盾构刀盘力学参数预测分析及运用研究

盾构刀盘力学参数预测可提高刀盘计算校核精度，也可为盾构施工参数调节提供技术支持。结合中铁工程服务有限公司开发的盾构云平台，应用深圳地铁14号线某区间左线掘进数据，基于理论分析提炼影响盾构工程中推力及转矩的工程参数，并通过灰色关联度分析方法计算相关参数与推力、转矩之间的关联度。采用BP神经网络，建立以地层参数、刀盘参数和掘进参数为输入，盾构推力和刀盘转矩为输出的预测模型，并利用盾构云数据完成模型的训练及优化。基于刀盘力学分析流程，结合载荷预测模型和刀盘设计参数化建模系统，建立盾构刀盘参数预测和力学分析功能集成平台，以实现刀盘设计仿真分析的自动化。     

隧道掘进机(TBM)刀盘转速的讨论

全断面隧道掘进机是集掘进、排渣装运、衬砌施作等工序于一体的大型隧道施工装备，掘进时依靠刀盘旋转切削岩石与土体，并靠千斤顶向前推进。掘进机切削机构的主要工作参数有刀盘转矩、转速及推力，其中刀盘转速是掘进机设计的重要参数，本文从刀盘破岩、排渣及机械设计等方面对其进行讨论。     

长大煤矿斜井TBM刀具磨损影响因素与规律研究

TBM刀具的磨损是影响TBM施工效率的重要因素。以TBM掘进中的围岩磨蚀性、围岩强度、刀盘转矩和刀盘转速为研究对象,研究了长大煤矿斜井施工过程中TBM刀具磨损的影响因素和规律。依托国内首条TBM施工的神华神东补连塔煤矿斜井工程,通过对掘进过程中现场数据的实时监测,获取了刀具单周磨损量、围岩磨蚀性、围岩强度、刀盘转矩和刀盘转速等技术指标。研究结果表明,在其他因素参数一样的条件下,TBM刀具的单周磨损量与围岩的磨蚀性CAI值、强度基本呈线性关系。刀具的单周磨损量随围岩强度和磨蚀性的增大而增大。而当刀盘扭矩和刀盘转速增大时,刀具的单周磨损量先增大后减小。     

内螺旋刀翼PDC钻头研究

针对自掩埋钻井新方法需要内排屑的问题,采用螺旋刀翼、内锥面、中心腔体等结构设计内螺旋刀翼PDC钻头,研究刀翼螺旋升角的变化规律,分析岩屑在刀翼刃部和刀翼面上的受力,建立岩屑推动力与刀翼螺旋升角的关系,优化刀翼螺旋升角,并进行台架实验。结果表明:内螺旋刀翼PDC钻头刀翼螺旋升角的理想设计范围为9°~52°,考虑加工和排屑通道大小等影响因素,其合理的设计范围为26°~52°,研制的钻头能迫使岩屑向其中心运移,并实现岩屑的良好流动,满足内排屑要求。     

除雪车螺旋集雪器结构与性能研究

在建立除雪作业效率、功耗数学方程的基础上,分析以装载机为牵引主机的多功能除雪机专用浮雪清除属具—螺旋集雪器的结构参数及其对除雪作业性能的影响;在此基础上,建立以功耗最小和除雪作业效率最高为目标函数的数学模型,优化分析螺旋集雪器的结构参数;经结构参数优化的集雪器除雪作业效率显著提高。     

某地铁隧道施工盾构刀盘结构分析

对某盾构刀盘结构进行分析,获得了刀盘在不同工况条件下的荷载,并基于ANSYS有限元分析刀盘应力与位移,优化调整刀盘尺寸。优化后刀盘最大应力降低了23.4%～27.1%,最大位移降低了8%～15.3%,使用寿命与疲劳安全系数显著增大,且疲劳安全系数随荷载变化幅度增大而降低的速率显著变缓,为盾构刀盘结构优化分析提供了参考依据。     

基于ABAQUS的TBM刀盘溜碴过程仿真

溜碴性能是影响大直径硬岩隧道掘进装备(TBM)施工效率的关键之一。本文首先从理论上分析了单个石碴在TBM刀盘上的溜动过程,再基于ABAQUS二次开发建立参数化的数值仿真模型,将数值仿真结果和理论分析进行对比验证,最后对不同溜碴板角度、刀盘转速等参数下的溜碴过程进行了数值模拟,为TBM刀盘溜碴结构的优化设计提供了依据。     

