盘形滚刀的使用与研究(2)--TB880E型掘进机在秦岭隧道施工中的应用

3盘形滚刀破岩与刀圈磨损 3.1岩碴的形成 刀尖压入岩体,当压力大于岩石的抗压强度时,与刀尖接触部位的岩石被压碎,在刀尖前形成一压碎区,如图10.     

全断面隧道掘进机锥面刀盘滚刀破岩机制研究

为揭示全断面隧道掘进机（TBM）锥面刀盘的滚刀破岩机制，明确滚刀安装排布对岩石破碎效果的影响规律，在对锥面刀盘多台阶悬切破岩模式分析的基础上，基于颗粒离散元方法构建锥面刀盘滚刀破岩数值模型并进行试验验证，开展锥面刀盘“平-锥”过渡区域滚刀破岩过程的数值模拟研究。研究结果表明：锥面刀盘锥区滚刀的破岩本质为临空面辅助破岩，破岩效果受到盘面锥角、滚刀间距、滚刀安装倾角的共同影响；为提高锥面刀盘破岩效率，可适当增大盘面锥角、减小锥区滚刀间距、增大滚刀安装倾角使锥区“斜刀正装”；对于抗压强度为180 MPa的极硬花岗岩，为确保高效破岩，建议盘面锥角为25°，锥区滚刀间距不大于70 mm，滚刀安装倾角与盘面锥角接近。     

全断面岩石掘进机平面刀盘上盘形滚刀磨损研究

我国秦岭隧道出口TBM施工工程实践表明,TBM刀具的检查、更换和刀盘维修时间约占施工时间的三分之一,其刀具费用约占工程建设费用的三分之一,其中刀刃磨损数量约占刀具消耗量的80%,因此,进行全断面岩石掘进机平面刀盘上刀具磨损研究具有非常重要的意义。文章在分析TBM刀具位移的基础上,提出了刀具的侧滑磨损系数、侵深磨损系数和滚动磨损系数及其计算方法,探讨了三方向位移对刀具磨损的影响,建立了TBM刀盘上正刀和过渡滚刀破岩刃上破岩点弧长的计算公式,并将破岩刃破岩点弧长与刀具磨损量进行了对比分析。     

掘进机滚刀最优破岩刀间距的分析与计算

为进一步提高掘进机刀盘滚刀的破岩效率,在刀盘设计过程中确定合理的刀间距显得尤为重要。文章在利用岩石破碎角推导破岩刀间距范围的基础上,基于RFPA分析系统,进行了双刀、三刀作用下的不同刀间距破岩效果的分析,并推导出了最优破岩刀间距的计算公式;为验证刀间距计算公式的准确性,基于自主研制的滚刀岩机作用综合试验台,进行了三滚刀顺次滚压作用下的不同刀间距破岩效率的试验研究。试验结果验证了所推导的最优刀间距计算公式的科学性,进一步完善了刀盘刀具高效破岩理论。     

贵阳岩溶地层地铁盾构隧道工程中新型球状碳化钨刀具的研究与应用北大核心CSCD

在贵阳轨道交通3号线盾构隧道施工中,采用普通刀具易出现滚刀多边形磨损、偏磨、刀刃崩裂等异常磨损和刀圈脱落现象。为改进滚刀刀圈的耐磨、耐冲击性能,提高刀具的综合寿命,提出采用球状碳化钨刀具替换普通刀具,并介绍了激光熔覆焊工艺以及宏观磨损检测工艺。经过施工现场的实际应用,发现球状碳化钨刀具具有更好的耐磨性,新型球状碳化钨刀具平均磨损量为0.00255 mm/延米,相邻普通刀具平均磨损量为0.01655 mm/延米。在第338~736环掘进中,新型球状碳化钨刀具最大磨损量为0.015 mm/延米,刀具无崩刃现象,滚刀轴承、密封等均无异常,有效解决了普通刀具易磨损、磨损不均的问题,为喀斯特地质条件下盾构刀具的选型提供参考。     

