考虑地质适宜性和滚刀直径的TBM刀具消耗预测

刀具消耗是TBM施工成本管理的重要研究内容。将影响刀具消耗的主要因素归纳为地质条件、机械因素和掘进参数3个方面,在此基础上讨论了刀具消耗与围岩等级、TBM工作条件等级之间的关系。在总结和分析利用TBM工作条件等级进行刀具消耗预测研究的基础上,对拟合函数进行优化,并引入滚刀直径影响因子,构建同时考虑地质适宜性和滚刀直径的TBM刀具消耗预测方法。通过对兰州水源地建设工程输水隧洞TBM1掘进段的刀具消耗分析,验证提出的TBM刀具消耗预测方法的合理性。研究结果表明： 1）TBM工作条件等级可以反映TBM掘进性能和地质适宜性特点; 2）拟合函数ln(x-1)和ln x更适合描述和预测刀具消耗规律; 3）滚刀直径对刀具消耗具有一定影响,滚刀直径越大,刀具消耗越小; 4）同时考虑地质适宜性和滚刀直径的TBM刀具消耗预测模型的计算结果更接近实际耗刀率; 5）刀具消耗与岩体完整性密切相关,与实际耗刀率相比,Ⅱ类围岩的预测计算结果略高,而Ⅲ类围岩的预测计算结果略低。     

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。     

单护盾TBM管片旋转问题及应对措施

为了解决由于单护盾TBM掘进刀盘扭矩过大或盾体姿态发生偏差时,管片在掘进过程中产生旋转,造成管片安装精度、外观质量及运输效率受到影响等问题,结合单护盾TBM在软岩地层掘进条件下,分析管片旋转产生的原因,针对刀盘等设备的结构进行设计改进、优化掘进参数、优选刀具类型、及时清理刀盘以及必要时采取牺牲管片环缝与纵缝等措施,最终解决了单护盾TBM掘进过程中管片旋转的施工难题。     

节理密集带地质硬岩TBM刀盘损坏形式及对策

为解决硬岩TBM在硬岩节理密集带地质段施工时,刀盘刀具损坏严重、施工效率低下、施工成本增加问题,针对中天山铁路工程硬岩TBM节理密集段现场施工情况,分析刀盘刀具的主要损坏形式及主要原因,并采取相应的改进措施,使硬岩TBM在节理密集带地质段掘进顺利进行,保证了施工进度,降低了施工成本,对类似工程具有一定的借鉴作用。     

敞开式TBM在重庆轨道交通6号线的应用分析

为了使敞开式TBM在城市轨道交通中能正常使用,以重庆轨道交通6号线一期工程为例,在TBM设计阶段,对TBM的刀盘刀具、主轴承、支护、皮带机等系统进行针对性设计;在TBM掘进施工阶段,探讨分析喷射混凝土、皮带机系统、出碴系统、垂直运输系统、刀盘刀具系统及隧道施工与车站施工互相干扰的问题,并提出相应的处理措施。实践证明,通过所采用的方法和应对措施,能够提高敞开式TBM在岩性地质中的适应性。     

DS1217-303-1型双护盾TBM主驱动性能提升改进探析

双护盾TBM在均质硬岩中具有掘进速度快,开挖和支护同步进行等特点,但遇到软弱围岩和断层破碎带时极易出现卡机现象。以陕西省引红济石调水工程为例,为解决施工过程中出现的卡刀盘问题,介绍TBM设备主驱动系统工作状况,对性能参数进行分析验证,提出性能提升改进方案,改进后TBM对地层的适应性大幅提高,未再出现卡刀盘现象。该改进案例可为今后TBM设备表现出对地层不适应而进行设备再改进提供借鉴经验。     

大直径泥水盾构针对长距离施工的优化

大直径泥水盾构在复杂砂卵石地层中长距离掘进施工,盾构经常会受到刀盘刀具磨损严重、进排浆管及阀磨损严重、破碎机及泥舱门故障和突发事件等因素影响而导致停机,从而降低了盾构设备的性能,严重时将直接威胁施工安全。为了优化盾构设计、方便检修及降低施工风险,对北京某项目12 m级泥水盾构在施工过程中出现的问题,通过对刀盘刀具、泥水循环系统、破碎机和泥浆门、电气系统、监控检测系统等的优化,提高了设备的利用率和施工效率,降低了施工风险和施工成本,确保了人员和设备的安全。     

突变载荷下盾构刀盘设计验证分析

在复杂地层条件下,由于掘进载荷不稳定,盾构刀盘受力不均、震动变形及刀具非正常损坏等是盾构施工中较为突出的问题。以工程现场刀盘与地层相关参数为基础,采用有限元方法,在不稳定载荷条件下对盾构刀盘受力特性进行分析,得出盾构在该地层不稳定载荷条件下掘进过程中刀盘应力、应变状态,可确保刀盘设计的可靠性。     

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.     

