水射流辅助机械滚刀破岩试验研究

为解决极端软硬不均、极硬岩（硬度超过180 MPa）等复杂地质条件下，隧道掘进机破岩过程中刀具破岩效率低及“啃不动”的问题，采用滚刀岩机作用综合试验台，搭载高压水射流装置，采用不同的水射流参数及掘进参数对花岗岩试样开展破岩试验，研究不同条件下水射流辅助机械滚刀破岩对掘进参数及效率的影响。通过试验获得水射流破岩合理的靶距与压力，探明水射流与机械滚刀交叉轨迹复合破岩、同轨迹复合破岩相对于纯机械滚刀破岩刀盘推力、转矩及破岩效能的变化特性。     

基于复合磨蚀试验台的滚刀磨损试验研究

为提高TBM滚刀与地层的适应性,降低滚刀磨损速率,应用滚刀复合磨蚀试验台进行滚压磨损试验,对小尺寸滚刀开展不同岩性、几何参数（刃宽、刃形、直径）和贯入速度的磨损规律研究。通过对磨损量统计发现： 磨损量与岩样CAI值的平方正相关; 宽刃滚刀较窄刃滚刀磨损速率快; 圆刃滚刀相对平刃滚刀有更好的耐磨性; 滚刀直径与磨损速率相关性不强,但大直径滚刀具有径向磨损量大的优势; 在一定区间内较大的贯入速度能够减少刀具磨损,同时具备较高的破岩效率。     

基于PLC刀盘刀具破岩模态实验平台控制系统设计

在盾构破岩掘进过程中,盘形滚刀是最有效的机械破岩方式之一,而影响盘形滚刀破岩速率和破岩效率的主要因素是盘形滚刀刀间距的合理设置,刀间距的优化设计是基于盘形滚刀对不同岩样破岩角的确定。基于PLC设计的控制系统数据采集、处理实验平台的模拟控制参数,通过采用声发射信号源定位检测的方法来近似计算破岩角。在贯入度确定的条件下针对同一岩样,如果刀间距太大,一把盘形滚刀产生的岩石裂纹不能与相邻盘形滚刀的影响范围相接,必定开挖不出片状石渣,从而使破岩速率降低;反之如果刀间距太小,则会使石渣块太小,从而降低破岩效率。详细阐述实验平台控制系统设计原理,并对其数据采集、处理策略进行分析,所设计的控制系统满足实验平台控制要求。     

镶齿滚刀破岩机理及效率的旋转破岩试验

随着隧道工程建设的不断增多,镶齿滚刀已被广泛应用于多种开挖机械,如隧道掘进机、反井钻机、采掘机等,不同破岩参数下镶齿滚刀的破岩机理及破岩效率研究,对提高机械掘进效率、降低施工成本有重要意义。应用北京工业大学自主研制的多功能机械破岩试验平台,选用直径304.8 mm（12英寸）的镶齿滚刀对尺寸为1 000 mm×1 000 mm×600 mm的北山花岗岩进行旋转切割破岩试验研究。通过对排齿及整刀进行不同贯入度的旋转切割试验,并应用荧光裂纹检测法对侵入坑下方裂纹进行检测,研究镶齿滚刀的破岩规律。结果表明：①镶齿滚刀为"递进式"破岩,破岩开始于相邻小齿间距的球齿之间,而后发展到相邻的大排间距的球齿之间;②第3排球齿破岩效率最高,且整刀在贯入度为1.5 mm时破岩效率最高;③应用荧光裂纹检测法分析滚刀下方岩体裂纹分布特征,发现每排球齿下的裂纹扩展方向及范围存在较大差异。裂纹分布特征分析结果与通过滚刀力、岩片分析得出的镶齿滚刀破岩效率的结论相一致。该研究可为机械开挖设备滚刀布置、刀型优化及施工运行参数优化提供试验参考和理论依据。     

