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。     

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。     

TBM掘进模态综合实验平台升级改造研究

为建立全断面岩石隧道掘进机刀盘不同位置滚刀载荷分布规律，防止TBM滚刀及刀座频繁过载失效，通过对TBM掘进模态综合实验平台升级改造，研发了单把滚刀载荷测试方法，实现了单刃滚刀、中心双联滚刀以及不同规格滚刀载荷的直接获取； 开发了滚刀载荷和转速监测系统，实现了滚刀载荷和转速数据的实时采集和无线传输； 制造了可安装不同规格滚刀、刀间距和刀高差可调的多功能刀盘，实现了刀盘刀具多种方式布置。TBM掘进模态综合实验平台的升级改造为TBM刀盘不同位置滚刀载荷分布规律、刀盘刀具布置等滚刀破岩理论的研究提供了实验工具，为TBM滚刀载荷实时监测提供了新方法。     

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。     

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。     

“穿山甲”舞“水刀” 我国首台高压水力耦合破岩TBM下线

<正>2019年6月18日,我国首台高压水力耦合破岩TBM"龙岩号"在河南郑州下线,通过将高压水力射流喷嘴搭载到TBM(全断面硬岩隧道掘进机)刀盘上,实现了"水刀"和滚刀的"双刀"共同破岩,显著提升破岩效率,实现高效掘进。TBM是目前隧道掘进工程的关键设备,有"穿山甲"之称。此次下线的高压水力耦合破岩TBM,在传统TBM设备上搭载了高压水系统,给"穿山甲"配上了"水刀",利用高压水力溅射和滚刀耦合破岩。传统的TBM设备利用滚刀进行破岩     

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。     

基于线性回归法的TBM滚刀贯入度预测研究

为解决盾构施工中全断面隧道掘进机(TBM)滚刀贯入度的预测问题,使其更好地应用于所处地层,依托深圳地铁6号线的相关数据及中铁TBM云管理平台的数据处理功能,定性分析TBM破岩过程,并将破岩的宏观过程划分为3个阶段;采用线性回归方法,依次从贯入度与掘进推力的关系、贯入度与刀盘转矩的关系对TBM滚刀贯入度的变化情况进行量化分析,并在这一过程中推导得到TBM掘进的贯入度与推力、转矩的参数预测模型,并结合现场实测结果对线性回归法的预测结果进行验证。结果表明:1)TBM在不同阶段的贯入度、推力及转矩均有不同程度的变化,且相互之间存在一定的关联;2)掘进参数的线性回归预测模型经过验证是合理的,表明线性回归法适用于TBM掘进参数的预测,可视具体情况为隧道工程实施阶段掘进参数的调整提供理论指导和参考。     

大直径盾构刀盘刀具选型及常压换刀技术研究

由于盾构在软土地层和岩石地层的刀具切削原理和配置形式不同,对于不同地质,尤其复合地质刀盘刀具的适应性配置与磨损刀具的安全更换一直是当前大型盾构施工中遇到的技术难题。针对武汉地铁8号线越江隧道工程及其特殊的水文地质,分析大直径泥水盾构在软土和硬岩复合地层中刀盘刀具的选型配置,创新采用复合刀盘设计理念,并开发应用常压条件下滚刀齿刀互换技术,最后针对不同地质条件给出了刀具配置方案。通过采取以上措施,延长了刀具使用寿命,提高了刀具更换效率,降低了施工风险,实现了在复杂地层隧道的顺利穿越。     

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。     

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。     

复合式土压平衡盾构机的工程匹配性分析

福州市轨道交通2号线苏洋站～中间竖井区间采用盾构法施工,施工期间穿越硬岩复合地层、软土复合地层和硬岩复合地层,导致盾构机面临硬岩掘进刀盘磨损严重、穿越不同地层界面需开仓换刀及穿越软弱土层需渣土改良等技术难题。现从硬岩掘进刀盘配置与动力输出、开仓换刀工艺设计及软土掘进工艺等3个方面,开展了盾构施工关键设备(工艺)与工程地质匹配性研究分析,有效地降低了硬岩地层刀盘磨损,实现了穿越不同地质界面快速开仓换刀,避免软弱土层局部坍塌等问题,为工程的顺利实施提供有力保障。     

