掘进机刀具的地质适应性分析及选型

结合岩石强度理论和岩石损伤破坏机理,分析刀具切削破岩机理,基于刀具与岩土相互作用的受力情况,分析刀具适用的地质条件,进而对掘进机刀盘刀具进行选型布置,为掘进机刀盘设计提供理论参考。     

复合岩体的TBM破岩机理数值模拟

为了指导TBM刀盘刀具的研制和不同地质条件下刀盘刀具的选型,TBM破岩机理的研究成为核心。在TBM滚刀的作用下,岩体中裂纹的生成、扩展和连接规律是深刻理解TBM破岩机理的前提,因此,TBM滚刀破岩机理的研究具有重要的工程应用价值。目前,TBM滚刀破岩机理的研究主要集中在单一岩体中,但在TBM施工过程中会遇到各种复杂的地质条件。笔者采用离散元方法,研究了复合岩体的破岩机理,复合岩体中岩片的形成不同于单一岩体,其裂纹的最终连接是由起裂于复合岩体交界面上的微裂纹的扩展,将两滚刀之间的赫兹裂纹连接,最终形成岩片。因此,在一定情况下复合岩体更有利于TBM隧道施工。     

不同围压及切削顺序对TBM刀具破岩机理的影响

在综合考虑围压及刀具切削顺序的前提下,利用二维离散单元法建立双把TBM刀具切削节理不发育岩石的仿真模型,模拟出岩石裂纹的生产与扩展全过程。根据获得的裂纹扩展形态以及破碎块形成规则,总结归纳出四种典型破碎模式,并从刀具破岩效率、岩石裂纹扩展能力以及岩石破碎块度三个方面对刀具破岩机理进行进一步研究。仿真结果表明:随着围压的增加,刀具的破岩效率与裂纹扩展能力降低;同时加载方式下破岩效率比先后加载方式要大,而裂纹扩展能力则刚好相反;岩石破碎块度与破碎模式有关。     

高强度花岗岩地层中支护结构施工技术优化与应用

在超厚硬岩地质条件下,采用冲击桩机成槽、成孔时,经常会出现桩锤破岩能力低、锤齿磨耗严重等问题。以东莞市城市快速轨道交通线网控制中心综合体工程基坑工程为例,分析了在超厚硬岩地质条件下的施工难点,并提出相应对策,即通过选用高强度合金钢锤齿、对超厚硬岩进行控制爆破以及格构柱立柱桩采用"大桩变小桩、角钢改钢管"等综合施工技术,解决了成槽、成孔效率低,施工成本高的难题。该技术可为同类地质条件下支护结构施工提供借鉴。     

TB880E型全断面岩石掘进机刀盘刀具改进

岩石掘进机利用安装于刀盘上的盘型滚刀挤压切割围岩来实现破岩,在破岩过程刀圈磨损后破岩效率降低,有时还会遭到异常损坏,为此必须经常根据磨损程度更换刀圈,然而刀圈无法在TBM上更换,只能将整刀拆除后在车间内解体、更换刀圈并维护。频繁的换刀很大程度上将会减少TBM有效工作时间,直接影响TBM的生产率和经济效益。TB880E型全断面岩石掘进机在南疆吐库二线铁路中天山隧道花岗岩段掘进时因刀具损伤频繁,造成掘进严重受阻,施工成本急剧增加,本文论述了刀盘刀具在不良地质条件下的改良方案,实施效果良好,可为相关工程提供借鉴。     

土压平衡盾构刀盘的地质适应性设计

刀盘作为盾构最为主要的工作部件,在盾构掘进过程中起开挖地层,破岩,稳定掌子面和流动碴土等作用,刀盘的结构及刀具布置与工程地质条件有着密切的关系,不同地层应采用不同的刀盘结构和刀具类型,合适的刀盘设计是盾构施工安全的关键,是施工进度的保证,是经济效益的体现。下文以南京、长春、广州地区地铁施工为例,进一步阐述土压平衡盾构刀盘的地质适应性设计。     