高压水刀辅助TBM滚刀破岩效率室内模型试验

研究不同工况条件下高压水刀辅助TBM滚刀破岩效率,对于进一步优化该新兴技术,实现高强度高磨蚀性地层TBM高效安全掘进具有重要意义。为此,基于室内滚刀贯入模型试验,对不同低围压作用(围压p₀=0,1.25,2.5 MPa)以及不同高压水刀预切割竖向裂缝几何参数(切缝深度H=10,20 mm,预切缝-刀具轴线间距L=0,20,40 mm)条件下高磨蚀性硬岩试样滚刀贯入破碎过程及破岩效率影响规律展开研究。试验结果表明:低围压且无预切缝条件下,随着围压的增大,岩样峰值贯入荷载增大,贯入荷载-贯入度曲线跃进跌落次数增多,试样破坏特征从脆性破坏向延性破坏转化,无围压条件下高强度高磨蚀性地层TBM掘进难度高于常规强度地层和高强度磨蚀性地层;低围压且有预切缝条件下,预切缝-刀具轴线间距L=0时,岩样发生劈裂模式破坏,无围压条件下,L=0时,其峰值贯入荷载显著小于L≠0情况,有围压条件下,L=0时,岩样达到峰值贯入荷载所对应的贯入度显著大于L≠0情况;有预切缝条件下,预切缝-刀具轴线间距L≠0时,预切缝深度H越大,破岩效率越高,较大的高压水刀切割深度H能够降低高强度高磨蚀地层TBM掘进中滚刀的磨损率;有预切缝条件下,当预切缝深度H一定时,不同L值下的岩样峰值贯入荷载及对应的贯入度都随着围压增大而增大,而当L值较大时,一定程度上需提高掘进推力才能够实现高效破岩。     

全断面岩石隧道掘进机滚刀磨损影响因素分析

为了有效控制和降低全断面岩石隧道掘进机施工时滚刀的磨损,较准确地预测滚刀的磨损量,通过室内实验和现场实验从地质影响因素和机械影响因素2个方面对滚刀磨损问题进行了分析。通过水泥试样实验,得出等效石英含量EQC和单轴抗压强度UCS单独对岩石磨蚀性的影响规律;通过现场岩样实验,得出两者共同对岩石磨蚀性的影响规律。通过对比进口与国产TBM的刀盘刀具布置,得出滚刀破岩面积对磨损速率的影响规律;通过统计现场掘进参数与刀具磨损数据,得出场切深指数FPI对滚刀平均磨损速率的影响规律。研究结果表明： 岩石对滚刀磨损的地质影响是岩石等效石英含量和单轴抗压强度共同作用的结果;破岩面积是刀盘刀具设计参数对滚刀磨损的敏感指标;场切深指数是设备掘进参数对滚刀磨损的敏感指标。     

滚刀岩机作用综合实验台液压系统设计

为满足通过实验平台对滚刀破岩机制进行研究的需要,以滚刀岩机作用综合实验台结构框架为基础,从控制实验台的推进系统入手,通过开发滚刀岩机作用综合实验台电液伺服控制系统,实现了对滚刀破岩推力、推进速等参数进行无级控制,满足了滚刀破岩参数与破岩效率之间的关系研究。     

偏刃刀圈在小转弯半径隧道施工工况中的研究与应用

为开发出适合在小转弯隧道中使用的新型滚刀刀圈，在磨粒磨损原理的基础上，通过研究CSM刀圈侧边受力模型、边缘滚刀破岩机制、磨损量预测公式，进行滚刀切削岩石试验，建立了刀圈与岩石接触力模型，分析了转弯段边缘滚刀刀圈受力情况、针对性设计了偏刃刀圈，并在山东文登小转弯半径隧道掘进段工况下进行常规刀圈和偏刃刀圈工业试验。得出结论如下： 1）TBM掘进直线隧道时边缘滚刀所受侧向力不可忽视，侧向力与刀圈同岩石的接触面积和所受的压力有关； 2）在直线工况掘进下的边缘滚刀外侧岩石几乎不发生破坏，边缘滚刀内侧对岩石具有“刮擦剪切效应”，刀圈内侧所受侧向力远大于外侧； 3）转弯段刀圈内侧受力严重偏离了正压力方向，加速边缘滚刀刀圈内侧的磨损； 4）在掘进距离达145.43 m时，19#和20#刀位的偏刃刀圈较常规刀圈磨损速率分别降低7.4%和17.5%。因此，偏刃刀圈更加适用于小转弯工况下的隧道掘进。     

