基于现场试验的TBM滚刀磨损分析及预测

为准确判断和预测滚刀磨损生命周期,指导TBM安全、高效施工,采用现场跟踪试验和理论预测模型相结合的方法对滚刀磨 损进行分析研究。 由滚刀磨损机制分析得到,TBM滚刀磨损主要为磨粒磨损;基于滚刀破岩磨损现场跟踪试验,分析TBM滚刀磨 损失效形式,并结合刀盘刀具分布特点,研究滚刀磨损规律特性。 基于Rabinowicz磨粒磨损简化计算模型,引入CSM滚刀破岩模 型,构建滚刀磨损速率、线性磨损速率预测模型,对比分析高黎贡山正洞TBM 2 000 m掘进里程滚刀磨损实测数据与理论模型预测 结果。 结果表明: 1)正滚刀磨损发生规律性变化,中心滚刀易出现侧向滑移,边滚刀发生二次磨损; 2)TBM滚刀理论预测与实测 分析结果的相对误差小于10%,可准确预测滚刀磨损,同时得到正滚刀磨损速率与刀具、围岩物理参数具有相应的定量关系。     

基于CSM改进模型的TBM刀盘关键参数相关性研究

为掌握TBM掘进参数与地质参数、操作参数、刀盘刀具设计参数的相关性，基于滚刀受力CSM模型，通过近似计算与推导，建立了滚刀破岩力与结构参数、TBM操作参数、地层强度参数σc的定量关系模型。同时，通过室内缩尺滚刀试验，对推导的模型参数关系进行验证。针对TBM掘进参数与围岩条件的匹配性关系，以大瑞铁路高黎贡山隧道TBM施工为依托，通过数据统计分析与对比，提出使用转矩与推力的比值作为判断地层完整性发生变化的依据。     

引汉济渭工程岭北隧洞TBM利用率分析

为了分析TBM利用率的主要影响因素,统计分析引汉济渭工程岭北隧洞连续掘进2 100 m的围岩特征和掘进记录,确定了导致TBM非正常停机的底事件,建立了TBM非正常停机故障树模型,结果表明出渣系统故障、支护设备故障、刀盘刀具故障和电气故障是导致TBM利用率不高的主要因素。通过TBM利用率及主要故障与场切深指数（Field Penetration Index,FPI）相关性分析,表明节理破碎岩体中TBM利用率与FPI之间不存在明显相关性,出渣系统故障、支护设备故障、刀盘刀具故障与FPI有较强的相关性。分析主要故障发生原因,从设备管理和现场施工管理2个方面提出TBM利用率提高措施。     

长距离掘进软弱围岩的TBM刀盘扩挖技术

为解决全断面岩石隧道掘进机（TBM）在软弱围岩地层的适应性问题,应对由于围岩收敛变形导致的卡机和支护被破坏的风险,基于高黎贡山隧道TBM施工项目,从TBM装备角度提出了针对性设计方案。通过对比现有的TBM刀盘扩挖技术,提出边缘滚刀外移和预留扩挖刀箱组合设计方案,并结合一套同步抬升油缸系统和中间导向柱实现了刀盘的抬升扩挖设计。通过上述研究,使刀盘半径方向扩挖量达到100 mm,避免由于隧道底部扩挖导致的主机“栽头”现象,实现TBM在软弱围岩地质条件的长距离扩挖掘进。     

TBM的掘进性能数值仿真研究

介绍了TBM(隧道掘进机)性能预测模型的研究状况、滚刀的切削力计算模型以及掘进参数的计算方法.编制了TBM掘进性能预测程序,可以对每个滚刀的切削深度、切削槽断面积、切削体积、切削槽形状、切削力、刀盘扭矩、推力、纯掘进速度、不平衡力等参数进行计算.运用预测程序对秦岭隧道TB880E型隧道掘进机性能进行了模拟预测,并与实际施工性能参数进行了验证对比.结果表明,模型的计算精度高,预测结果合理.预测模型可用于优化TBM刀具布置、验算TBM刀盘不平衡力以及预测TBM施工性能参数.     

