全断面隧道掘进机锥面刀盘滚刀破岩机制研究

为揭示全断面隧道掘进机（TBM）锥面刀盘的滚刀破岩机制，明确滚刀安装排布对岩石破碎效果的影响规律，在对锥面刀盘多台阶悬切破岩模式分析的基础上，基于颗粒离散元方法构建锥面刀盘滚刀破岩数值模型并进行试验验证，开展锥面刀盘“平-锥”过渡区域滚刀破岩过程的数值模拟研究。研究结果表明：锥面刀盘锥区滚刀的破岩本质为临空面辅助破岩，破岩效果受到盘面锥角、滚刀间距、滚刀安装倾角的共同影响；为提高锥面刀盘破岩效率，可适当增大盘面锥角、减小锥区滚刀间距、增大滚刀安装倾角使锥区“斜刀正装”；对于抗压强度为180 MPa的极硬花岗岩，为确保高效破岩，建议盘面锥角为25°，锥区滚刀间距不大于70 mm，滚刀安装倾角与盘面锥角接近。     

复合地层不同岩石强度下滚刀贯入试验研究

复合地层对滚刀的破岩效率及掘进参数有较大影响。文章针对济南市轨道交通R1线一标段复合地层盾构区间,开展了不同强度试件滚刀贯入力学试验,研究了不同贯入速率对滚刀破岩的影响。结果表明:岩石强度越大,抗侵入系数越大,脆性破坏越明显,滚刀受到的冲击荷载就越大;贯入速率对滚刀破岩的影响与岩石强度的类似,但跃进点贯入荷载、荷载跌落值和临界贯入度都与贯入速率呈对数函数关系;滚刀破岩过程可以划分为压密阶段、密实核形成和发展阶段、裂纹贯通失稳阶段和残余强度阶段。     

TBM边缘滚刀关键参数对破岩效率影响规律研究

破岩效率是衡量滚刀破岩性能的关键指标。文章基于离散单元法建立边缘滚刀破岩仿真模型,采用多因素正交设计法进行了边缘滚刀破岩过程试验,以破岩效率为边缘滚刀破岩性能的评价指标,研究了刀刃角、刀刃宽、安装倾角与刀盘过渡圆弧半径对滚刀破岩效率的影响规律,并针对大理岩和混凝土两种不同切削对象分析了各因素单独作用对边缘滚刀破岩效率的影响规律。试验结果表明:倾角对边缘滚刀破岩效率的影响十分显著,圆弧半径和刀刃角的影响次之,刀刃宽的影响最小;各因素对不同岩石的破岩效率影响规律不同,安装倾角和刀盘过渡圆弧半径对大理岩和混凝土的破岩效率影响相同,而刀刃角和刀刃宽对两者的影响则相反。最后,通过实验发现安装倾角为4°时的破岩效率约为8°时的1.8倍,验证了安装倾角对边缘滚刀破岩效率影响很大的规律。     

自由面预割缝下底切滚刀铣削破岩机理研究

为提高底切滚刀铣削破碎硬岩性能、降低其破岩载荷，建立预割缝下底切滚刀铣削破碎硬岩数值模型，研究不同铣削厚度和割缝参数（割缝间距、割缝深度）组合对底切滚刀破岩性能的影响规律，揭示预割缝对底切滚刀破岩的影响机制。结果表明，割缝间距和滚刀直径相同时滚刀铣削预割缝条件下的岩石可以等效为滚刀铣削无侧限压力岩石，与无割缝岩石相比截割力减小率降低超30%；底切滚刀铣削厚度和割缝间距的匹配关系对破岩比能的影响显著，在最佳破岩比能时其组合关系为截深20 mm、割缝间距100 mm；分析岩屑分形维数和破岩比能之间的关系，比能耗随着分形维数的增加呈线性增大。     

掘进机滚刀最优破岩刀间距的分析与计算

为进一步提高掘进机刀盘滚刀的破岩效率,在刀盘设计过程中确定合理的刀间距显得尤为重要。文章在利用岩石破碎角推导破岩刀间距范围的基础上,基于RFPA分析系统,进行了双刀、三刀作用下的不同刀间距破岩效果的分析,并推导出了最优破岩刀间距的计算公式;为验证刀间距计算公式的准确性,基于自主研制的滚刀岩机作用综合试验台,进行了三滚刀顺次滚压作用下的不同刀间距破岩效率的试验研究。试验结果验证了所推导的最优刀间距计算公式的科学性,进一步完善了刀盘刀具高效破岩理论。     

