水射流辅助机械滚刀破岩试验研究

为解决极端软硬不均、极硬岩（硬度超过180 MPa）等复杂地质条件下，隧道掘进机破岩过程中刀具破岩效率低及“啃不动”的问题，采用滚刀岩机作用综合试验台，搭载高压水射流装置，采用不同的水射流参数及掘进参数对花岗岩试样开展破岩试验，研究不同条件下水射流辅助机械滚刀破岩对掘进参数及效率的影响。通过试验获得水射流破岩合理的靶距与压力，探明水射流与机械滚刀交叉轨迹复合破岩、同轨迹复合破岩相对于纯机械滚刀破岩刀盘推力、转矩及破岩效能的变化特性。     

镶齿滚刀破岩机理及效率的旋转破岩试验

随着隧道工程建设的不断增多,镶齿滚刀已被广泛应用于多种开挖机械,如隧道掘进机、反井钻机、采掘机等,不同破岩参数下镶齿滚刀的破岩机理及破岩效率研究,对提高机械掘进效率、降低施工成本有重要意义。应用北京工业大学自主研制的多功能机械破岩试验平台,选用直径304.8 mm（12英寸）的镶齿滚刀对尺寸为1 000 mm×1 000 mm×600 mm的北山花岗岩进行旋转切割破岩试验研究。通过对排齿及整刀进行不同贯入度的旋转切割试验,并应用荧光裂纹检测法对侵入坑下方裂纹进行检测,研究镶齿滚刀的破岩规律。结果表明：①镶齿滚刀为"递进式"破岩,破岩开始于相邻小齿间距的球齿之间,而后发展到相邻的大排间距的球齿之间;②第3排球齿破岩效率最高,且整刀在贯入度为1.5 mm时破岩效率最高;③应用荧光裂纹检测法分析滚刀下方岩体裂纹分布特征,发现每排球齿下的裂纹扩展方向及范围存在较大差异。裂纹分布特征分析结果与通过滚刀力、岩片分析得出的镶齿滚刀破岩效率的结论相一致。该研究可为机械开挖设备滚刀布置、刀型优化及施工运行参数优化提供试验参考和理论依据。     

基于线性切割试验碴片分析的滚刀破岩效率研究

为了研究碴片形状与TBM破岩效率之间的关系,应用机械破岩试验平台对北山花岗岩进行线性切割试验。通过对试验所形成的碴片进行粗糙度指数、扁平度以及长轴分析,发现不同滚刀间距及贯入度下所形成的碴片有很好的规律。TBM破岩效率越高,所形成的碴片大岩块的长轴更长,粗糙度指数更大,同时碴片也更加扁平。将粗糙度指数与比能进行回归分析,二者具有很好的线性关系。对于北山花岗岩,当刀间距与贯入度的比值为40左右时,TBM破岩效率最高。因此,碴片分析对评价TBM的破岩效率和优化施工具有重要意义。     

不同贯入度下铁路隧道TBM盘形滚刀的破岩效率分析

针对大瑞铁路高黎贡山隧道工程特定岩性条件，运用显示动力学理论和岩体破碎准则，建立了滚刀破岩数值模型，并对不同贯入度下滚刀破岩效率进行了分析。结果表明:随着滚刀贯入度的增大，两把滚刀底部岩体等效塑性应变区域逐渐贯通，沟槽深度不断加大，同时岩脊宽度逐渐减小；各贯入度下切向力时程曲线均呈现正向波动特性；滚刀平均切向力和破岩体积随滚刀贯入度的增加呈现非线性递增关系；破岩比能耗随着滚刀贯入度的增加先减小后增大，并存在一个最优贯入度数值使得比能耗最小。     

基于三维离散元的滚刀破岩机理研究

为研究滚刀破岩机理,借助CAD建模技术,高效精确地生成了盘形滚刀模型,采用三维颗粒流方法模拟盘形滚刀破岩过程,分析了盘形滚刀破岩机理。研究结果表明,随着刀盘贯入度的增加,裂纹数量呈跳跃式快速增加,且主要集中在滚刀刀刃两侧2 cm范围内,沿滚刀运动迹线发展。剪裂纹数量略大于拉裂纹,但总体相当,岩石表现出拉伸-剪切综合破坏模式。随着滚刀侵入岩体,法向推力、切向滚动力和侧向力均波动剧烈,但法向推力变化范围不随贯入度变化,切向滚动力和侧向力波动范围则随着贯入度的增加而增加。     

隧道掘进机滚刀岩机作用实验台的研制

为了观测滚刀破岩的全过程和监测岩石的微破裂,研制隧道掘进机滚刀岩机作用实验台,对立式和卧式2种实验台研制方案进行总结并作出对比选择,对实验台组成、主要构造及安装调试过程进行详细阐述。归纳出实验台可开展的实验项目如下： 1）盘形滚刀受力预测公式的研究; 2）探寻滚刀作用在不同岩石类型的最优破岩刀间距; 3）研究滚刀压力、贯入度及刀间距等关系曲线。结合国家973课题开展相关实验研究,实验结果表明该实验台的应用性、先进性和科学性,实验台的成功研制为滚刀高效破岩机制研究提供公共开放的实验研究平台。      

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。     

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。     

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。     

硬岩地层盾构机掘进技术探讨

盾构施工工法因其地表占地小、不影响地面交通、对周边环境影响小等优点,成为城市地铁施工的首选方法。盾构机的设计比较适合软岩施工,但是城市地下环境极为复杂,软硬岩交错,盾构机不可避免的在硬岩地层施工。通过借助现场施工实例,对施工数据进行分析研究及经验总结,摸索出一套盾构在硬岩地层的掘进施工技术,并在实际工程中取得了良好的效果:刀具损坏现象明显减少,施工成本有效降低,施工效率明显提高,为今后类似工程提供借鉴、参考。     

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。     

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。     

海底隧道基岩突起段地层典型滚刀破岩实验研究

为制定高强度花岗岩基岩突起地层的盾构掘进方案,在汕头海湾隧道现场取回花岗岩岩样,测试出CAI值及元素成分,进行滚刀破岩实验,对比分析相同工况下48.26 cm（19英寸）2种典型盘形滚刀（镶齿和一般平刃）的破岩效果,研究48.26 cm（19英寸）一般平刃在不同推力和刀间距下的掘进参数变化情况。实验结果表明： 1）工程现场的花岗岩岩样Si元素平均含量为37.35%,CAI值为3.56~3.91,为高磨蚀性岩石; 2）相同工况下,一般平刃滚刀具有更高的掘进效率; 3）单把滚刀总推力为300 kN时,掘进速度为4.1 mm/min。     

富水卵漂石地层盾构滚刀磨损规律及寿命预测分析

为探究成都富水卵漂石地层盾构滚刀磨损规律及寿命特性,以成都地铁17号线凤温区间和明一区间第1次查换刀情况为研究对象,首先对两区间不同开口率刀盘的滚刀磨损形式和磨耗系数进行对比,之后采用基于现场实测数据的滚刀寿命预测模型对查换刀距离进行预测,最后通过第2次换刀对预测效果进行验证。研究结果表明： 1)富水卵漂石地层滚刀磨损形式主要表现为尖状磨损和偏磨磨损,偏磨滚刀主要分布于刀盘边缘及中心区域; 2)滚刀磨耗系数与安装位置半径关系曲线大致呈U形分布,中心滚刀和边缘滚刀的磨耗系数较大,正面滚刀的磨耗系数较小; 3)刀盘开口率是影响滚刀磨耗系数和偏磨概率的重要因素。