盾构下穿高速公路排水板施工关键技术研究

文中以宁波轨道交通5号线工程为例,针对盾构机的刀盘及螺旋机进行了适应性分析,介绍了一种盾构穿越高速公路路基施工的关键技术。该工程施工前期通过排水板破除试验指导现有盾构刀盘针对性改造,同时对穿越排水板过程中盾构装备参数及施工掘进参数进行优化,实际工程效果表明增设加高利刃撕裂刀和可伸缩超挖刀使得排水板切割效果更显著。工程成为我国首例复杂工况下盾构全断面穿越路基排水板施工的成功案例,为今后类似的盾构切削高速公路排水板施工提供宝贵经验。     

均质地层中土压平衡盾构施工刀盘切削扭矩分析

在盾构的掘削过程中,刀盘切削矩是一个重要的施工参数,它不仅决定着施工的难易程度,而且还影响着盾构顶进推力、推进速度、刀盘转速、驱动功率等参数。应用数学和力学方法,从土压平衡盾构刀盘的切削工作机理入手,研究刀盘扭矩的计算方法及其影响因素;随后,开展了土压平衡盾构的掘削模型试验,研究在不同埋深、不同刀盘开口率、不同转速以及不同推进速度时刀盘扭矩的变化规律,对前述理论研究成果加以验证,并取得了较为满意的结果。     

隧道掘进机盘形滚刀的工作原理分析

基于文献分析和工程实践,论述了隧道掘进机盘形滚刀的受力特征和破岩机理,在此基础上分析了布刀方式、刀间距的确定原则及方法,最后给出了刀盘转矩的简化计算方法,并以算例进行了说明。     

EPB盾构掘进机关键参数设计计算与软件实现

土压平衡(EPB)盾构掘进机是目前国际、国内隧道施工的主力机型,为满足复杂的设计要求和工程施工要求,需要对其关键参数进行计算,其中盾构的外载荷、刀盘转矩、盾体推力和主驱动功率等是土压平衡盾构的主要关键参数,对土压平衡盾构的设计、选型和控制方法的选择有着重要的指导意义。对上述参数进行了分析计算,并基于C++Builder开发了土压平衡盾构掘进机关键参数设计计算软件。最后通过实例检验,表明该软件计算精确,效率高,能够保证盾构性能可靠,满足施工要求。     

复杂岩石地层盾构掘进效能影响因素分析

基于现场掘进试验和岩石点荷载强度试验,对泥岩、砂岩交互地层条件下泥水盾构的掘进效能及其影响因素进行研究.利用现场采集的数据,运用回归分析的方法,主要分析盾构掘进效能与岩石强度、刀盘推力及刀盘扭矩的关系.研究成果表明,岩石强度越高,刀盘每转切深和掘进速率就越低,二者呈幂函数曲线关系;随着刀盘推力的增大,切深呈幂函数关系增加;而随着刀盘切深的增加,刀盘扭矩则呈线性增加.对比两种地层的掘进特性,相对而言,泥岩地层掘进效能较高,但需要较大的扭矩,而在砂岩地层掘进需要较大的推力才能获得理想的掘进效能.     

用于复杂地层的φ4.65m复合盾构掘进机

该文详细介绍准4.65m复合盾构掘进机的构造和主要技术参数,并着重介绍了刀盘系统、推进系统、螺旋输送机、管片拼装机、液压系统、集中润滑系统、加泥系统、盾尾系统、车架系统等的构造、功能和特点。最后,针对深圳水库截排工程水库隧道地质条件复杂、隧道同一断面土质软硬变化很大的情况,应用复合盾构以面板式刀盘、混合型布刀进行施工,取得了成功。可供类似地质条件盾构掘进机设计与施工借鉴。     

复杂地层土压平衡盾构推力和刀盘扭矩计算研究

千斤顶推力、刀盘扭矩是盾构设计制造及掘进的重要控制参数。通过对盾构推进过程中盾构与围岩相互作用规律的分析,系统分析了土压平衡盾构总推力、刀盘扭矩的影响因素。提出了考虑刀盘挤土效应及土舱内压力分布模式影响的推力计算修正公式,及综合考虑了刀盘挤土效应与开挖面土体渗透性的刀盘扭矩计算修正公式。通过对深圳地铁二号线香香区间掘进载荷实测数据的分析,对修正公式在复杂地质条件下的适应性进行了验证。该修正公式对复杂地层中土压平衡盾构掘进载荷的确定有一定的指导意义,可用于盾构刀盘装备扭矩设计和施工参数的预测。     

