全断面隧道掘进机刀具异常磨损的识别分析

针对全断面隧道掘进机（TBM）施工过程中刀具过度磨损或异常磨损的识别问题，在分析TBM掘进效率影响因素和进行掘进状况无监督模式识别的基础上，利用现场掘进数据，得到场切深指数fFRI和切割系数C在不同掘进状况下的相互影响规律，据此提出以两者作为TBM刀具异常磨损的二维特征识别参量，确定了此空间中的刀具异常磨损决策阈值。TBM刀具磨损的预测和异常磨损识别方法的确定，对于保障TBM的安全掘进以及提高其利用率和经济性具有重要意义。     

硬岩掘进机盘型滚刀回转破岩仿真研究

硬岩掘进机上盘形滚刀在实际破岩过程中既随刀盘公转,又绕自身轴线自转,是一个复杂的运动过程。滚刀在破岩过程中受到的作用力的计算是进行刀盘设计和推进系统设计的重要依据。针对硬岩掘进机盘型滚刀破岩过程分析和计算的复杂性,应用ABAQUS软件中多体动力学原理建立滚刀组合回转破岩的有限元模型,模型中采用无限元网格施加无反射边界条件,消除模型大小对仿真结果的影响。通过分析计算滚刀破岩中所受的作用力,研究了滚刀回转破岩的刀间距及相位差。仿真结果表明,对于所选用的岩石类型,其最优刀间距为60mm,此时滚刀受到的滚动力最小,破岩质量最大,破岩比能最小;相邻滚刀的最佳相位差为120°,破岩质量最大,比能最小。研究为硬岩掘进机上刀盘刀具的布局研究奠定了基础。     

可视化仿真技术在全断面掘进机研究中的应用

针对全断面掘进机施工环境提出了一种可视化仿真系统整体框架和技术流程,开发具有人机交互功能的全断面掘进机可视化仿真系统。     

基于实例推理的全断面岩石隧道掘进机刀盘主参数设计方法

刀盘主参数设计是全断面岩石隧道掘进机的关键问题,是影响其掘进性能的决定性因素。刀盘破岩机理复杂,刀盘须针对围岩属性进行适应性设计,充分利用先前刀盘设计实例中积累的成功经验和数据至关重要。提出基于实例推理的刀盘主参数设计方法。给出刀盘设计实例的表示方法;根据实例属性特点,给出各种属性的局部相似度计算方法;针对取值为区间数的实例属性,提出一种基于属性值概率分布的区间相似度计算方法;运用组合修改实例的方法获得新刀盘的主参数设计方案。经工程应用实例设计表明,该方法设计结果较好。     

TBM刀盘设计若干关键技术

刀盘设计是全断面岩石隧道掘进机的设计关键,是影响其掘进性能的决定性因素。综述了刀盘设计关键技术的研究进展,重点对盘形滚刀破岩机理、刀盘切削参数、围岩力学属性参数及试验、刀具破岩受力分析模型和施工预测模型、刀盘布局（含刀具布置）等方面进行了较系统的分析和总结。最后讨论了有待深入研究的问题。      

基于CSM模型的硬岩TBM滚刀磨损预测方法

为解决硬岩TBM在掘进时滚刀磨损检测难的问题,以岩石断裂力学为理论基础,深入分析了TBM滚刀的破岩机理,并基于Colorado school of mincs(CSM)模型提出了一种新的滚刀磨损预测方法。通过滚刀与岩石相互作用的力学模型,利用刀盘比能预测了滚刀的磨损。结合秦岭隧道工程实例,对滚刀磨损水平进行了量化研究,预测结果与实际情况相符,从而验证了模型的有效性。     

全断面岩石掘进机智能选型方案生成系统

利用人工智能技术对全断面岩石掘进机进行优化选型，实现掘进机方案设计智能化。针对隧道掘进机选型领域知识的特点，在知识获取中分别应用两种不同的机器学习方法：实例学习和类推学习，形成了一种协同推理模型；采用Microsoft公司的可视化集成开发工具Visual Foxpro6．0在Windows平台上建立了知识库，开发了基于人工神经网络和范例推理系统的功能模块，建造了掘进机智能选型方案生成系统原型；通过案例对该系统进行了验证。将该系统应用在掘进机选型智能决策系统中，可以有效地指导掘进机的设计与选用。     

Fragmentation Energy-Saving Theory of Full Face Rock Tunnel Boring Machine Disc Cutters

Attempts to minimize energy consumption of a tunnel boring machine disc cutter during the process of fragmentation have largely focused on optimizing disc-cutter spacing, as determined by the minimum specific energy required for fragmentation; however, indentation tests showed that rock deforms plastically beneath the cutters. Equations for thrust were developed for both the traditional, popularly employed disc cutter and anew design based on three-dimensional theory. The respective energy consumption for penetration, rolling, and side-slip fragmentations were obtained. A change in disc-cutter fragmentation angles resulted in a change in the nature of the interaction between the cutter and rock, which lowered the specific energy of fragmentation. During actual field excavations to the same penetration length, the combined energy consumption for fragmentation using the newly designed cutters was 15% lower than that when using the traditional design. This paper presents a theory for energy saving in tunnel boring machines. Investigation results showed that the disc cutters designed using this theory were more durable than traditional designs, and effectively lowered the energy consumption.     

