盾构刀具关键技术及其最新发展

针对盾构刀具技术研究存在的不足,从刀具种类及适应性、性能差异性等方面对盾构刀具技术及其发展历程进行概述。将盾构刀具关键技术分为刀具结构、刀具材料、刀具制造工艺及磨损检测技术等4个方面,对梯度结构刀圈、新型刀毂、内腔带压滚刀等新型盾构刀具结构进行介绍;对新型硬质合金刀圈、粗晶颗粒硬质合金、耐磨堆焊材料等具有优越性能的刀具材料进行研究;从熔炼及锻造、等温球化退火、热处理工艺等方面分析刀具制造工艺;在统计分析刀具失效形式的基础上,全面分析刀具质量稳定性、现场管理措施、安装形式等影响因素,阐述刀具磨损检测技术现状,提出刀具磨损量可视化测量等发展方向。最后对盾构刀具技术的最新发展进行总结,提出今后的研究方向,为盾构刀具优化设计及盾构施工中的刀具管理提供指导。     

盾构切削刀具的布置规律及优化研究

根据盾构切削刀具的阿氏螺线布置规律,针对北京地铁四号线14标学院南路站—双榆树站区间盾构刀具的布置形式,推导该区间盾构刀具的阿氏螺线布置公式及规律;并通过对刀具实际磨损情况的分析和研究,提出减少刀具磨损的优化布置措施。研究有助于为同类工程盾构刀具的布置提供参考。     

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。     

砂卵石地层泥水盾构施工技术难点及控制措施分析——以兰州地铁穿黄隧道工程为例

为解决泥水盾构在砂卵石地层掘进过程中所面临的刀盘结构磨损严重、刀盘开口率调节不便、刀具磨损严重、泥水环流系统堵塞以及泥浆管路磨损严重等工程技术难题,针对兰州地铁穿黄隧道工程富水砂卵石地层条件,提出刀盘结构适应性改进措施、刀具磨损控制措施、环流系统改进措施以及泥浆管路磨损控制措施。研究表明： 1）对刀盘结构进行适应性改进,可有效解决砂卵石地层刀盘结构磨损严重和刀盘开口率调节等问题; 2）将边缘单刃滚刀改为双刃滚刀,导流刀改为撕裂刀,可有效增强盾构刀具的耐磨性能,提高盾构的掘进效率; 3）从碎石系统改进和大漂石、卵石处理2个方面对盾构环流系统进行改进,可有效解决盾构环流系统堵塞的问题; 4）将整体泥浆管路分为3段,相邻管路之间用法兰盘连接,可有效解决泥浆管路局部磨损严重的难题。     

盾构刀具切削研究进展及非正常磨损实例分析（双语出版）

盾构刀具在切削岩土体过程中的受力形态和磨损情况是决定工程施工顺利与否的关键因素之一。然而,在穿越高磨蚀性的砂卵石及土岩复合地层时,常会面临因刀具过量磨损而导致盾构机无法正常掘进等难题。针对刀具切削岩土体过程的受力与磨损问题,从刀具磨损监测方法、切削机理、切削过程受力的试验和数值模拟等方面系统地总结了近年来的相关研究进展,并通过典型工程案例分析了目前严重困扰盾构掘进的刀具非正常磨损问题。关于刀具磨损监测方法,目前通电式和超声波式监测技术在盾构施工中被广泛应用,并逐步发展形成连续成像的摄影测量和DCRM技术;在刀具切削力学模型方面,重点阐述了滚刀张拉破岩模式和CSM力学模型,以及刮刀的流动切削模型和Mckyes-Ali模型;刀具切削和磨损试验分别从岩土磨蚀单元试验、单个刀具切削试验和刀盘整体切削的模型试验3个方面研究刀具切削磨损效果;数值模拟研究则偏重于研究岩土体在不同的切削条件下应力状态和破碎形态的变化情况;刀具非正常磨损直接缩短刀具的使用寿命,具有突发性和不规律性的特点,是工程实际中最为典型的刀具磨损方式。最后,针对盾构刀具切削与磨损形式,展望了盾构刀具切削磨损在刀具监测方式、外形及布置方式、合金材料和焊接工艺等方面的发展趋势。     