基于长短时记忆网络的盾构机刀盘扭矩实时预测

盾构机是土质隧道开挖的优质工程机械,被广泛应用在地铁建设。刀盘扭矩是保证盾构正常推进的关键参数,能被精确实时预测对预防灾难事故、确保施工正常推进具有极高的指导意义。针对现有扭矩预测多为计算平均值的问题,提出一种基于长短时记忆(Long-Short Term Memory,LSTM)网络的扭矩实时预测模型。首先通过分析盾构机状态参数与扭矩的相关性,选择一组关键状态参数,降低输入维度;然后建立LSTM扭矩预测模型;最后利用该模型在归一化后的实际数据集上进行验证并与BP网络模型对比。试验结果表明,该模型在测试集上均方差为0.002 81,平均绝对误差为0.036 7,均优于BP网络;该模型具有良好的预测能力与泛化性能,能够很好地拟合关键状态参数与刀盘扭矩之间的非线性关系。     

土压平衡盾构在砂卵石地层长距离穿越河流施工关键技术

从盾构机的改造,浆液配比试验,渣土改良等几个方面论述了土压平衡盾构隧道长距离穿越砂卵石地层并穿越河流的施工技术。在试掘进阶段对盾构掘进主要控制参数包括推进速度、刀盘推力、土仓压力、刀盘扭矩、刀盘转速、注浆参数等进行了调整。在掘进过程中严格按照试掘进阶段的参数执行。实施效果表明,完全达到了刀盘刀具的耐磨性要求,保证了盾构机在砂卵石地层中长距离穿越河流的安全。     

高强度围岩隧洞TBM刀具磨损规律研究

刀具磨损是影响TBM掘进效率的重要因素,该文以北疆供水二期工程XEVIII标段隧洞为依托,开展高强度围岩条件下刀具磨损规律研究。该标段已掘进段围岩强度最大为160MPa,平均为120MPa。根据掘进过程中的刀具磨损统计资料,分析不同刀位的刀具磨损值、围岩强度和掘进参数对刀具磨损的影响以及不同掘进参数对刀具磨损的敏感度,结果表明：中心滚刀和正面滚刀的累计磨损量随安装半径增大呈指数式增长,边缘滚刀累计磨损量受安装角度影响,随安装半径增大先增大后减小;边缘滚刀的单刀磨损量最大,正面滚刀次之,中心滚刀最小;随着围岩强度提高,中心滚刀和正面滚刀每延米磨损量呈指数型增长,边缘滚刀每延米磨损量呈二次函数型增长,所有刀具每延米累计磨损量呈线性增长;围岩强度不变时,随着刀盘转速、刀盘扭矩、推力、贯入度增大,刀具每延米磨损量均呈二次函数型变化,先增大后减小,随着掘进速度增大,刀具每延米磨损量呈二次函数型变化,先减小后增大;刀具磨损对刀盘扭矩和推力最为敏感,为减小磨损,建议施工中将刀盘扭矩控制在1100～1300kN·m或2100～2400kN·m,将推力控制在9000～11000kN或15000～16000kN。     

轮式装载机脚制动系设计

轮式装载机脚制动系基本都采用气顶油，钳盘式制动器，本文介绍了轮式装载机脚制动系的工作原理，分析了钳盘式制动器的制动力矩与整机制动所需制动力矩和整机能够产生的制动力矩之间的关系，确定了最佳制动工况下，选择制动系数和结构的方法。     

砂性土层盾构掘进面前土体改良现场试验

针对土压平衡盾构在砂性土层掘进时常面临的闭塞、喷涌、刀具严重磨损、掘进速度过慢及刀盘扭矩过大等难题,依托上海某盾构在高含砂率砂性土层中掘进的工程实例,在盾构掘进面前方掺加肥皂水、泡沫剂进行现场试验,通过试验前后盾构施工参数的反馈分析结果,确定出土体改良最佳方案。将试验成果应用于相似地层,通过长距离改良前后掘进速度、刀盘扭矩以及刀具磨损变化来检验试验成果。研究结果表明:肥皂水改良效果不明显,泡沫剂改良效果优于肥皂水,适量浓度泡沫剂能大幅度提高掘进速度、降低刀盘扭矩和减少刀具损耗。     

天津地铁北站北-铁东路站区间盾构机选型研究

针对天津市地铁二期工程3号线北站北-铁东路站盾构区间的工程地质情况和施工条件,就其盾构机的选型进行了分析。在分析中,对盾构机的刀盘、刀具的形式以及布置等进行了阐述,同时时推力、刀盘驱动扭矩、主驱动功率、推进系统功率、螺旋输送机出土能力以及注浆能力等关键参数进行了计算。最终确定选择加泥式土压平衡盾构。实践证明该盾构机选型是合理的。