 mm的滚压力与螺距Q235A材料的屈服强度σs的极限曲线,查图表可知,滚压力为2000 kN.选用ZB28-20A型滚丝机,完全能满足螺纹道钉梯形螺纹的加工.本文简要介绍梯形螺纹滚丝轮的工作原理及设计计算.     

某地铁盾构区间块石处理方法

武汉市轨道交通机场线工程土建工程盾构区间块石密集,对盾构施工有较大影响,为确保隧道施工顺利开展,采用以弹性波CT检测为主,地质钻探为辅进行块石探测。对于小直径(1.5 m以下)块石优先采取旋挖钻对块石冲击破碎进行预处理,大直径块石采用冲击钻孔破碎、开挖竖井方式将块石掏取出来,若冲击破碎无法达到预期效果,则采用深孔爆破等方法处理,块石地面预处理过程中如有未发现的块石,采用盾构机破岩直接通过;根据详勘及补勘结果,采用复合式土压平衡盾构机进行掘进,选用国产刀具,刀盘装配全盘滚刀用于破碎块石,考虑到刀盘开口率及其地层因素,滚刀间距控制在100 mm,严格控制盾构机在块石地段掘进时的盾构参数。实践表明,该方法取得了较好的施工效果,具有一定的指导与借鉴意义。     

考虑黏结滑移关系的连续道床板伸缩刚度计算方法

连续道床板在降温和自身收缩情况下容易出现裂缝,从而造成伸缩刚度的折减,不同裂缝间距时的伸缩刚度差别很大,而伸缩刚度又是连续道床板温度力计算的重要参数。考虑钢筋与混凝土间的黏结滑移关系,建立一种连续道床板伸缩刚度计算方法,对不同裂缝间距情况下的钢筋和混凝土应力、黏结阻力以及伸缩刚度进行研究,对黏结阻力型式、混凝土强度等级和配筋率对伸缩刚度的影响进行参数研究。研究结果表明:即使在一定的裂缝间距情况下,伸缩刚度也并非一定值,而是随荷载增大而逐渐降低的变量,混凝土强度等级对伸缩刚度折减的影响较小,配筋率影响较大,检算过程中可根据裂缝间距增加一定的边界条件即可得到不同温度条件下的应力与刚度分布。     

动力触探试验技术的研究与应用

本文通过对动力触探贯入破坏机理、影响因素进行观察分析和对比试验研究,得出试验N63.5-h曲线的影响因素和曲线特征,得出确定地基基本承载力,确定卵石土、圆砾土地基变形模量,以及粗颗粒土地基承载力深度修正系数的方法.其成果已纳入部颁标准,指导生产具有重要的现实意义.