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。     

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。     

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。     

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。     

土压平衡盾构复合式刀盘设计与结构有限元分析

简要介绍了土压平衡盾构复合式刀盘适应的地层;重点论述了刀盘的结构设计、刀具配置与布局特点,建立了刀盘主体结构的有限元分析模型;对盾构刀盘在模拟载荷作用下的结构响应进行了数值分析,分析结果符合设计预期。     

砂卵石地层盾构长距离掘进先行刀优化配置研究

针对砂卵石地层盾构长距离掘进工程特点,提出先行刀多维度梯次布置的设计理念,"多维度"保证了长距离掘进中刀盘受力稳定,不同刀高的先行刀梯次布置使其合金块之间搭接形成合金块磨损接力。同时优化先行刀合金块的耐磨及耐撞击性能,避免在长距离掘进中存在的刀具冲击疲劳失效。依托北京新机场线"磁1"区间盾构工程,通过方案比选得到最终刀盘设计方案,并对掘进过程中掘进刀具磨损数据与掘进参数进行深入分析。数据分析结果表明:多层先行刀布置的盾构砂卵石地层长距离掘进可分为高刀犁松和高低刀共同犁松两个阶段,高刀犁松阶段"梯次化"布置的高刀降低了低刀的磨损系数,高低刀共同犁松阶段在一定距离内继续维持掘进效率,有效延长掘进距离。     

盾构滚刀布置倾角与磨损关系探讨

针对地铁盾构施工中盾构机刀盘过渡段刀具的倾角布置方式,分析了不同布置类型在不同地层和盾构施工不同阶段刀具受力情况,以及不同的受力情况导致的刀具使用寿命的差异,提出刀具倾角布置适应性建议。     

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。     

矩形盾构刀盘系统结构设计

在地下管廊建设中,矩形盾构空间利用率高、覆土浅和施工成本低等优点逐渐被人们重视。在对比常见矩形盾构刀盘形式的基础上,提出矩形刀盘设计方案、偏心距计算方法和矩形刀盘阻力矩计算方法,应用此计算参数完成矩形盾构刀盘及主驱动设计。分析刀具寿命,采用有限元法,进行刀盘的流固耦合分析,并对主轴的强度进行校核,验证了设计方案的可行性,以期为矩形盾构刀盘研制工作提供参考。     

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.     

北京地铁无水砂卵石地层盾构施工技术难点及施工对策研究

针对土压平衡盾构在砂卵石地层掘进中经常出现土压建立困难,刀盘推力与扭矩大且磨损严重,经常出现刀盘"卡死"、螺旋输送机磨损严重及抱死现象,采取对土体进行塑流化改良、刀盘改造及刀具优化、调整注浆配比等措施,很好地控制了地面沉降,确保了该区间的顺利贯通。     

北京新机场线一期8.8m直径隧道盾构选型研究

依托北京新机场线一期工程07标段,从刀盘类型、刀盘驱动设备、刀具型式、刀具布置、渣土改良系统和同步注浆系统等方面对盾构选型进行研究。通过分析工程特点、总结以往工程经验、理论计算等方法得出结论:在全断面砂卵石地层中,辐条式刀盘适应性更佳;先行刀与刮刀组合的破岩方式以及先行刀的高差设置,有利于盾构掘进开挖土体;渣土改良材料注入口布置应充分考虑地质条件。     

京张高铁清华园隧道复合地层盾构机械配置研究

依据清华园隧道盾构区间的隧道参数和工程地质条件,分析盾构机刀盘和刀具对卵石土、砂、粉质黏土互层的适应性。从地层渗透系数、颗粒级配、地下水压、周边环境影响、隧道规模等方面进行综合考虑,选取泥水平衡盾构作为最终选型。考虑到刀盘跨度较大和中途换刀对盾构稳定性的影响,结合渣土特性和既有工程经验,决定采用辐条面板式刀盘,并确定了开口率和开口尺寸;此外,还给出了以切削型为主且可常压更换的刀具配置方案。最后简要介绍了常压换刀的技术流程和泥水环流系统的设计方案,总结了卵石土、砂、粉质黏土互层的盾构机械配置方案。     