盾构盘形滚刀损坏机理的力学分析与应用

文章对盾构盘形滚刀损坏的力学机理进行了研究,应用CSM模型对滚刀破岩荷载进行求解,得到了滚刀损坏的临界最大贯入度和滚刀不能转动(偏磨)的临界最小贯入度计算公式,并对影响滚刀破岩荷载和影响临界贯入度的各种因素进行了分析。为便于现场应用,绘制了便于查阅的曲线图,并给出了应用示例。研究结果表明:掘进过程应根据岩石强度和刀具磨损情况的变化调整贯入度范围,其值应控制在临界最小和最大贯入度之间。研究结果对盾构机的现场施工具有指导作用。     

两组耦合节理工况下隧道变形的数值研究

文章以玉山县高竹山隧道的围岩节理特征为基础,采用离散元软件UDEC建立二维计算模型,通过计算不同工况下的拱顶塌落高度值,研究了两组节理耦合工况下节理倾角、间距对隧道变形的影响。研究结果表明,随节理倾角的增大,塌落高度先增大(0°~30°时)后减小(30°~45°时)最后再增大(45°~90°时),且节理倾角为60°时塌落高度计算值与普氏理论值最为接近;当节理间距在0.2~1.0 m范围内时,随节理间距的增大塌落高度呈非线性减小;当间距接近1.0 m时,塌落高度降幅不明显;当间距不大于0.2 m时,计算值与普氏理论值最为接近。     

基于掘进能耗的TBM掘进参数优化研究

TBM掘进过程中,受地质条件的影响,掘进能耗差别较大,研究TBM掘进能耗对于实现经济、高效施工具有重要的意义。文章首先根据TBM工作原理,建立掘进能耗计算公式及掘进参数优化公式;其次以兰州市水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为背景,分析不同地质条件下的掘进能耗与贯入度的关系;最后根据大量的实测数据拟合贯入度与推力、刀盘扭矩的函数关系,并根据TBM掘进能耗、设备性能及围岩稳定性等对掘进参数进行优化。研究结果表明:随着围岩类别的降低,掘进能耗随之下降,Ⅲ类花岗岩相对Ⅱ类花岗岩掘进能耗下降约45%;掘进能耗随着贯入度的增加而降低,降低幅度逐渐减少;贯入度与掘进推力呈幂数关系,与刀盘扭矩呈线性关系。     

三轴压缩条件下千枚岩力学及扩容特征分析

岩石在变形破坏中具有扩容特征。文章以千枚岩为研究对象,通过室内岩石常规三轴压缩试验,揭示了节理夹角为5°～45°影响下小角度节理千枚岩的强度与扩容特征。结果表明:(1)岩石的特征点应力随围压的增大而增大,其扩容特征随之减弱;(2)岩石的峰值应力随节理面与最大主应力夹角的增大而减小;在节理夹角为5°～45°范围内,闭合应力、起裂应力、损伤应力在θ=5°时最大,在θ=25°时出现最小值,之后随着角度增大而增大;(3)采用扩容指标Id量化描述扩容特性,扩容指标具有围压效应,即扩容指标与围压呈良好的负指数型分布;小角度时,各围压下岩石扩容率差异性更大;(4)在节理夹角为5°～45°范围内,md系数与角度呈线性关系,可以描述扩容指标随围压分布的分形特征,体现了角度对岩石扩容随围压差异性的弱化。     

盘形滚刀的使用与研究(2)--TB880E型掘进机在秦岭隧道施工中的应用

3盘形滚刀破岩与刀圈磨损 3.1岩碴的形成 刀尖压入岩体,当压力大于岩石的抗压强度时,与刀尖接触部位的岩石被压碎,在刀尖前形成一压碎区,如图10.     

TBM滚刀刀圈磨损机理研究

滚刀刀圈的磨损影响施工成本、设备利用率和掘进效率,刀圈的快速磨损与工程地质条件密切相关,是一项重要的工程地质问题.基于摩擦磨损学的原理,结合滚刀破岩机理,分析了在滚刀破岩过程中刀圈的磨损机理.应用滚刀的磨损机理,解释了滚刀刀圈的三种磨损形式,分析得出影响刀圈磨损的两大因素,即机械因素和地质因素,并提出建立刀圈消耗量预测模型应该考虑这两方面的因素.     