基于协同破岩的TBM刀盘优化策略

岩石隧道掘进机工作时的刀具受力情况是影响刀盘破岩性能的关键。为了分析滚刀之间的协同破岩效应,提出3种基本的协同破岩模式,并将多把滚刀协同破岩过程等效为3种破岩模式的组合。不同破岩模式下,滚刀切割岩石的先后顺序不同,结合线性切割试验,证实了不同模式下3种滚刀力等级的大小关系。以引汉济渭岭北隧洞TBM工程为背景,研究得出名义磨损量与破岩模式的叠加效应具有较强的相关性,其中,由内而外模式占比与滚刀名义磨损量具有明显的正相关性,据此提出了考虑刀具磨损量的TBM刀盘刀具优化策略。     

不同围压条件下TBM刀具破岩模式的数值研究

为了研究不同围压条件下TBM刀具在掘进施工过程中的破岩机理,基于2-D离散单元法,利用UDEC仿真软件建立了双把TBM刀具侵入岩石的仿真模型。在此基础上设计了一组数值试验,成功地模拟出了不同围压条件以及不同刀间距下岩石裂纹生成,扩展和岩石破碎的全过程。仿真结果表明：TBM刀具作用下岩石存在四种基本的破碎模式,它们的出现与围压以及刀间距有关;破碎模式对刀具的破岩效率,岩石破碎块度均有影响;随着围压的增加,最优刀间距增大,但围压超过一定值后,最优刀间距反而减小。     

石英砂颗粒冲击破岩数值模拟与影响因素分析

针对复杂地质条件下使用石英砂颗粒破岩并对影响其破岩效率的多种因素进行了流场分析。通过建立喷嘴冲击灰岩的有限元模型,进行了流体介质冲击灰岩壁面的非定常射流分析,研究了入口排量、孔距、喷射角和颗粒直径对破岩效率的影响规律。结果表明,破岩后形成的流道呈扇形放射状分布,进口小,出口大。出口流速在轴向方向呈递减变化,径向方向呈“凹型”分布,流速先增加后减小至零;喷射角或喷嘴直径增大,破岩面积增加,破岩深度减小,其破岩区域的集中性先增加后减小;孔径比或孔距增大,破岩面积减小,破岩深度增加,破岩区域分散性变大;石英砂颗粒直径增加,冲蚀率先增加后减小,湍流动能持续增加后达到稳定状态。     

旋挖钻机入岩空气冲洗钻进技术

旋挖钻机入岩空气冲洗钻进技术利用牙轮以剪切破岩和冲击破岩为主、破岩效率较高的特点,通过将岩芯钻的破岩截齿更换为牙轮,提高了破岩效率,降低了钻进时钻头旋转摩擦产生的热量,减缓了钻头破岩刀具的磨损.通过引入压缩空气循环系统和对开式沉渣管岩芯钻头,实现了钻头的冷却和不间断排渣钻进.试验表明,旋挖钻机入岩空气冲洗钻进技术提高钻进效率1倍以上,为旋挖钻机入岩钻进开辟了一种新途径.     

复合盾构结合钻爆法在区间隧道中的应用

在复合地层盾构法隧道施工中,经常出现由于基岩面的起伏造成掌子面由局部岩石到全断面岩石的变化。在全断面岩层施工中,复合盾构的破岩掘进效率大幅降低,刀具损耗量增加。因此,在部分区段采用盾构与钻爆法相结合的施工方法提高施工效率。以印度新德里轨道交通工程复合地层区间施工为例,根据地质勘查报告选取部分合适区段进行钻爆法与盾构法施工,并就遇到的问题进行分析,为以后类似的工程提供参考。     

全断面掘进机刀具技术的探讨

本文论述了全断面掘进机刀具类型、适用条件及破岩机理，并以盘形滚刀为例，对影响滚刀性能的主要因素进行了较深入的研究和探讨。最后结合ＴＢ８８０Ｅ的刀具现场使用情况，对其在使用中的一些技术问题进行了初步分析。     

基于多目标支配方案的TBM刀盘布置优化分析

为了提高复杂条件下TBM的地质适应性及刀盘的切削效率,基于全断面掘进机的破岩机理,考虑TBM刀盘间距S、贯入度P等参数对TBM掘进效率的影响,引入模糊隶属度的数学概念来评价S/P值的最优区间,以多设计目标作为优化约束,对国内最早使用TBM的秦岭隧道工程案例采用Pareto最优解进行逼近,验证了刀盘刀具布置优化方法的可行性,理论上可为后继工程实践提供有价值的参考。     

