隧道掘进破岩试验机结构设计及仿真

针对复杂多变地质环境，为可高效可靠地开展掘进机刀盘刀具选型设计及掘进参数精准选择，研究不同地质环境、不同掘进参数条件下多掘进机破岩机制物理试验特点，结合隧道掘进机现场工作特点，设计一种隧道掘进机螺旋推进式破岩伺服试验机。通过分析室内开展隧道掘进机破岩试验的重难点与试验机的通用性、宽泛性，重点针对试验机框架结构、刀盘结构和刀具安装装置等，采用有限元对其可靠性进行仿真计算，确定关键结构件设计参数，确保试验机工作稳定性、结构可靠性，实现试验机的研制。     

海底复杂地层超大直径盾构刀盘设计与优化

为解决海底复杂地层超大直径盾构刀盘设计中面临的刀间距布置、刀盘结构分析、刀盘功能优化等难题,基于某海湾隧道工程地质、水文特点,对盾构穿越海域段全断面软土层、孤石侵入的软土地层、基岩突起地层等工况开展分析。首先,开展室内不同刀间距破岩实验确定中心区域间距并提出刀盘刀具的总体布置方案;其次,采用数值计算对刀盘结构进行静力学和模态分析,结构的最大应力为190 MPa,最大变形为6.2 mm,前6阶频率为26.6~42.9 Hz,固有频率避开了工作频率;最后,考虑工程特点进行集中控制分布式冲刷系统、刀具运行状态监测及耐磨保护措施的刀盘功能优化。工程应用表明,刀盘结构强度、刚度满足要求,刀间距设计合理,刀盘优化措施提升了盾构在淤泥及海底软硬不均地层的适应性,可为类似海底复杂地层盾构选型及设计提供一定的参考。     

我国掘进机研制现状、问题和展望

近年来,我国重大隧道工程相继开工,掘进机研发、设计和制造水平不断提高。通过分析国产掘进机的典型工程案例,总结我国掘进机自主设计、制造技术的现状:土压平衡盾构、泥水平衡盾构和岩石隧道掘进机3大机型技术已经成熟,马蹄形盾构、矩形盾构等异形断面掘进机关键技术达到国际领先水平,同时竖井掘进机产品开始应用。分析当前我国掘进机研发制造中存在的关键问题:1)设计软件均是国外产品,信息安全问题日益凸显;2)掘进机主轴承、减速机等基础零部件需要进口;3)创新产品市场突破难度大。结合当前技术水平和市场现状,认为智能化和多样化是今后掘进机研制的重点和趋势,提出多功能多模式掘进机、异形断面岩石掘进机、复合破岩TBM、部分断面TBM等新机型设计理念,期望能够推动我国掘进机技术革新。     

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。     

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。     

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。     

软土常压刀盘盘面开口及盘体结构优化设计研究

在保证刀盘结构强度符合工程要求的条件下,为解决刀盘易结泥饼的难题,依托常德沅江过江隧道工程项目,开展软土常压刀盘结构特征设计,分析盘体结构对渣土流动性的影响,并基于灵敏度分析方法对盘体结构进行优化及评价。研究结果表明:1)在充分考虑刀具配置及安装布置的条件下,刀盘采用5辐臂结构形式使得刀盘中心渣土流动性最佳,且开口大小宜由中心向外周缓慢增加; 2)根据灵敏度分析优化方法,刀盘前面板、换刀箱支撑板对刀盘应力影响较大,其厚度增加能够显著提高刀盘结构强度; 3)提出的盘体结构优化设计方法可以有效降低刀盘盘体质量,提升刀盘力学性能。     

布置参数对TBM边缘滚刀受力的影响

边缘滚刀安装在全断面隧道掘进机(TBM)刀盘的最外缘,在破岩时边缘滚刀的受力情况十分复杂,工作条件恶劣,容易损坏。为研究布置参数对边缘滚刀的影响,采用有限元分析软件ABAQUS建立边缘滚刀破岩的非线性动力学模型,分析边缘滚刀的受力情况。结果表明： 边缘滚刀在破岩时所受的作用力会剧烈振荡变化; 安装倾角和刀盘过渡圆弧半径对边缘滚刀受力的影响显著; 边缘滚刀受力随着安装倾角和刀盘过渡圆弧半径的增加而呈现近似线性的增长。     

盾构刀盘设计系统开发

为快速准确地完成不同类型和尺寸盾构刀盘的设计,根据刀盘自身机械数据结构和施工过程的数据关系,结合刀具破岩机制实验数据和刀盘三维参数化机械模型和结构分析模型,利用VB完成刀盘参数化建模系统的开发,方便了刀盘设计人员准确且快速地完成各种不同地层、不同规格盾构刀盘的设计及分析。     