国产双护盾TBM在兰州市水源地建设工程中的应用

为了研究国产双护盾TBM的工程适应性,结合TBM在兰州市水源地建设工程中的实际应用情况,分析了双护盾TBM掘进段的地质特点,并采取了针对性设计。TBM采用成熟的硬岩刀盘结构形式,滚刀刀座在锻造厚板上一次加工成型,减少焊接量;刀具按照非线性布置,刀间距控制在86 mm以下(含中心刀);主机采取多种针对性设计降低卡盾风险,并预留充足的应急处理接口;后配套系统采用平台式拖车结构,尾部连接四轨双线式会车平台。实践证明,该TBM在兰州市水源地建设工程中具有良好的地质适应性。     

TBM滚刀布置方案对比分析与评价

刀盘是全断面岩石掘进机（TBM）的核心部件,滚刀布置设计是刀盘结构设计的关键,直接决定着刀盘的综合掘进性能。基于硬岩TBM 的 2种滚刀设计方案,对比分析不同滚刀布置方式对TBM刀盘力学性能的影响。从刀盘整体受力平衡的角度,对比计算2种方案的滚刀群径向不平衡力和倾覆力矩;从刀盘局部变形和应力分布的角度,提出滚刀分布密度的评价指标,并与刀盘面变形有限元计算结果进行关联分析。研究结果表明： 1）滚刀分布密度可作为滚刀布置的设计评价指标; 2）溜渣板对刀盘的力学性能影响较大; 3）随机式滚刀布置方案优于米字型滚刀布置方案。     

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。     

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。     

基于掘进参量反演的TBM围岩等级预测识别方法研究

为探究TBM掘进参量和围岩等级关系，达到岩机信息互馈感知动态调整，辅助TBM主司机优化调整掘进参数的目的。采用数据清洗、分布统计和智能预测等手段,建立了一种基于自组织神经网络聚类和最小二乘支持向量机相结合的围岩等级预测识别方法（SOM-SVM）。主要结论如下： 1）单个完整TBM掘进循环可分为空推段、上升段与稳定段，各掘进参量近似服从正态分布关系。2）推力切深指数（FPI）和刀盘转矩旋转切深指数（TPI）可反映隧道岩石掘进难易程度，FPT、TPI和围岩等级近似呈线性关系，可用该参量作为岩机敏感因子反演预测识别围岩等级。3）干扰异常数据样本点的预处理对SOM-SVM围岩预测模型收敛中心和波动半径有一定影响，数据预处理是保证围岩等级预测识别准确的关键。4）经标准试验数据样本和工程数据验证，不同的支持向量机核函数对围岩等级预测识别影响很大，线性核、多项式核、高斯径向基核函数围岩综合识别率分别为70.8%、81.2%、87.6%，围岩等级预测识别模型预测精度高、鲁棒性好。     

基于主成分分析与BP神经网络的TBM围岩可掘性分级实时识别方法研究

TBM 围岩可掘性等级实时在线识别和预警对TBM 安全高效以及智能化掘进意义重大,基于新疆EH 隧洞工程直径为7. 0 m 的敞开式TBM 实际掘进数据与地质数据, 通过TBM 掘进性能与施工风险的特征参数指标对围岩进行可掘性分级。在对不同围岩 下区分度较好的掘进参数进行主成分分析之后,获得表征围岩可掘性等级的2 个主成分指标,并在此基础上构建BP 神经网络对围 岩可掘性等级进行识别。同时,为提高模型响应速度,设计了一个MATLAB 程序,从而获得了实用性较强的围岩可掘性等级实时识 别方法。     

复杂地质条件TBM研制关键技术及应用

为解决高黎贡山隧道出口段软岩收敛卡机、破碎坍塌、岩爆片帮、高温热害、突泥涌水等不良地质TBM适应性差的问题,采用TBM适应性设计方法,提出并采用变截面抬升式开挖、水岩一体超前预报、隐藏式常态化超前钻探、前置式自动化湿喷、加强型大范围初期支护、通风系统强制制冷、刀盘刀具优化设计、物料快速运输等关键技术方案,联合研制出国产最大直径TBM（9.03 m）; 针对现场应用测试存在的部分问题,对TBM创新设计方案进行优化改进,使国产最大直径TBM在复杂地层前期应用中,取得月进尺400 m以上的掘进业绩。     

基于围岩力学参数的TBM净掘进速率多元回归预测模型

TBM净掘进速率与围岩地质条件密切相关,特别是岩体力学参数。为研究TBM净掘进速率与围岩力学参数之间的内在联系,以兰州水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为背景,选取岩石单轴抗压强度、单轴抗拉强度、泊松比、变形模量等围岩力学参数,进行TBM净掘进速率与围岩力学参数相关性分析,得到相应的拟合关系式。在单因素分析的基础上,经过线性处理,建立TBM净掘进速率的多元线性回归预测模型。研究结果表明： TBM净掘进速率与围岩力学参数之间具有明显的线性相关性,TBM净掘进速率随单轴抗压强度、单轴抗拉强度和变形模量的增大而减小,随泊松比的增大而增大; TBM净掘进速率多元线性回归预测模型总体上精度较高,其预测误差在15%以内,且对不同围岩类型具有较强的适用性。研究成果能够为TBM施工性能评估提供新的参考。     