引汉济渭岭南TBM工程二长花岗岩地层滚刀磨损研究

针对秦岭二长花岗岩条件下TBM滚刀消耗严重的问题,依托引汉济渭岭南TBM工程,通过对现场岩样和刀圈材料开展室内试验,明确岩石的磨蚀性能和刀圈的耐磨性能指标,发现岩石的磨蚀性由其抗压强度与矿物成分共同决定,刀圈的耐磨性主要取决于材料的成分及组织。通过对前2 000 m试掘进段刀具使用情况和磨损数据的分析,掌握各个刀位的磨损规律:1)正滚刀的累计磨损量随滚刀安装半径的增加近似呈线性增长;边滚刀中处于过渡区域的滚刀累计磨损量最大,两侧逐渐减小。2)与滚动距离磨损速率相比,破岩体积磨损速率更能准确衡量滚刀磨损的快慢程度。3)重复磨损对边滚刀磨损影响较大,而通过在边缘区域增加滚刀数量来提高耐磨性的方法可以起到一定作用,但不能从根本上解决问题。     

基于三维离散元的滚刀破岩机理研究

为研究滚刀破岩机理,借助CAD建模技术,高效精确地生成了盘形滚刀模型,采用三维颗粒流方法模拟盘形滚刀破岩过程,分析了盘形滚刀破岩机理。研究结果表明,随着刀盘贯入度的增加,裂纹数量呈跳跃式快速增加,且主要集中在滚刀刀刃两侧2 cm范围内,沿滚刀运动迹线发展。剪裂纹数量略大于拉裂纹,但总体相当,岩石表现出拉伸-剪切综合破坏模式。随着滚刀侵入岩体,法向推力、切向滚动力和侧向力均波动剧烈,但法向推力变化范围不随贯入度变化,切向滚动力和侧向力波动范围则随着贯入度的增加而增加。     

TBM盘形滚刀磨损与滚刀滑动距离关系研究

盘形滚刀磨损是制约TBM掘进效率和施工成本的重要因素。为研究滚刀滑动对滚刀磨损的影响,提出了"一次侵入位移"的概念,应用质点的运动合成原理推导出了考虑滚刀刀刃宽度影响的一次侵入位移及滚刀滑动距离的计算公式,研究一次侵入位移的影响因素以及滚刀磨损与滑动距离的关系,基于上述研究分析秦岭隧道TB880E型TBM滚刀滑动磨损系数分布规律。研究表明:1)滚刀破岩过程中,刀刃相对开挖面岩石除滚动外,还产生相对滑动;2)中心区域滚刀侧向位移分量最大,滚刀磨损以剪切破岩和滑动磨损为主,中心区域以外滚刀沿掘进方向位移分量最大,滚刀磨损以碾压破岩和滚动磨损为主;3)应进一步综合考虑滚刀破岩量、滑动距离以及二次磨损等因素对滚刀磨损的影响。     

滚刀破岩引致岩石振动特性试验研究

隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)技术是一种安全高效的隧道工程施工方法。在TBM掘进中,滚刀刀盘系统与岩石相互作用时会产生振动现象,其振动特性与破岩机制均会影响到TBM的掘进效率和刀盘刀具的使用寿命。通过制作大尺寸砂浆材料试件,采用自主研制的TJ-TS500型线性切割试验平台,设计较为精细的振动测试系统,进行滚刀线性切削试验。试验方案考虑切深、切割速度以及试样节理特征等因素,同时在切削过程中对滚刀三向力以及试样的振动信号进行监测。通过对采集的振动信号进行快速傅里叶变换（fast Fourier transformation,FFT）,分析不同切削参数条件下的滚刀破岩振动特性。     

隧道掘进机滚刀岩机作用实验台的研制

为了观测滚刀破岩的全过程和监测岩石的微破裂,研制隧道掘进机滚刀岩机作用实验台,对立式和卧式2种实验台研制方案进行总结并作出对比选择,对实验台组成、主要构造及安装调试过程进行详细阐述。归纳出实验台可开展的实验项目如下： 1）盘形滚刀受力预测公式的研究; 2）探寻滚刀作用在不同岩石类型的最优破岩刀间距; 3）研究滚刀压力、贯入度及刀间距等关系曲线。结合国家973课题开展相关实验研究,实验结果表明该实验台的应用性、先进性和科学性,实验台的成功研制为滚刀高效破岩机制研究提供公共开放的实验研究平台。      