盾构刀盘变形修复技术及理念

珠三角城际隧道施工中盾构刀盘出现了较大变形,为实现仓内维修并恢复掘进,探讨在不具备全面、系统修复的安全空间和作业条件情况下进行刀盘应急修复的特殊技术,总结出仓内变形刀盘的修复要点即控制修复刀箱在刀盘径向和轴向的安装位置,以保证各滚刀间距及破岩轨迹与原设计相符,并使滚刀表面保持弧形过渡。为盾构刀盘仓内特殊条件下维修积累了经验,也是对修复表面要求“从平到不平”的理念做了尝试与探讨。     

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。     

土压平衡盾构穿越河道地下障碍物施工技术研究

南昌地铁1号线5标段盾构隧道穿越抚河,抚河下有破除桥梁残留的临时钢筋混凝土桩等障碍物。采用地质雷达确定了抚河段内未知地下障碍物的位置,同时对盾构机刀盘配制、螺旋输送机和掘进参数进行了分析。研究表明：为了保证盾构机安全穿越地下障碍物区,刀盘刀具需具备一定的破岩能力,同时需对刀盘转速和掘进速度进行控制;最后分析了穿越地下障碍物对盾构机的影响。这对今后地铁盾构隧道工程有一定的指导意义。     

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。     

803E掘进机刀盘振动问题浅探

 大伙房引水隧道工程TBM2标采用德国Wirth公司型号为803E的掘进机。掘进过程中刀盘振动问题较为严重，导致联接螺栓超常松动和联接部件裂纹，影响了施工进度和设备的完好率。从该机主机受力结构的动刚度以及刀盘结构形式方面浅探该机刀盘振动问题，并与Robbins公司掘进机的主体结构进行比较，试图提出选型和设计方面的建议。     

我国异形掘进机技术发展、应用及展望

20多年来,我国异形掘进机技术得到长足发展。首先,以异形掘进机领域的阶段性科研项目为主线,回顾我国异形掘进机技术从模仿跟随到同步突破再到创新引领的发展历程及所取得的成就,从异形掘进机全断面开挖技术、异形管片拼装技术、测控技术和施工技术等方面介绍我国异形掘进机技术的发展现状; 然后,通过大量案例分析,分别介绍矩形顶管机、矩形盾构、马蹄形盾构及其特殊施工技术在我国隧道建设中的应用情况; 最后,从地质适应性、施工效率、隧道截面形式等方面指出当前异形掘进机发展的局限性,并提出进一步的研究方向,同时对未来异形掘进机在新领域的应用提出几点思考。     

基于ABAQUS的盾构切刀群模拟切削研究

为了解决复合式土压平衡盾构(earth pressure balance)在实际施工时常出现刀盘结饼、刀箱堵塞等工程问题,从刀群切削效果角度研究刀盘刀具布置的合理性,采用切刀群和滚刀群的动态切削模拟方法,提出土体质量变化和刀盘受载的评价指标,得到以下结论:软土地质下切刀群存在内偏角时的切削效果明显好于无内偏角的情况;掘进地层地质较软时宜采用小切刀切削重叠量,地质较硬时宜采用大切刀切削重叠量。刀群布置的研究过程为实际工程问题的解决提供了方法,数值仿真结果为复合式土压平衡盾构刀盘刀群的组合设计提供了参考。     

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。     

软地层刀盘-原理与设计

过去10年，泥水盾构和土压平衡盾构的应用得到迅速发展。这两种隧道掘进机都能够在地下水位以下软地层中采用开挖面支护的方法挖掘隧道。这种掘进设备最重要的仍然是开挖面的挖掘方法，从设备的角度来说。是刀盘和刀具的配置。本论述了这两种隧道掘进机刀盘设计的共同之处以及不同点。[编按]     

大断面马蹄形盾构施工关键技术——以蒙华铁路白城隧道工程为例

为解决大断面马蹄形土压平衡盾构施工面临的姿态难控制、泥饼、掘进困难等难题,以蒙华铁路白城隧道工程为依托,研究大断面马蹄形土压平衡盾构施工关键技术:1)针对盾构始发难题,采取始发基座、洞门密封装置安装、始发参数控制、加强段明洞提供反力等措施,保证盾构顺利、安全始发。2)在盾构掘进时,采取分区控制油缸推力或往纠偏泥浆孔注入泥浆的措施,解决姿态难控制问题;通过在砂质黄土地层添加高分子聚合物,解决渣土改良不到位和出渣不畅问题;通过制定合理有效的掘进参数和精准测量方案,保证盾构安全下穿包茂高速。3)针对盾构刀盘底部开挖盲区问题,采取在刀盘底部增设圆锥形分渣器和增长刀盘辐条的措施,解决刀盘底部盲区导致的掘进困难问题。4)针对盾构到达技术,采取接收基座及接收端墙的正确安设措施,确保盾构安全接收。     

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。