TBM边缘滚刀关键参数对破岩效率影响规律研究

破岩效率是衡量滚刀破岩性能的关键指标。文章基于离散单元法建立边缘滚刀破岩仿真模型,采用多因素正交设计法进行了边缘滚刀破岩过程试验,以破岩效率为边缘滚刀破岩性能的评价指标,研究了刀刃角、刀刃宽、安装倾角与刀盘过渡圆弧半径对滚刀破岩效率的影响规律,并针对大理岩和混凝土两种不同切削对象分析了各因素单独作用对边缘滚刀破岩效率的影响规律。试验结果表明:倾角对边缘滚刀破岩效率的影响十分显著,圆弧半径和刀刃角的影响次之,刀刃宽的影响最小;各因素对不同岩石的破岩效率影响规律不同,安装倾角和刀盘过渡圆弧半径对大理岩和混凝土的破岩效率影响相同,而刀刃角和刀刃宽对两者的影响则相反。最后,通过实验发现安装倾角为4°时的破岩效率约为8°时的1.8倍,验证了安装倾角对边缘滚刀破岩效率影响很大的规律。     

盾构盘形滚刀损坏机理的力学分析与应用

文章对盾构盘形滚刀损坏的力学机理进行了研究,应用CSM模型对滚刀破岩荷载进行求解,得到了滚刀损坏的临界最大贯入度和滚刀不能转动(偏磨)的临界最小贯入度计算公式,并对影响滚刀破岩荷载和影响临界贯入度的各种因素进行了分析。为便于现场应用,绘制了便于查阅的曲线图,并给出了应用示例。研究结果表明:掘进过程应根据岩石强度和刀具磨损情况的变化调整贯入度范围,其值应控制在临界最小和最大贯入度之间。研究结果对盾构机的现场施工具有指导作用。     

复合地层中盾构滚刀磨损原因分析及对策

通过系统地总结和分析约40台次混合式盾构机在复合地层中掘进近100 km的滚刀磨损情况,对滚刀磨损做了定性分类,并根据滚刀磨损的影响因素,提出滚刀磨损的对策,以期指导今后复合地层施工中盾构机刀盘刀具选择、配置及盾构掘进。     

自由面预割缝下底切滚刀铣削破岩机理研究

为提高底切滚刀铣削破碎硬岩性能、降低其破岩载荷，建立预割缝下底切滚刀铣削破碎硬岩数值模型，研究不同铣削厚度和割缝参数（割缝间距、割缝深度）组合对底切滚刀破岩性能的影响规律，揭示预割缝对底切滚刀破岩的影响机制。结果表明，割缝间距和滚刀直径相同时滚刀铣削预割缝条件下的岩石可以等效为滚刀铣削无侧限压力岩石，与无割缝岩石相比截割力减小率降低超30%；底切滚刀铣削厚度和割缝间距的匹配关系对破岩比能的影响显著，在最佳破岩比能时其组合关系为截深20 mm、割缝间距100 mm；分析岩屑分形维数和破岩比能之间的关系，比能耗随着分形维数的增加呈线性增大。     

不同围压下节理岩体中TBM滚刀破岩效率研究

为提高TBM掘进效率,降低TBM施工成本,有必要研究节理岩体中的滚刀破岩效率。为此,文章采用二维离散元软件UDEC研究在不同围压下,节理间距、节理倾角、滚刀间距及贯入度对破岩效率的影响规律。研究表明:(1)节理倾角以30°附近为界向上增加或向下减小,比能耗随围压增加而减小的趋势变缓,并且在接近90°和0°时,围压的增加对滚刀破岩呈现不利影响;(2)节理岩体节理间距越小,比能耗受围压影响越明显。随着节理间距的增加,围压对比能耗的影响逐渐弱化,直至消失;(3)节理倾角0°附近,在满足安装要求的情况下滚刀间距宜取小值;节理倾角30°附近,刀间距100 mm左右时比能耗最小;节理倾角60°时,刀间距120 mm左右比能耗最小;(4)在滚刀之间裂隙贯通的前提下,节理岩体取较小贯入度时破岩效率较高。     

泥水平衡盾构穿越富水砂砾层施工技术研究

文章依托沈阳地铁十号线11标长青桥站—浑南大道工程,该工程区间全长1.6 km,采用?6240 mm泥水平衡盾构施工,穿越段以富水砂砾层为主,最大粒径110 mm,在施工过程中,通过优化调整刀盘的合理选型和泥浆参数,有效地减少了刀盘的磨损,全程未更换刀具。研究表明:通过分析盾构设计阶段刀盘的选型配置和隧道贯通后刀具的磨损情况,提出了一套有针对性的泥水盾构刀盘配置;通过分析施工掘进参数可知,提高泥浆粘度虽然可以增加泥浆支护效果,但易在盾构刀盘的正面形成泥饼,导致正面砾石无法顺利进入土舱内,进而造成扭矩及推力的异常;通过分析不同粘度、比重下盾构机扭矩及推力的变化,总结了富水砂砾层中泥浆参数的合理指标,对今后类似工程的施工具有借鉴意义。     