硬岩掘进机刀盘纯切削扭矩计算研究

根据硬岩掘进机盘形滚刀在岩体开挖面上滚压切削的实际状态,以刀刃下的岩石受滚压破坏并沿刀刃两侧软弱面崩落为机理,以岩石强度极限为材料常量依据,试推导滚刀切削牵引力以及刀盘纯切削扭矩的计算方法。在推导过程中,不考虑岩石为什么会被破碎或怎么破碎,仅考虑岩体受力状态,以实际工程掘进报告比较计算结果。     

盾构刀盘切削钢筋混凝土桩基室内试验研究

针对盾构穿越钢筋混凝土桩基的工程难题,开展盾构刀盘切削钢筋混凝土桩基的室内试验,设计全刀盘滚刀和全刀盘撕裂刀直接切削钢筋混凝土桩基的各6组掘进试验方案。通过对切削桩基效果、钢筋破坏形态、刀盘振动特性及刀具损伤形式进行统计分析,揭示全刀盘滚刀和全刀盘撕裂刀2种刀具对钢筋混凝土桩基的切削原理,并进一步评价滚刀和撕裂刀切削混凝土桩基的优缺点。结合不同掘进参数下盾构刀盘推力、转矩的变化情况,提出盾构刀盘直接切削钢筋混凝土桩基的滚刀和撕裂刀高低组合配置方案以及合理掘进参数。通过以色列地铁项目验证了该方案能有效将钢筋完全切断切短,有利于钢筋直接通过螺旋输送机排出,可提高施工效率和避免开舱处理钢筋风险。     

海底隧道基岩突起段地层典型滚刀破岩实验研究

为制定高强度花岗岩基岩突起地层的盾构掘进方案,在汕头海湾隧道现场取回花岗岩岩样,测试出CAI值及元素成分,进行滚刀破岩实验,对比分析相同工况下48.26 cm（19英寸）2种典型盘形滚刀（镶齿和一般平刃）的破岩效果,研究48.26 cm（19英寸）一般平刃在不同推力和刀间距下的掘进参数变化情况。实验结果表明： 1）工程现场的花岗岩岩样Si元素平均含量为37.35%,CAI值为3.56~3.91,为高磨蚀性岩石; 2）相同工况下,一般平刃滚刀具有更高的掘进效率; 3）单把滚刀总推力为300 kN时,掘进速度为4.1 mm/min。     

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。     

盾构刀具磨损机理及预测分析

为准确判断和预测盾构刀具服役寿命周期,指导盾构掘进施工,采用理论分析推导和实测工程数据分析的方法,对盾构隧道掘进过程中的刀具磨损机理和磨损预测模型进行分析研究。基于金属摩擦学理论,分析得到盾构刀具磨损主要由磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损3种机制共同组成,其中磨粒磨损和黏着磨损是盾构刀具磨损的主要原因。针对盾构掘进刀具磨损定量计算,考虑磨粒磨损、黏着磨损和疲劳磨损共同作用,结合Rabinowicz磨粒磨损、Archard黏着磨损和疲劳磨损计算公式,引入科罗拉多矿业大学滚刀破岩力学模型和中南大学切刀破岩力学模型,推导得到盾构滚刀和切刀磨损预测通用计算模型;基于大连某盾构区间的复杂地层刀具磨损实测数据,借助于MATLAB软件编程,对实测数据进行分析,并与预测模型计算值对比。结果表明:模型预测值与实测磨损数据的误差小于15%,表明了预测模型具有较好的准确性;采用该模型对不同地层条件下刀具磨损量预测可行,研究结果对盾构掘进中的刀具磨损预测和开仓换刀时机选择具有较好的指导意义和工程实际意义。     

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。     

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。