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。     

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。     

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。     

提高盾构刀具耐磨性能的研究

通过对盾构机的盘刀和刮刀失效形式的调查,分析了目前盾构刀具的主要失效形式,以及产生这些失效的原因,为提高盾构刀具耐磨性能的研究提供了依据。结合盾构刀具的工作原理,盾构刀具的使用现状,并对盾构刀具的磨损形式和磨损机理进行了分析研究,提出了提高盾构刀具耐磨性能的几点建议。     

长距离硬岩地层盾构施工关键技术研究

深圳地铁5号线布吉-百鸽笼区间隧道所处地层以硬岩为主,区间采用盾构法施工。对盾构长距离穿越硬岩地层时所遇到的技术难题进行研究,通过合理地配置刀具,选择适宜的掘进模式、掘进参数以及同步注浆参数,同时加强刀具的处理措施,顺利解决了盾构施工时刀具磨损严重,管片错台等问题。     

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。     

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。     

提高土压式盾构在砂砾石地层中掘进刀具耐用性的对策

该文结合北京地铁10号线11标总长度约2.8km的区间隧道工程的土质条件,从刀盘形式、刀具布置、加泥材料及施工措施等方面,阐述了在砂砾地层中提高土压平衡盾构掘进机的刀盘切削刀具耐用性的一些有效对策,为盾构选型和类似工程施工提供参考。     

极硬岩层条件下盾构推进参数的优化

深圳地铁5号线长龙站—百鸽笼站区间隧道洞身部分位于全断面高强度微风化角岩地层,采用盾构法施工。文中对盾构穿越极硬岩地层时所遇到的施工技术难题进行分析,通过优化掘进参数与合理配置刀具,顺利解决了盾构在极硬岩层条件下掘进施工时由于推进参数和刀具设置不合理,造成的刀具磨损严重、换刀频繁、推进速度缓慢等影响施工进度的问题。     

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。     

沈阳地铁过河隧道盾构施工技术

沈阳市地铁二号线北起北陵北部，终点在浑南新区的21世纪大厦前的世纪广场，线路正线全长19.245km。五里河—奥体中心站区间下穿500m宽的浑河河道，根据隧道穿越地层的地质条件和水文条件，介绍了过河区间隧道盾构的选型、刀盘型式、刀具布置、刀盘开口形式、岩石破碎机、盾构的工作模式等主要设计特点与性能，同时论述了在施工过程中拟采取的开挖面稳定措施、泥水处理系统布置思路、换刀措施、联络通道施工思路、盾构施工接口、端头地层加固设计等。     

北京铁路地下直径线泥水盾构刀盘、刀具适应性分析

结合北京站至北京西站铁路地下直径线工程实例,通过不同盾构刀盘刀具配置在砂卵石下的应用对比,重点对本工程刀盘刀具改造前后对地层的适应性进行详细研究,总结分析出:1)对致密的砂卵石地层的刀盘刀具配置采用盘形滚刀是必要的,并应根据卵石粒径、密实程度尽量加大滚刀尺寸,加大1和2层刀高差,以提高切削贯入度,提高掘削效率;2)通过滚刀、撕裂刀、切刀等长短刀具的合理配置,可以实现对砂卵石地层的有效切削;3)切刀形式由原来螺栓连接方式优化为销轴连接方式,可以有效防止切刀在掘进过程中的掉落等主要成果。最终解决了砂卵石条件下刀盘刀具配置应注意的关键问题,保证了工程的顺利进行,对类似工程有借鉴作用。     

厦门轨道交通2号线跨海段盾构滚刀磨损与更换预测

对盾构法施工跨海隧道,有效降低由于滚刀磨损所带来的作业风险并有计划地进行滚刀更换十分重要,针对厦门轨道交通2号线跨海段地质条件,基于理论预测模型和实验预测模型对几类岩石条件下滚刀的换刀距离进行了预测。通过分析刀具更换工法的适应性,提出对厦门轨道交通2号线跨海段换刀位置与换刀工法的建议： 1）淤泥段采用切削类刀具,换刀方式采用常压开舱换刀,换刀位置在1#联络通道附近; 2）全强风化低压段采用盘形滚刀,换刀方式以带压进舱换刀为主,在该掘进段需要换刀4次,其中第3次在大兔屿1#中间风井处更换,其余3次均在海底更换; 3）全强风化高压段采用盘形滚刀,在该掘进段需要换刀4次,换刀方式以饱和气体带压进舱换刀为主; 4）中微风化硬岩段采用盘形滚刀,在该掘进段需要换刀3次,换刀方式以减压限排换刀为主。     

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。     

海底复杂地层超大直径盾构刀盘设计与优化

为解决海底复杂地层超大直径盾构刀盘设计中面临的刀间距布置、刀盘结构分析、刀盘功能优化等难题,基于某海湾隧道工程地质、水文特点,对盾构穿越海域段全断面软土层、孤石侵入的软土地层、基岩突起地层等工况开展分析。首先,开展室内不同刀间距破岩实验确定中心区域间距并提出刀盘刀具的总体布置方案;其次,采用数值计算对刀盘结构进行静力学和模态分析,结构的最大应力为190 MPa,最大变形为6.2 mm,前6阶频率为26.6~42.9 Hz,固有频率避开了工作频率;最后,考虑工程特点进行集中控制分布式冲刷系统、刀具运行状态监测及耐磨保护措施的刀盘功能优化。工程应用表明,刀盘结构强度、刚度满足要求,刀间距设计合理,刀盘优化措施提升了盾构在淤泥及海底软硬不均地层的适应性,可为类似海底复杂地层盾构选型及设计提供一定的参考。     

南昌地铁泥水盾构穿越赣江浅覆盖透水层施工关键技术研究

结合南昌市轨道交通1号线一期工程秋水广场站—中山西路站区间隧道工程,对泥水盾构穿越赣江浅覆盖透水层时易出现的掌子面失稳、刀盘结泥饼、掘进姿态难控制等工程难题展开针对性研究。首先,从泥浆参数选择、切口水压计算、掘进控制技术3个方面对开挖面稳定控制技术进行分析;其次,在统计分析刀盘结泥饼现象及原因的基础上,提出严控泥浆指标等针对性的防控措施;最后,对NFM-07、S367这2台泥水盾构掘进前100环(第165~265环)的掘进参数进行统计分析,进而得出了泥水盾构在浅覆盖透水层掘进时的盾构主要控制参数,以期为类似工程施工提供参考。