全断面岩石掘进机平面刀盘上盘形滚刀磨损研究

我国秦岭隧道出口TBM施工工程实践表明,TBM刀具的检查、更换和刀盘维修时间约占施工时间的三分之一,其刀具费用约占工程建设费用的三分之一,其中刀刃磨损数量约占刀具消耗量的80%,因此,进行全断面岩石掘进机平面刀盘上刀具磨损研究具有非常重要的意义。文章在分析TBM刀具位移的基础上,提出了刀具的侧滑磨损系数、侵深磨损系数和滚动磨损系数及其计算方法,探讨了三方向位移对刀具磨损的影响,建立了TBM刀盘上正刀和过渡滚刀破岩刃上破岩点弧长的计算公式,并将破岩刃破岩点弧长与刀具磨损量进行了对比分析。     

冻结裂隙砂岩的力学特性研究

为得出围压、裂隙倾角、冻结温度等因素对砂岩力学性能的影响规律,采用三轴压缩试验方法和理论分析方法,研究了不同围压下,无裂隙0°,15°,30°和45°倾角裂隙砂岩在-5℃,-10℃和-15℃冻结时的强度、内摩擦角和粘聚力变化特征。结果表明:无裂隙和有裂隙砂岩的强度,随冻结温度的降低而非线性增强,随围压的降低而近线性降低,随裂隙倾角的增大而减小;粘聚力随冻结温度的升高而减小,内摩擦角和粘聚力均有随裂隙倾角的增加而先减小后增大的变化趋势;无裂隙,0°,15°倾角裂隙砂岩的内摩擦角均随冻结温度的升高而减小,30°倾角裂隙砂岩的内摩擦角随冻结温度的降低先增大后减小,45°倾角裂隙砂岩的内摩擦角则随冻结温度的降低先减小后增大。     

基于离散元强度折减法的大跨隧道稳定性研究

节理面作为岩体中普遍存在的软弱结构面,对隧道围岩的稳定性影响较大,在节理较多的大跨隧道施工中,更容易发生拱顶掉块、塌方、滑移等灾害。基于此,文章依托贵阳市南垭路三号隧道,基于离散元强度折减法,采用3DEC软件对不同节理倾角、间距、组数以及衬砌参数情况下的隧道安全系数进行分析,评价了各因素对隧道稳定性的影响。结果表明:节理倾角越大、分布越密集、节理组数越多,隧道的整体稳定性越差;在单组节理的岩体中,节理倾角是影响隧道稳定性的主要因素;喷混凝土层对隧道的整体稳定性提升显著,10 cm厚喷层即可比裸洞的安全系数提高17.9%,并据此提出了隧道衬砌参数的优化建议。     

温度-应力耦合场盘形滚刀破岩实验装置的设计和研究

文章在分析温度对于岩石的影响以及在温度场作用下岩石内应力分布情况的基础上,通过设计加热实验装置实现温度-应力耦合作用下盘形滚刀的破岩效果研究,其中加热装置设计、温度场对于岩石的影响为设计的重点。文章采用ABAQUS软件分析模拟了温度对于岩石的影响以及在温度场作用下岩石的内应力分布情况。结果表明,此实验装置的设计对于研究岩体力学属性的影响规律、提高破岩效率、增强地质适应性、延长滚刀使用寿命等方面具有重大意义。     

隧道超前地质预报多源地震干涉法成像结果影响因素研究

多源地震干涉技术是近年来在地球物理领域新发展的一种探测方法。在隧道超前地质预报中,由于该方法能够直接利用爆破开挖或TBM滚刀破岩所产生的地震波对前方地质情况进行预测,既不影响隧道施工,又降低预报成本,因此具有广泛的应用前景。但由于实际震源的复杂性以及隧道施工环境对数据采集质量的影响,增加了地质预报成像的难度。文章基于数值模拟手段,对该方法在TBM施工及钻爆法施工环境下的理论效果进行了模拟,在此基础上主要对采集时长、震源激发延迟时间、震源点及接收点的位置分布等因素对成像结果的影响进行了研究。模拟分析结果能够为该方法的实际应用起到指导作用。     

