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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

基于宏观能量理论与微观磨损机制的滚刀磨损量预测

为了准确预测全断面岩石掘进机长距离掘进硬岩地层的滚刀更换与使用量,量化滚刀检修、更换的时间与费用,从滚刀磨损宏观能量转换入手,基于能量磨损理论,通过分析摩擦功与磨损体积之间的关系,建立滚刀宏观能量理论的磨损量预测模型;从滚刀磨损的微观磨损机制入手,基于磨粒磨损机制,通过分析微观磨粒犁沟与滚刀宏观磨损量的关系,建立滚刀微观磨损机制的磨损量预测模型。通过某引水隧洞工程的现场磨损数据与掘进参数对2种预测方法的可行性进行验证,结果表明:2种预测模型对滚刀磨损量的预估具有一定的参考;提高预测结果的准确性需通过实验方法建立关键参数的选取准则。     

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。     

盘形滚刀刀圈轧制数值模拟研究

盘形滚刀工况条件差、换刀成本高,生产厂家对刀圈的性能要求越来越严格。为了提高刀圈质量,针对TBM中43.2 cm(17英寸)盘形滚刀刀圈,采用轧制成形工艺,运用塑性成形软件,建立盘形滚刀轧制过程数值模型,通过有限元仿真分析滚刀成形的应力场和应变场,并对不同参数对成形过程的影响进行研究。研究结果表明:1)轧制过程应力较小,应变分布较为均匀,但整体应变较小,随着主辊转速及芯辊进给速度的增大,等效应力逐渐减小,应变基本不变。2)匹配仿真参数进行刀圈轧制试验,并对刀圈质量进行检测,刀圈流线与外形轮廓相符,分布连贯不被打断,且与主应力方向一致,流线合理。     

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。     

TBM盘形滚刀重复破碎与二次磨损规律研究

秦岭隧道TB880E掘进机在施工过程中积累了大量宝贵而完整的滚刀磨损统计数据,为深入研究滚刀磨损规律和磨损机制提供了依据。从TB880E现场实测滚刀磨损数据入手,结合TB880E滚刀一次破岩体积的理论计算结果,建立了滚刀磨损量与一次破岩体积的关系;对滚刀单位破岩体积磨损量进行分析,得到了滚刀单位破岩体积磨损量与滚刀安装半径的关系曲线,总结出刀盘上滚刀磨损的4个区域,分析了不同区域滚刀磨损的机制;首次提出滚刀重复破碎与二次磨损的定量计算方法,得到了TB880E滚刀重复破碎体积与二次磨损量的分布规律。研究表明： 正面滚刀磨损的主要影响因素是一次破碎,而边缘滚刀的主要影响因素是重复破碎引起的二次磨损。     

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MATLAB/Simulink的TBM边滚刀动力学模型及振动分析

为解决TBM设备在硬岩地层施工过程中单刃边滚刀失效较严重的问题，对边滚刀在破岩过程中的振动特性进行研究。首先，基于对破岩时边滚刀的受力分析，将其所受载荷简化为垂向力、轴向力以及倾覆力矩，建立滚刀动力学模型。然后，运用MATLAB/Simulink建立边滚刀动力学仿真模型，由ANSYS/Ls-dyna仿真得到的边滚刀破岩载荷历程作为该动力学模型的输入激励，仿真得到边滚刀各部件振动位移响应曲线。最后，通过改变模型中滚刀各部件的刚度大小,研究其对滚刀振动的影响。研究发现： 1）对于安装角为45°的边滚刀，在花岗岩地层中破岩时，其刀圈侧向振动幅度比垂向振动幅度大22%左右，侧向摆角最大可达到0.406°。2）刀圈与轴承的刚度是影响滚刀振动和侧向摆动的重要因素，增大1倍刀圈刚度，滚刀垂向、侧向振幅和摆动振幅分别降低26.6%、31.5%、31.0%；增大1倍轴承刚度，滚刀垂向、侧向振幅和摆动振幅分别降低19.5%、14.1%、21.7%。     