盾构刀具切削研究进展及非正常磨损实例分析

盾构刀具在切削岩土体过程中的受力形态和磨损情况是决定工程施工顺利与否的关键因素之一。然而,在穿越高磨蚀性的砂卵石及土岩复合地层时,常会面临因刀具过量磨损而导致盾构机无法正常掘进等难题。针对刀具切削岩土体过程的受力与磨损问题,从刀具磨损监测方法、切削机理、切削过程受力的试验和数值模拟等方面系统地总结了近年来的相关研究进展,并通过典型工程案例分析了目前严重困扰盾构掘进的刀具非正常磨损问题。关于刀具磨损监测方法,目前通电式和超声波式监测技术在盾构施工中被广泛应用,并逐步发展形成连续成像的摄影测量和DCRM技术;在刀具切削力学模型方面,重点阐述了滚刀张拉破岩模式和CSM力学模型,以及刮刀的流动切削模型和Mckyes-Ali模型;刀具切削和磨损试验分别从岩土磨蚀单元试验、单个刀具切削试验和刀盘整体切削的模型试验3个方面研究刀具切削磨损效果;数值模拟研究则偏重于研究岩土体在不同的切削条件下应力状态和破碎形态的变化情况;刀具非正常磨损直接缩短刀具的使用寿命,具有突发性和不规律性的特点,是工程实际中最为典型的刀具磨损方式。最后,针对盾构刀具切削与磨损形式,展望了盾构刀具切削磨损在刀具监测方式、外形及布置方式、合金材料和焊接工艺等方面的发展趋势。     

兰州地铁砂卵石地层土压平衡盾构刀具使用寿命延长技术

为了降低刀具的磨损,延长刀具的使用寿命,以兰州地铁工程施工案例为背景,对土压平衡盾构在砂卵石地层中掘进刀具磨损的问题进行了跟踪研究。通过理论计算与工程实际对比分析得出刀具的磨损规律,在刀盘设计和刀具组合等研究成果的基础上,对渣土改良、盾构掘进参数、盾构姿态和一般欠土压模式掘进等控制措施进行了系统的研究和实践,成功地延长了刀具使用寿命,减少了刀具更换的次数,加快了工程进度并降低了工程成本;同时,解决了土压平衡盾构在砂卵石地层掘进刀盘被卡、地面沉降控制等技术难题。     

成都地铁盾构刀具磨损分析研究

成都地铁隧道盾构法掘进中,刀具严重磨损成了制约工程顺利进行的一大难题。在对刀具切削原理的分析和盾构掘进中的刀具磨损情况进行了现场调查的基础上,对滚刀和刮刀的磨损特点及原因进行了分析和研究,指出了磨损的主要原因,最后提出了合理的建议和意见。     

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。     

盾构掘进中刀具磨损的跟踪检测

盾构施工中,不同类型的刀具因用于不同的地层其磨损方式不尽相同.通过研究,找到了刀具磨损的多种检测方法.并对掘进参数分析法用于刀具磨损检测进行简单的介绍,同时结合工程实例介绍这一方法的应用情况并进行分析.     

武汉轨道交通7号线三阳路越江隧道施工关键技术

为解决三阳路隧道在施工过程中掘进低效、刀具磨损、正面失稳、泥饼淤积等问题,提出新的关键技术:1)引进的盾构设备采用常压换刀技术,提高刀具的更换效率,同时,降低在高压条件下更换刀具的安全风险;2)针对刀具磨损、刀盘结泥饼等问题,研究提出刀具形式与配置优化、中心冲刷系统改制、化学除泥饼等技术方案。研究表明,通过采用上述关键技术,可以有效提高掘进效率,降低换刀频率,减少停机风险。武汉三阳路隧道建设所取得的技术成果,可为未来复合地层大直径盾构施工提供技术参考。     