预切槽刀具切削岩土介质特性研究

为了研究预切槽刀具对两种典型岩土介质的切削特性,文章采用颗粒离散元法建立刀具切削岩土介质的仿真模型,分析刀具切削两种不同岩土介质的动态过程、受力以及能耗变化等特性。研究结果表明:切削软土时易在刀刃前方发生堆积效应,受力发生在整个前刀刃上,而切削软岩时刀具受力几乎只发生在刀尖上;切削两种岩土介质时刀具所受水平力远大于其垂直力,切削软岩相比切削软土时受力波动更为剧烈,裂纹数目增长趋势也存在差异;随切深和刀前角改变两种岩土介质的破坏范围和破坏形式均发生转变;切削两种岩土介质的受力随切深增加而增加,随刀前角增加而减小,但对于软土,切深必须大到一定程度后刀前角对刀具受力才有显著影响,切深相比刀前角对刀具受力影响更大;切削两种岩土介质的切削比能耗随切深增加而减少,随刀前角增加也减少且减少幅度越来越大。     

基于FLAC3D的层面产状对软岩隧道变形的影响研究

为研究层面产状对软岩隧道变形的影响,文章依托某层状软岩地层的高速公路隧道实际工程,通过FLAC3D软件进行建模与计算,分析不同岩层产状下对围岩变形与应力的变化规律,得到如下结论:(1)围岩变形的主方向随层面产状的变化存在不同程度偏转,随层面倾角增大逐渐从以竖向变形为主过渡到以水平变形为主,围岩的变形方向垂直于层面时变形值最大;(2)随着与洞壁距离的增大,围岩的径向应力逐渐增大,切向应力先增大后减小,切向应力较大的区域围岩出现塑性区,且由于洞壁附近围岩的切向应力远大于围岩的径向应力,存在较大的压力差,导致洞壁附近的围岩发生塑性变形,甚至产生剪切破坏。     

沉管隧道国产化GINA止水带试验研究及选型设计

GINA止水带是沉管隧道的防水生命线。文章以襄阳汉江沉管隧道为背景,通过足尺物理模型试验对国产化GINA止水带在各不利工况下的压缩、水密性、应力松弛等性能开展研究,并结合试验数据进行选型设计。结果表明:(1)止水带压缩应力随时间增加而逐渐减小,并逐渐趋于稳定收敛,国产止水带产品100年平均应力松弛衰减率约为35%;(2)止水带压缩量随压缩力增大逐渐趋于止水带高度60%这一极限值,设计允许的接头偏转量将降低止水带压应力4.4%～9.2%;(3)国产止水带产品最小水密压缩量曲线趋势与某国外产品基本吻合,偏差量约0～15%;0.1°和0.22°接头偏转使所需最小水密压缩量略增;接头竖向错动1 cm,3 cm和5 cm,水平错动5 cm均未出现漏水,不影响止水带水密性能;(4)止水带设计需考虑正常使用和承载能力极限状态管节温差变化、混凝土干缩徐变、基础不均匀沉降、地震等引起的接头张合,需满足最小水密和最大压缩指标双控要求;(5)国产GINA止水带各项性能均可满足依托工程需求并具有一定安全余量。     

裂纹位置与深度对围岩岩体稳定性的影响分析

在隧道掘进过程中,天然地应力的平衡状态将会受到破坏并进行应力重分布,在构造应力场或自重应力场作用下将会引发裂纹的起裂、扩展和贯通,从而导致隧道的失稳坍塌。文章采用数值模拟和室内模型试验方法对比分析了裂纹位置、长度、深度等因素对马蹄形断面隧道围岩结构稳定性的影响。其中,数值模拟分析了隧道围岩的破坏形式及对裂纹尖端应力强度因子的计算,隧道模型试验研究了裂纹对隧道模型抗压强度的影响。结果表明:(1)数值模拟结果与模型试验结果较为吻合;(2)裂纹位于马蹄形隧道的拐角处或裂纹倾角为45°时,对隧道的稳定性削弱作用最大;(3)隧道围岩内裂纹的长度越长,隧道模型的抗压强度越小;(4)裂纹长度达到一定程度时,裂纹深度对隧道的危害性作用基本呈线性增加的趋势;(5)裂纹缺陷对隧道围岩应力重分布及破坏形式有较大的影响。