刮渣斗与紧邻滚刀夹角对滚刀磨损影响研究

针对新疆某输水工程所用的多种TBM刀盘,为研究不同刀盘在掘进过程中滚刀磨损差异,从现场2台TBM(4~#和5~#)滚刀实测磨损数据入手,利用数值归纳方法研究了刮渣斗数量、刮渣斗与紧邻滚刀夹角对滚刀磨损的影响。通过向量分析方法得到以下结论:1)刮渣斗的布设数量对滚刀磨损的影响较为显著,刮渣斗布设多的滚刀磨损较小,刀盘设计时应多布设刮渣斗。2)滚刀应尽量布设在紧邻前方刮渣斗处。3)相邻刮渣斗之间布设多把滚刀时,应确保外侧滚刀紧邻前方刮渣斗布设。     

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。     

采用QTBM评估硬岩隧道中TBM的性能

挪威NGI的技术顾问Nick Barton开发出一种预测TBM贯入速率（PR）和掘进速率（AR）的新方法。此方法以扩展的Q系统和相对于适当岩体强度的平均滚刀切削力为基础，并考虑了岩体的结构或节理结构的方向以及岩体的抗压强度为荷载（抗拉）强度。利用特隆赫姆大学的滚刀寿命指数（CLI）纳入了岩体的耐磨性和不耐磨性，同时还考虑了岩石应力水平。在可行性研究中可确定QTBM新参数，而且还可以根据隧道施工期间TBM的性能进行反算。     

一种岩石磨蚀性实验

在TBM、盾构掘进过程中刀具磨损难以预测,一旦出现部分刀具磨损严重而未及时更换,则会影响整个刀盘刀具的寿命,将给施工工期和工程的经济效益带来严重的影响。为有效预测刀具磨损状况,从岩-机结合的角度出发,开展一种新的岩石磨蚀性实验方法研究。详细介绍该实验方法的原理、设备和具体操作方法及数据分析,并以广州地铁某施工项目为研究对象,通过岩石磨蚀性实验数据和现场刀具磨损数据的对比分析验证该实验研究方法的可靠性,并提供岩石磨蚀性指标参数来指导隧道工程的施工。     

风化花岗岩地层的盾构滚刀磨损预测研究

为了研究风化花岗岩地层盾构区间盾构机滚刀的磨损状态和使用寿命,采用基于土体性质的线速率分析法、试验段滚刀磨损实测数据的直接判定法和盾构实测掘进参数的间接判定法,对深圳地铁7号线珠光站—龙井站隧道工程盾构机刀盘正面滚刀的使用寿命进行了预测,对施工中的滚刀磨损状态进行了判断。研究结果表明:预测的滚刀磨损量与实测数据误差较小;计算推断的滚刀弦磨情况与盾构开仓检查的结果相符;提出的刀具使用寿命可供施工中换刀里程选取时参考。     

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。     

冷作钢7Cr5Mo2MnVSi在盾构机滚刀中的应用研究

文章介绍了德国和瑞典两种不同品牌钢在盾构机滚刀上的工程应用试验,结果表明,瑞典材料7Cr5Mo2MnVSi(冷作钢)表现出优良的耐磨性能,突破了盾构机刀圈用热作钢的工程惯例,是制造硬岩刀圈的理想材料之一。当然,冷作钢7Cr5Mo2MnVSi呈现出的优良的力学性能与其材料成分、加工工艺和热处理工艺是密切相关的,论文详细介绍了瑞典材料7Cr5Mo2MnVSi独特的热处理工艺和加工工艺,为我国制造刀圈提供了参考和借鉴。     

盘形滚刀的改进及应用

通过几个典型工程盘形滚刀的应用,说明滚刀的结构、性能要根据地层的变化进行改进,工况条件不同,滚刀表现的主要失效形式不同,滚刀制造的要求也不同。均质硬岩地层以刀圈耐磨性为主,软硬差别大的地层以抗断为主,磨砺性强的不稳定地层以刀体保护为主。