TBM、盾构盘形滚刀硬岩掘进的刃口磨损形状分析及优化对策

为探索TBM、盾构盘形滚刀在破岩中与岩石的相互作用过程,优化掘进机在不同类型及类别岩层中的设备选型及刀盘刀具配置,提高破岩效率,以TBM、盾构在国内不同地区硬岩掘进实际工程案例中正常磨损的滚刀刃口磨损形状为依据,分析其磨损机制,得到以下结论:1) TBM、盾构的硬岩掘进对应于不同的机型、掘进模式、掘进参数、岩石强度、滚刀梯度硬度,其正常磨损的滚刀刃口会出现不同的特定的磨损形状。2)刃口磨损形状是在特定的边界条件下出现的结果,反过来会影响掘进效率。3)根据刃口磨损形状分析结果可知,优化及选择合适的机型、掘进模式、掘进参数、滚刀配置可以提高破岩能力及效率,延长滚刀使用寿命。     

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RMR岩体分级系统的TBM掘进性能参数预测

为解决由于地质条件原因造成TBM掘进效率低下的问题,基于吉林引松供水工程建立的TBM数据库,提出应用RMR岩体分级系统对TBM的掘进性能参数进行预测。通过回归分析的方法分别建立了RMR与TBM性能预测参数掘进速率(PR)、施工进度(AR)、利用率(U)以及贯入度指数(FPI)的经验公式。研究结果表明:RMR与PR、AR、U均呈现二次相关关系,RMR与FPI为线性关系,且相关系数均大于0.7;当RMR=50~70时,岩体具有较好的可掘性;当岩体条件较差(RMR30~40)或者岩体条件极好(RMR70~80)时,岩体的可掘性均较差;吉林引松工程TBM掘进的平均利用率为22.36%,与地质条件相关的停工时间约占总工期的25.97%。     

TBM刀具检修工艺的技术探讨

结合兰渝铁路西秦岭隧道TBM项目刀具的使用、维修、更换等过程,分析刀具检查与维修的工艺过程,对刀具拆卸检查与维修中的各注意事项进行总结。刀具的检查与维修在掘进过程中占有一定的比例,保证刀具检修的质量是TBM快速掘进的前提,刀具的使用寿命会影响TBM掘进的利用率。西秦岭TBM项目针对不同地质情况下的施工刀具维修制定了详细的检查项目,经过第1阶段刀具检查维修的实践,取得较好的成效。     

盾构隧道刀具更换技术综述

盾构穿越复杂水文地质地层时,常因刀盘刀具过量磨损而导致盾构被迫停机,这已成为困扰盾构施工的重要难题之一,进行刀具更换是目前解决这一难题,恢复盾构掘进的主要方法。然而,工程界尚未形成系统的盾构换刀技术体系。针对这一问题,在对已有技术研究理解和总结的基础上,阐述了盾构刀具更换技术的内涵和主要分类,并结合典型盾构工程换刀作业实例和笔者所在课题组的研究成果,对加固地层-常压换刀、基于常压可更换刀盘设计的换刀、带压换刀等3种主要换刀技术的原理、技术流程、关键技术、适用范围和优缺点等进行系统的分析和总结。最后介绍了日本最新的刀具更换技术,并对中国盾构隧道刀具更换技术进行了展望。结果表明：地层加固-常压换刀技术和带压换刀技术都是在常规刀盘设计条件下形成的,其关键都是保障开挖面地层的稳定性;差别在于,前者是使加固开挖面地层达到自稳后,在常压条件下实施的,而后者则是通过泥浆渗透成膜等辅助工艺提高开挖面地层的闭气性后,在气压支护条件下实施的;对于基于常压可更换刀盘设计的换刀技术来说,开挖面地层的稳定性不需要重点考虑,盾构机特殊的中空刀盘辐臂和常压可更换刀具设计才是该技术的关键。     

全断面岩石掘进机（TBM）开挖刀具的管理探讨

通过分析全断面岩石掘进机（TBM）的刀具使用流程、失效形式和原因以及TBM施工的实际经验,介绍了TBM施工中刀盘刀具使用应注意的问题及应对措施,探讨建立与快速施工相匹配的TBM刀具管理体系。     

高黎贡山隧道高适应性TBM设计探讨

为了应对高黎贡山隧道“三高四活跃”的特殊地质条件,研制高适应性TBM迫在眉睫。通过对高黎贡山隧道TBM施工段地质特征的勘察,总结了高黎贡山隧道的主要不良地质条件,分析了TBM施工存在的软弱破碎和大变形围岩洞段TBM卡机、高地应力掌子面与护盾后方岩爆、围岩收敛挤压变形支护破坏、高压突涌水和高温热害等方面的施工风险。提出高适应性TBM的针对性设计方案,包括TBM支护系统设计、刀盘刀具设计、应对涌水设计、应对高地热设计以及其他适应性设计的初步方案。研究结果可为高黎贡山隧道高适应性TBM的设计选型和制造提供参考。     

基于机器操作的TBM一体化刀具系统设计及试验研究

为实现TBM换刀机器人对刀具系统的快速拆卸,提出一种基于机器操作的TBM一体化刀具系统。针对其应用场景及对象,提出6项性能评价指标,并进行分析。最后按照1∶4的缩尺比例对传统刀具系统及一体式刀具系统进行振动紧固性试验。试验结果显示： 经过20 h加速度为3g、振动频率为30 Hz的振动试验后,传统刀具残余预紧力百分比下降幅度是一体化刀具系统的2.31倍,一体式刀具系统的防松性能优于传统刀具系统,所提出的新型一体式刀具系统能够满足TBM换刀机器人的要求。     

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。     

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。     

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。