全断面岩石掘进机刀具布置设计方法

给出了全断面岩石掘进机的刀具布置设计方法,归纳出刀具布置的技术要求,并给出刀盘上不等刀间距的盘刀破岩量的估算方法。建立了带复杂性能约束的非线性多目标刀具布置优化模型,进而在该模型目标函数及其约束条件的耦合分析和解耦的基础上,给出刀具布置极径与极角计算的分阶段求解策略,并用演化算法进行了求解。以引进的某型号全断面岩石掘进机刀具布置问题为案例进行验证,并与原刀具布置设计方案进行对比,表明了该布置优化模型及其求解方法的可行性和有效性。     

全断面岩石掘进机刀盘结构主参数的优化设计

全断面岩石掘进机(TBM)刀盘是TBM的核心部件,其结构参数设计是其核心技术之一。论述以青海隧道的TBM刀盘结构设计为背景,考虑青海隧道地质岩石边界条件,根据相关的刀盘结构参数设计的复杂工程技术要求,建立了刀盘结构主参数优化设计模型,以刀盘结构强度和刚度为优化目标,采用近似相应面模型建立刀盘结构强度和刚度分析的近似模型,进而采用多目标遗传算法对刀盘主要结构参数进行优化。与原TBM刀盘结构设计方案进行对比表明,本文获取到的刀盘主结构优化设计参数具有更好的刀盘结构刚度和强度,可以改善刀盘主轴承受力状况,延长主轴承寿命和滚刀寿命,可以为工程师在进行刀盘结构设计时提供刀盘的主结构参数,提高刀盘结构的强度和刚度性能。     

隧道掘进机刀群与盘体支撑筋耦合布置设计

刀盘是全断面隧道掘进机(Tunnel boring machine,TBM)的关键部件,TBM刀盘系统设计直接关系掘进效率和可靠性。刀盘系统设计的关键是复杂岩石边界下刀群布置设计与刀盘盘体结构设计,二者相互耦合,相互影响。分析刀群与盘体支撑结构之间空间位置耦合以及支撑结构与刀盘强度刚度之间的非线性耦合关系,建立刀群与盘体支撑结构耦合布置优化模型,提出多子系统协同进化的刀具适应性布置与盘体结构耦合设计方法。以引洮工程为例进行验证,结果表明：支撑筋初始安装角与刀盘强度、刚度之间存在非线性函数关系,多子系统协同进化方法求解出的刀群与支撑筋耦合布置方案的最大等效应力、最大变形量、不平衡力矩、不平衡力、顺次角度等指标相比原方案降低了30%以上,以此证明提出的耦合优化模型及其求解方法的可行性和有效性,可为TBM刀盘系统设计提供一定的借鉴与方法支撑。     

基于多个隧道掘进机工程数据回归分析的滚刀磨损评价方法

为了评价不同隧道工程围岩对隧道掘进机(TBM)滚刀磨损的影响,解决滚刀磨耗难以准确预测的问题,基于北疆供水二期、吉林引松供水、陕西引汉济渭、大瑞铁路高黎贡山、深圳地铁10号线等多个隧道(洞)工程T MB滚刀磨损数据,选取岩石单轴抗压强度、岩石等效石英含量、岩石磨蚀性指标、岩体完整性指标、滚刀破岩体积磨损速率等参数进行数...     

Experimental Study on Wear Behaviors of TBM Disc Cutter Ring in Hard Rock Conditions

ABSTRACT

To improve the wear resistance of disc cutters for tunnel boring machines (TBMs), this study is devoted to investigating the effects of rocks and cutter ring properties on the wear behaviors of disc cutters and the matching characteristics between the cutter ring properties and hard rocks. Cutter–rock wear tests were performed and the results show that the cutter ring properties and rock types significantly affect the cutter ring wear. The mass losses of cutter ring samples sliding against different types of hard rock are different and vary with the cutter ring properties because of the discrepancies in loads, vibrations, rock properties, and transition of the wear mechanisms. Finally, matching characteristics between the cutter ring properties and hard rocks are revealed.     