盾构滚刀地质适应性探析

结合工程实例,从盾构滚刀的破岩机理、承载力计算以及换刀强度、盾构直径、掘进效率等方面,提出了滚刀的地质适应性选型方法。通过合理选用滚刀,从而大幅提高盾构掘进的地质适应性、可靠性、安全性和耐久性。     

软硬不均地层盾构滚刀受力特性研究

针对软硬不均地层条件下,盾构刀具异常损坏严重的问题,基于理论分析,结合开展滚刀软硬不均地层破岩机理实验的方法,探索软硬不均地层条件下滚刀受力特性。从刀具受力变化规律入手,以优化刀具受力状态为目标,从定性的角度,指导软硬不均地层条件下盾构刀盘转速、推进速度等参数的选择,以提高刀具使用寿命,减少刀具因受力冲击而造成的异常损坏。     

高压水射流–机械齿联合破岩数值模拟研究

采用非线性动态有限元法，结合实际工况条件，建立了高压水射流–机械齿联合破岩的数值模型。研究了高压水射流破碎岩石过程，并提出了2个临界压力的概念。计算结果表明，联合破岩的破碎效率约为高压水射流和机械齿分别破岩之和的2倍，射流和齿的间距在13 mm左右最佳。当射流压力足够高时增大转速有利于提高破岩效果；当钻压增加到一定值后，其对破岩效率影响不大；破岩效率与静水压力成反比。     

基于岩碴粒径分布规律的TBM破岩效率分析

岩碴的形状、大小及其粒径分布规律是综合反映TBM破岩效率的重要指标,也是TBM掘进参数与岩石性质的重要联系。根据盘形滚刀破岩机制,对TBM掘进岩碴进行了现场量测和筛分试验,获得了TBM岩碴尺寸特征和粒径分布规律。在此基础上,对实测岩碴尺寸和粒径分布数据进行了统计分析和理论分布函数拟合。分析了粗糙度指数与岩石强度、岩石耐磨性的关系,探讨了不同围岩等级下粗糙度指数随掘进推力的变化规律。研究结果表明:①片状岩碴的长轴与短轴之比约为1.5,而长轴与厚度之比则差别较大,其长轴、短轴和厚度均服从正态分布;②不同岩性条件下岩碴粒径分布均符合Rosin–Rammler函数分布;③岩碴粗糙度指数越大,TBM破岩效率越高;硬岩条件下岩碴粗糙度指数随单轴饱和抗压强度增大而减小,而中硬—软岩条件下则相反;④无论是软岩还是硬岩,岩碴粗糙度指数随岩石耐磨性增大而减小,岩石耐磨性越强,TBM破岩效率越低;⑤TBM破岩效率与围岩等级密切相关,可根据现场实测岩碴粒径分布规律,确定Ⅱ级和Ⅲ级围岩条件下TBM破岩效率最佳时的掘进推力区间。     

江苏某重型机械公司建设项目桩基础方案分析

通过对江苏某重型机械公司地质情况分析,重点以窑磨结构车间厂房可选用的预应力管桩、嵌岩灌注桩基方案为对象,进行技术、经济性比较,以确定合理的桩基方案及合适的嵌岩深度。     

掘进机盘形窄刃滚刀

隧洞掘进机盘形滚刀是影响掘进效率与成本的关键零件。施工实际要求针对不同的破岩对象不断改进滚刀形状。本文根据盘形窄刃滚刀的多次试验室试验和具有一定批量的工业性试验,对反复验证的破岩规律加以简单总结,试图为今后继续进行大批量工业性生产试验积累经验。一、窄刃滚刀破岩理论根据我们多年对刀具破岩过程的试验研     

TBM滚刀破碎节理岩体效率分析及刀间距优化方法研究

在全断面隧道掘进机(TBM)开挖隧道过程中,常遇到节理岩体.为了研究不同刀间距下的滚刀破岩效率,对刀间距进行优化,对不同节理间距和节理情况岩体开展二维滚刀贯入试验.试验中,节理倾角设为0°、30°、45°、60°、90°,节理间距设为30mm、40mm、50mm、60mm、70mm,滚刀间距S设为60mm、80mm、100mm、120mm.试验结果表明:当节理倾角为60°时,破岩效率最高;随着刀间距的增加,破岩效率逐渐降低;不同节理条件下,刀间距为100mm,滚刀的破岩效率均达到了最优,最佳s/p值约为10.