基于磨损比耗指数的滚刀磨损定量预测方法

为定量预测盾构掘进复合地层时不同刀位的滚刀磨损量,以滚刀磨损的逐刀量测及相应的破岩体积的分层统计为基础,将位置各异的滚刀磨损比耗指数(SWI)——滚刀磨损增加量与破岩体积之比,按滚刀掘进地层进行分类统计,得到以掘进参数为自变量、适用于4种均质地层的SWI回归方程。将SWI回归方程与磨损量的分层求和法相结合,提出基于磨损比耗指数的复合地层滚刀磨损的定量预测方法。研究表明:1)磨损比耗指数同时考虑磨损量与滚刀安装位置、掘进距离的关系,物理意义明确;2)SWI回归方程预测精度较高,可为刀圈极限磨损预测提供掘进参数预警值。通过分析方程系数与岩性的相关性,提出在不同地层中有利于减缓滚刀磨损的掘进参数调整方法。实测结果表明,复合地层滚刀磨损定量预测方法在磨损量预测,尤其是滚刀寿命预测中具有较高的精度。     

全尺度TBM滚刀线性切削花岗岩试验研究

为了研究滚刀刃宽、刀间距和贯入度等关键参数对滚刀破岩过程的影响规律,基于全尺度线性切削试验平台,使用CCS型盘形滚刀开展了不同参数条件下的花岗岩切削试验。使用13 mm和17 mm 2种刃宽的滚刀,在60、65、70、75、80 mm刀间距和0.5、1.0、2.0、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0 mm贯入度条件下,直线切削单轴抗压强度约140 MPa的岩石,获取破岩法向力、滚动力等载荷数据,并计算各次切削试验的破岩比能。研究结果表明： 1）平均法向力和滚动力随刃宽、贯入度和刀间距的增大而增大,但增长速率有所不同; 2）刃宽和贯入度对平均破岩载荷的影响程度明显强于刀间距; 3）刃宽对平均法向力的影响程度强于对平均滚动力的影响程度; 4）对不同的刃宽和刀间距,破岩比能总体上随贯入度的增大先减小后增大,而刃宽的增大会引起破岩比能的增大。     

厦门轨道交通3号线跨海段盾构滚刀磨损预测

为有效控制海底隧道盾构刀具更换风险,提高盾构施工效率,针对厦门轨道交通3号线跨海段复杂地层,通过开展不同类型岩石的缩尺滚刀磨损试验和岩石磨蚀性试验,揭示滚刀材料磨损速率与岩石磨蚀性指标CAI值呈幂指数关系,建立通过测定拟建工程岩样CAI值预测工程刀具消耗的方法。利用建立的预测方法,对厦门轨道交通3号线中微风化花岗岩地层的滚刀批量换刀距离进行预测,得到该地层下边滚刀的批量换刀距离为50 m,正滚刀的批量换刀距离为215 m; 并在此基础上给出滚刀更换位置与换刀工法建议,为该工程与类似工程施工提供参考。     

复杂地质条件下TBM刀具失效形式及原因分析与应对措施

为研究分析复杂地质条件、不合理掘进参数等与TBM刀具异常损坏、刀具消耗的关系，以利于TBM掘进效率和施工成本的控制，在系统阐述TBM刀具常见失效形式的基础上，研究分析总推力、刀盘转速、刀具贯入度等掘进参数及不同围岩单轴抗压强度、石英质量分数等地质参数对刀具磨损及异常损坏的影响规律。以引汉济渭秦岭隧洞和中天山隧道工程为例，对刀具消耗及失效形式进行统计分析，并从刀具选型、检查及维修等方面，提出针对性的优化方法。最后，基于目前刀具配置及监测技术存在不足的现状，提出应进一步研发刀间距可调的刀具配置技术，以确保不同地质条件下的刀具破岩效率；同时，加强对TBM工作环境具有较强适应性的新型刀具状态监测系统的研发及应用。