地下盾构过程中泡沫剂对刀具耐磨性的影响

在介绍目前地下盾构过程中泡沫剂的组成和使用原理的基础上,分析了泡沫剂的特性和作用以及泡沫剂加注系统,并通过模拟实验研究了泡沫剂浓度和工作压力对刀盘刀齿耐磨性的影响,最后介绍了在广州地铁施工现场中实测的泡沫剂使用效果。结果表明:在地下盾构过程中使用一定浓度、压力和流量的泡沫剂可以降低刀盘扭矩,减少刀具磨损,并达到提高掘进和出土效率的目的。     

盾构掘进机异形断面隧道切削机构的奇异性分析

首次选择五杆机构作为盾构掘进机(TBM)异形断面隧道切削机构,较全面地分析了切削机构的奇异性条件,并指出了切削机构的瞬时运动不确定位置,为今后实际工程应用时,提供了理论上的指导.     

一种隧道悬臂式振动掘进机的稳定性分析

通过对隧道臂式掘进机的工作过程和切削头的受力情况进行分析，确定出掘进机容易失稳的工况，然后分别对纵向和横向稳定性进行了分析并给出计算式同时用设计参数验证了稳定性。     

盾构施工中管片简易选取的程序实现

盾构施工要精确控制推进油缸行程 ,合理选取管片 ,使主机最大限度的沿设计轴线DTA前进。在不影响管片合理选取的情况下 ,本文简化了盾尾间隙改变量的计算公式 ,给出了相应的管片的计算预测过程。同时本文将管片预测计算涉及的参数之间的内在联系 ,统一到油缸行程 ,便于精确控制盾构机的推进油缸行程 ,快速计算预选管片。本文经过推导得出的计算公式适用于无铰接油缸盾构 ,可以解决完全楔型管片拼装或者楔型管片与标准管片的组合拼装 ,具有通用性 ,并用VC实现。     

盾构机铰接密封模拟台架的设计及应用

大型盾构机的铰接密封是盾构机的关键功能部件之一。设计盾构机铰接密封模拟台架,并介绍其设计方案及结构。该台架能模拟盾构机铰接密封的实际工况,能完成实际工况下铰接密封的密封性能测试,并可分析影响铰接密封件性能的主要因素,为判别密封产品的质量和开发更好的密封件产品提供数据依据。     

Design theory of full face rock tunnel boring machine transition cutter edge angle and its application

At present, the inner cutters of a full face rock tunnel boring machine (TBM) and transition cutter edge angles are designed on the basis of indentation test or linear grooving test. The inner and outer edge angles of disc cutters are characterized as symmetric to each other with respect to the cutter edge plane. This design has some practical defects, such as severe eccentric wear and tipping, etc. In this paper, the current design theory of disc cutter edge angle is analyzed, and the characteristics of the rock-breaking movement of disc cutters are studied. The researching results show that the rotational motion of disc cutters with the cutterhead gives rise to the difference between the interactions of inner rock and outer rock with the contact area of disc cutters, with shearing and extrusion on the inner rock and attrition on the outer rock. The wear of disc cutters at the contact area is unbalanced, among which the wear in the largest normal stress area is most apparent. Therefore, a three-dimensional model theory of rock breaking and an edge angle design theory of transition disc cutter are proposed to overcome the flaws of the currently used TBM cutter heads, such as short life span, camber wearing, tipping. And a corresponding equation is established. With reference to a specific construction case, the edge angle of the transition disc cutter has been designed based on the theory. The application of TBM in some practical project proves that the theory has obvious advantages in enhancing disc cutter life, decreasing replacement frequency, and making economic benefits. The proposed research provides a theoretical basis for the design of TBM three-dimensional disc cutters whose rock-breaking operation time can be effectively increased.     

隧道掘进机大数据研究进展：数据挖掘助推隧道挖掘

随着传感与智能化技术不断发展,隧道掘进机的运行监测日趋完善,所记录的海量实测数据不仅包含了装备作业过程的重要信息,也蕴含了装备内部及其与外部环境的相互作用机理,通过一定方法对这些数据进行深度挖掘与分析对于提升装备设计、分析、运行与维护水平具有十分重要的意义。为总结和分析隧道掘进机实测数据研究方法与应用状况,首先概述隧道掘进机实测数据的来源、构成与特点,从数据驱动的装备状态识别与性能预测、地质识别与地表改变预测、隧道健康监测与预警三个方面综述国内外相关文献,总结和归纳当前研究的难点、优点与不足,最后从隧道掘进机实测数据预处理方法、多源异构数据建模方法、模型泛化能力提升方法、数据计算平台等方面对未来研究方向进行初步分析与展望,为后续隧道掘进机大数据研究提供参考与借鉴。