TBM在不同特性硬岩中的掘进速度

最近，韩国用TBM修建了一座引水隧洞，该隧洞位于抗压强度大于260MPa的围岩中。本文探讨了此类硬岩中TBM的净掘进速度和围岩特性之间的关系。分析得知测得的掘进速度与Schmidt硬度和RMR（RMR）为岩体等级－－校者注）互成比例。可以把围岩的这两种特性和现场应力情况看作很好的预测TBM在硬岩中的掘进速度的定量指数。     

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。     

TBM掘进综合试验台的研制

刀盘刀具破岩技术是全断面隧道掘进机技术的核心,但是目前国内研究基础还比较薄弱。为了掌握滚刀破岩技术,需要在实验室内准确模拟滚刀破岩过程的试验台架。介绍TBM掘进综合试验台的主要结构、工作原理、主要技术指标、液压系统和信号检测系统等。试验台的建成将为我国TBM刀盘破岩技术及滚刀制造技术提供关键的试验设备。     

引汉济渭秦岭隧洞高磨蚀性硬岩TBM滚刀磨损试验研究

引汉济渭工程秦岭输水隧洞TBM掘进施工在试掘进段因遭遇高磨蚀性硬岩地层,滚刀发生严重磨损,致使施工进度严重滞后。为降低刀具磨损,节约施工成本,加快施工进度,必须对刀具磨损进行准确预测。针对高磨蚀性地层,开展滚刀磨损预测研究; 通过课题组前期研究结果,建立滚刀磨损理论预测模型; 通过室内实验,建立滚刀磨损实验预测模型; 通过现场试验,对室内实验模型及课题组前期研究建立的理论预测模型进行验证。结果表明,实验预测结果具有较高的准确性,相对误差在10%以内。     

岩石掘进机(TBM)刀具消耗预测研究

鉴于刀具消耗费在岩石掘进机（TBM）施工总成本中占有相当高的比重,从刀具消耗的原因入手,采用因果分析图法对各工程数据进行了统计和拟合,得出刀具消耗预测方法,最后结合实际工程从刀具消耗量和费用方面对该方法进行验证。     

不同几何结构的TBM刀盘静力学性能对比分析

刀盘是全断面岩石掘进机（TBM）的核心部件,其变形量是否满足要求、应力分布是否合理决定了掘进机能否安全可靠地工作。为对比分析不同几何结构TBM刀盘的静力学性能,基于应用在秦岭隧道的TB880E型平面刀盘,设计了具有相同开挖直径和滚刀数目的锥面刀盘和球面刀盘;通过建立3种刀盘的有限元计算模型,分析了相同工况下3种刀盘的变形和应力分布。分析结果表明： 相同工况和掘进参数条件下,平面刀盘的应力最小,而锥面和球面刀盘的盘面变形较小。这说明平面刀盘结构平滑,不易产生应力集中,刀盘强度较高;球面和锥面刀盘的刀盘面呈拱形结构外凸,可以有效提高刀盘结构的整体刚度。     

大直径硬岩掘进机(TBM)在吉林中部城市引松供水工程四标TBM3的应用

为了研究中铁工程装备集团有限公司自主研制的首台TBM的各项技术特点与工程适应性,结合TBM在引松供水工程总干线四标段的掘进施工情况,分析了TBM掘进地层特点以及主要设计参数。引松供水工程四标段掘进岩层复杂多变,富含大量断层破碎地层以及风化灰岩地层,部分地层岩石强度大且石英含量高,对TBM刀盘及刀具要求极高,TBM刀盘面板采用270 mm厚板设计,且刀座基座直接在刀盘面板上加工而成,刀具按非线性方式布置且刀间距控制在82~90 mm;设计了有效的TBM初期支护系统和材料运输平台,并且搭载了激发极化超前地质预报系统。工程掘进结果表明： 该台TBM刀盘设计可靠性强且能保证高效破岩,创造了最高月进尺1 226 m、日进尺70.8 m的优异成绩,TBM在不良地质下支护高效快速,超前地质探测结果可靠,各系统运行情况良好。