TBM盘形滚刀受力分析

研究盘形滚刀的受力状况可以改善滚刀的设计,提高其使用寿命。文章通过ABAQUS分析软件建立了盘形滚刀切割岩石的有限元模型,并进行了动态模拟和动力学分析;模拟结果很好地解释了TBM掘进过程中,液压千斤顶需要不断地增加压力才能保持掘进速度的现象,并且验证了盘形滚刀最大瞬时接触力值为接触力平均值的2~3倍,同时发现ABAQUS可以很好地模拟出岩石被切割时出现岩碴飞溅的现象;研究结果为盾构机盘形滚刀刀具的设计及研究其寿命提供了一些理论依据。     

上软下硬地层盾构施工技术研究

依托深圳地铁2号线东延线土建2222标侨香站—香蜜站盾构区间,分析了在上软下硬地层中盾构法施工存在进度缓慢、刀具磨损严重、喷涌等难点和风险。为提高上软下硬地层盾构施工的掘进效率,文章给出了具体的盾构掘进参数;针对上软下硬地层盾构施工易发生结泥饼和喷涌等问题,从其发生机理出发,研究了相应碴土改良技术;针对上软下硬地层周边环境复杂、开舱作业风险高的问题,研究了带压开舱换刀技术。     

高频地震反射法在大坪隧道施工中的应用

随着西部大开发战略的实施,我国西部地区公路隧道工程的数量越来越多,工程等级也不断提高。然而在隧道施工中难免会遇到诸如岩溶突水、岩爆、围岩大变形、塌方等地质灾害问题,为了将地质灾害影响程度降到最低,在隧道施工前进行地质超前预报是十分必要的。文章以大坪隧道为例,介绍了TGP12(高频地震反射法)探测系统的原理、数据处理、解译技术,通过对比分析验证了预报结果的准确性,并总结了应用TGP12进行地质超前预报的体会,展示了TGP12探测系统在隧道施工地质超前预报中的广阔应用前景。     

地质雷达在巫帮隧道地质超前预报中的应用

文章以巫帮隧道BT4施工标段为工程背景,介绍了地质雷达在超前地质预报中的应用,指出地质雷达具有无损性、高效率、抗干扰能力强、可信度较高等优点,对隧道施工能起到积极的指导作用,是一种较好的隧道超前地质预报方法。     

基于岩体指标和掘进参数的TBM净掘进速率预测模型

净掘进速率是TBM施工速度的主要评价指标,与围岩物理力学性质、TBM掘进参数之间存在一定相关性。文章以兰州水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工为背景,基于现场实测数据,选择岩石单轴抗压强度、抗拉强度、变形模量、泊松比、岩石耐磨性CAI值等岩体指标,以及刀盘推力和刀盘转速等掘进参数,进行TBM净掘进速率与有关影响参数之间的单因素相关性分析,得到相应拟合公式;基于TBM净掘进速率与岩体指标、掘进参数之间的相关性,利用多元非线性回归方法建立了TBM净掘进速率预测模型。通过将兰州水源地建设工程输水隧洞实测TBM净掘进速率和预测结果进行对比,验证了TBM净掘进速率预测模型的合理性。研究结果表明:(1)在复杂的多种地质条件下,TBM净掘进速率与岩石单轴抗压强度、抗拉强度、变形模量、岩石耐磨性CAI值、刀盘推力以及刀盘转速呈负相关关系,与泊松比呈正相关关系;(2)干湿状态对岩石耐磨性CAI值有一定影响,饱和状态下岩石耐磨性CAI值与TBM净掘进速率之间的相关性更显著;(3)建立的多元非线性回归预测模型,预测精度较高,可为相似地质条件下TBM净掘进速率估算提供参考。     

高密度电法地表探测在隧道施工地质预报中的应用

高密度电法是工程地质勘察中应用较多的地表物探技术之一,其对含水性地质病害具有较高的预报精度。文章依托岗头山隧道和叙岭关隧道项目,介绍了富水性区域病害、充填粘土型溶洞病害和断层破碎带等三类典型工程实例的成功经验,并且对漏测、检测结果的多解性和异常信息缺失等常见应用问题及其应对方法进行了总结分析。