基于刀盘摩擦扭矩参数的刀具磨损状态识别

盾构在砂卵石地层掘进时,刀具磨损量大一直是困扰施工的难题。从土压平衡盾构的工作原理及砂卵石地层特性2方面分析刀盘扭矩的构成,并通过数学和力学分析建立了摩擦扭矩计算模型。以成都地铁3号线红牌楼南站-红牌楼站区间为研究背景,依托盾构施工安全风险监控系统,对计算模型进行验证;分析刀具磨损时,根据地质条件将摩擦扭矩进行分段计算,同时将摩擦扭矩除以总扭矩得到摩擦比例系数,运用比例系数跟踪判断刀具磨损程度。研究结果表明,砂卵石地层中构成刀盘扭矩的主要组分是刀盘正面、背面和侧面上的摩擦扭矩;摩擦扭矩计算模型符合工程实际;得到的摩擦比例系数与换刀形态具有较好的对应性,可定性判断刀具磨损程度,指导工程实践。     

基于超声波的盾构切刀磨损无线检测系统研究

刀具磨损检测已经成为盾构法施工隧道的关键技术之一,也是施工遇到的最大难题之一。为实现实时探查复杂地质条件下刀具磨损情况,掌握刀具磨损变化规律,及时更换刀具,减少盾构被迫停机次数,加快施工进度,结合超声波检测技术及无线通讯技术,研发一套盾构切刀磨损检测系统。现场应用证明:1)系统检测结果与实际测量结果一致性较好,超声波检测技术可用于盾构刀具磨损检测;2)433 MHz频段无线通讯技术传输信号准确、可靠,可用于盾构刀具在线实时测量;3)检测系统运行状态稳定,其方案设计合理,具有抗振、抗干扰和防水的性能。     

盾构穿越富水大粒径漂石地层施工技术研究

北京地铁九号线玉渊潭区间在富水条件下穿越砾岩及卵砾、圆砾地层,该区域间分布有连续、粒径超过1 000 mm的漂石,可见漂石粒径有1 500 mm×1 700 mm,且区间隧道大部分处于高透水地层中。为保证盾构在施工过程中能安全、顺利掘进,通过分析常规破岩机制和盾构破岩机制,最终选择了尖锐划割挤压破碎机制。通过对盾构设备进行改进、设定盾构推进参数、掘进管理及其他辅助技术的改革,解决了用盾构刀盘、刀具连续破碎漂石、孤石等技术难题。通过对进度、刀盘刀具磨损情况等推进情况进行分析,并对盾构刀盘刀具的磨损情况等进行仿真验证,可知撕裂刀在解决漂石破碎、孤石等起了重要作用,最后对盾构设备及刀盘刀具的优化等提出了建议。     

铣刨机刀具断裂原因分析与预防

针对铣刨机刀具在实际施工中产生的刀具断裂问题,通过观察铣刨机刀具在使用过程中发生磨损和断裂失效的形貌,测试实体取样刀具的冲击功、硬度、金相组织,分析其磨损和断裂的原因,并提出提高耐磨性和防止断裂的措施,为提高铣刨机刀具的使用寿命提供了理论依据     

泥水盾构泥浆管路磨损与减振处理技术

为了解决泥水盾构在大粒径卵砾石地层中掘进时,泥浆循环管路出现异常磨损和剧烈振动的问题,以兰州地铁某标段泥水盾构施工为工程背景,对泥浆管路磨损和振动原因进行了分析,并通过对排浆管采用偏心加厚设计、结合面整体铸造、冲刷面增加耐磨环、内壁浇筑高铬钼抗磨合金钢内衬以及管道连接处增加减震喉等方式对泥浆管路进行了改进,有效提高了泥浆管路的耐磨性能,降低了振动。     

稳定土拌和机刀具的开发与应用

本文以稳定土拌和机在施工过程中最易损坏和消耗最多的拌和刀具为主,对其磨损机理,失效形式以及国产拌和刀的研究试验使用情况作了简要介绍。     

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。     

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。     

刮刀及撕裂刀磨损实时监测系统

为降低人工检修的风险,提高施工效率,辅助盾构操作司机判断是否需要更换刀具,对刮刀磨损量的可视化管理系统进行研发。通过对电阻排式的磨损传感器进行研究,介绍传感器如何很好地将信号传至接收仪器并在上位机实时显示,并对刮刀及撕裂刀磨损实时监测系统进行详细阐述。将此套系统应用于北京新机场线地铁项目,结果表明： 磨损传感器精确度较高,通用性较强,磨损量可实时在上位机界面上显示,提高了盾构施工的效率。