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。     

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。     

硬岩地层盾构正面滚刀磨损规律与预测模型

针对盾构机在全断面硬岩地层中掘进遇到的刀具磨损严重的难题，结合青岛地铁6号线朝阳路站—峨眉山路站盾构隧道工程实例，采用多元回归分析的方法分析滚刀安装半径、地层参数、掘进距离与正面滚刀磨损量之间的关系。考虑盾构总推力、刀盘转速、刀盘扭矩、掘进速度、安装半径、岩石单轴抗压强度和磨蚀性指数等多重变量，构建正面滚刀磨损预测模型，分析不同轨迹正面滚刀的磨损特征，得出以下结论：(1)在800 m的掘进距离内，平均每个刀位换刀3.18次，随着滚刀安装半径增加，单把滚刀的累计换刀次数逐渐增加、平均掘进长度逐渐降低，其累计磨损量呈幂指数增加；(2)正面滚刀平均每延米磨损量随岩石强度增加呈幂指数增长、随磨蚀性指数增加呈指数增长，且拟合相关系数较高，表明以上参数对滚刀磨损有着关键作用；(3)构建的滚刀磨损量计算模型考虑了掘进参数、刀具安装半径、岩石强度和磨蚀性指数等因素，可对硬岩地层盾构正面滚刀磨损规律进行预测，此外，验证了滚刀磨损预测模型的准确性，预测值与实测值误差不超过13%。     

复合地层大直径盾构刀盘及扭矩计算

刀盘作为盾构机的关键执行部件,设计、制作得好坏直接关系到盾构机的工作效率及成败。通过分析狮子洋隧道工程的地质特点,给出刀盘结构设计、开口率和刀具配置方案,并给出刀盘扭矩计算公式,使盾构在开挖过程中避免因刀盘强度不足而引起的施工问题。     

北京地铁砂卵石地层土压平衡盾构施工刀盘扭矩研究

根据砂卵石地层力学特性,结合北京地铁4个标段工程,分析土压平衡盾构刀盘扭矩各组成部分所占的比例,提出简化的刀盘扭矩计算公式.分析计算结果表明:刀盘开口率与刀盘扭矩成反比,开口率每增加10％,刀盘扭矩降低8％～10％;土体的流塑性对刀盘扭矩影响较大;土体的摩擦系数每降低0.1,刀盘扭矩相应降低约35％～40％.在北京地铁10号线二期工程现场进行盾构掘进试验,分别通过刀盘改造(开口率增大至40％)及土体改良,使刀盘扭矩保持在2 500～3 500 kN·m,盾构推进速度明显得到改善.试验结果进一步验证了增大开口率及土体改良是在砂卵石地层降低刀盘扭矩的2项非常有效的措施;也验证了刀盘扭矩计算公式是合理的、可靠的,满足工程实际需求.     

房山线北延盾构刀具磨损检查与修复技术

北京房山线北延线首经贸站—丰益桥南站区间左线盾构机掘进至 130 环后,盾构推力持续增大,掘进困难。施作检修井后发现刀盘刀具磨损严重,为此制定刀盘检修方案对盾构机刀具进行检修,检修后盾构各项掘进参数趋于正常,施工进展顺利。文章针对刀具磨损严重原因进行分析,提出刀盘更换修复技术方案,以期对类似盾构隧道施工具有一定借鉴意义。     

盾构滚刀磨损在线检测系统设计

盾构刀具磨损检测一直是盾构施工过程中的一个难题。在盾构机掘进过程中,无法直接测量刀具的磨损量,这就给刀具的视情换刀带来了巨大的困难。针对盾构施工时的刀具磨损检测,设计了盾构滚刀磨损在线检测系统。其中,下位机采用电涡流传感器对盾构滚刀的磨损进行检测,将电涡流传感器采集到的电信号转换为数字信号后通过串行通信方式与上位机通信;上位机利用C#编程语言开发了盾构滚刀磨损检测软件系统,将下位机采集到的信号进行处理与计算并显示出刀具的磨损量。通过对盾构滚刀磨损的实时测量,从而及时准确地掌握滚刀的磨损状态,为"视情换刀"提供技术支持。