采用正交试验优化分析极硬岩隧道滚刀刃形

滚刀的破岩效率是影响隧道掘进机掘进进度的关键因素。依托深圳地铁极硬岩掘进工程,研究极难掘进的致密花岗岩地层滚刀刃形破岩效果。通过正交试验分析滚刀各相关参数试验,确定在极硬岩地层中滚刀刃形尺寸对硬岩掘进效率有较大影响,得到了施工掘进参数和刃形参数对掘进效率影响的权重,为硬岩地层刀具的选型提供参考。     

掘进机盘形滚刀破岩机理探讨

全断面隧洞掘进机盘形滚刀的工作条件恶劣、磨损大,切削岩石过程中有崩刃现象,不仅影响掘进速度,而且增加了隧道开挖成本。世界各国都在致力于盘刀破岩机理的研究,以求改进盘刀设计,寻找新的布刀途径。本文根据我们在东北工学院岩石破碎试验台上所作盘形滚刀滚压中硬岩的试验,简要分析破岩机理。一、试验现象通过实验室试验可以观察到,在盘刀滚压岩石的过程中,大量岩粉从刀刃两侧楔面喷射     

基于HJC模型的盾构滚刀破岩能力研究及应用

为探明适用于济南地区不同地层条件下的盾构滚刀,文中基于HJC模型采用LS-DYNA对济南地铁R2线某盾构区间所选用的两种滚刀进行了动力学分析.结果表明刃宽为25mm的平刃滚刀适用于贯入度较大的施工条件,刃宽为22mm的圆刃滚刀在小贯入度情况下破岩效率更高.     

节理间距对滚刀破岩影响的线性破岩试验研究

掘进机(TBM)开挖过程中受到各种地质因素的影响,其中节理间距是影响TBM滚刀破岩的一个重要因素。设计节理间距为100mm和400mm两组试验方案。试样为甘肃北山花岗岩,应用北京工业大学自行研制的大型机械破岩实验平台,选用17英寸(432mm)的常截面盘形滚刀进行线性切割破岩试验。试验过程中记录滚刀三向力、滚刀下岩样裂纹扩展并收集了岩片。从三向力、裂纹的扩展模式和岩片等角度分析节理间距对滚刀破岩的影响。结果表明:节理间距100mm的岩体切入所需要的推力小于完整岩石的推力,节理间距400mm的岩体破岩过程中推力有一突变的过程。节理间距100mm岩体滚刀作用下存在两种破坏模式,节理间距400mm的岩体破岩过程则包括了正常破岩和节理面影响破岩两个过程,并且节理对竖向主裂纹向节理面扩展有加剧的作用。节理面下方岩石较完整,节理面阻碍裂纹朝节理面下方岩石传播。     

滚刀复合磨蚀实验台研制

针对高磨蚀地层TBM施工过程中滚刀磨损严重的问题,为有效预测滚刀磨损情况,合理预算TBM刀具使用成本,基于力学相似原理,结合机电液控制方法,根据实验台开发标准要求,完成滚刀复合磨蚀试验台开发。实验台满足TBM推进、滚刀公转、滚刀自转、滚刀破岩模拟,开展纯破岩磨损、纯岩渣磨损和破岩与岩渣复合磨损实验研究。     

围压对 TBM 滚刀破岩影响机制研究

穿越高大山体的隧道TBM施工不可避免地会遇到高地应力问题,研究地应力对TBM滚刀破岩机制和掘进效率的影响具有重大的工程价值和科学意义。通过理论分析和UDEC数值模拟技术对围压作用下滚刀破岩模式进行研究,发现围压对滚刀破岩过程影响比较复杂:围压对粉碎区深度和裂纹扩展区内滚刀作用方向的裂纹扩展起到抑制作用;而对围压作用方向的裂纹扩展有促进作用,表现为边裂纹的扩展范围会更大,扩展路径会更加平直,发展更加迅速,滚刀间岩片的形成更加容易。TBM现场掘进试验表明,地应力越高,围压作用越明显,TBM破岩更加容易,掘进效率会更高。从TBM滚刀作用下岩片形成的难易程度角度考虑,理论分析、数值模拟和TBM现场掘进试验都表明围压作用促进TBM滚刀破岩。     

盾构刀具布置对滚刀破岩效能影响

针对硬岩地层滚刀磨损严重的问题,采用数据回归的方法,以某工程硬岩段盾构滚刀磨损数据和刀盘布置参数为对象,分析在地质类同、滚刀磨损量相同的条件下,不同滚刀破岩量变化趋势,深入研究滚刀安装半径及刀间距对滚刀破岩效能的影响,根据分析结果为类似地层盾构合理刀盘设计提供参考。     

线性和旋转切割方式滚刀破岩试验对比研究

隧道掘进机(TBM)的施工中破岩效率直接影响了工程的进度、造价。室内试验可以较真实地模拟滚刀破岩的过程,优化TBM设计参数。由于试验设备的限制,此前室内试验均为线性切割,与实际施工的旋转滚刀旋转破岩有一定差异。基于北京工业大学自主研制的机械破岩试验平台,采用19in(483mm)常截面盘形滚刀,以80mm刀间距、0.5mm贯入度为间隔,分别对某引水工程花岗岩进行线性切割和旋转切割破岩试验。对比分析了两种切割方式对滚刀力、比能的影响,发现两种切割方式下法向力、滚动力和比能变化趋势大体相同,只有侧向力存在明显差异。     

盘形滚刀破岩力预测及试验研究

盘形滚刀破岩力是全断面掘进机施工过程的关键参数,是刀盘设计的重要依据。深入分析了盘形滚刀刀圈与围岩相互作用的过程,提出了以被压岩石为研究对象,对被压围岩应力分布函数进行积分推算,建立滚刀刀圈破岩力的预测模型;运用库仑-莫尔准则构建了滚刀刀圈切向力模型。通过设计盘形滚刀单刀线性破岩试验,经过试验结果对比和误差分析,验证了所构建的滚刀破岩力预测模型的准确性和有效性,为TBM刀盘结构设计优化提供一定的理论依据,可为实际施工提供科学指导。     

评价岩石脆性指标对滚刀破岩效率的影响

 脆性是岩石重要的力学性质之一。岩石脆性与滚刀破岩效率密切相关,但目前还没有统一的用于评价滚刀破岩效率的岩石脆性指标。总结现有的35种脆性指标,将其分为基于强度、应变、应变能、硬度、莫尔包络线、特殊试验和其他等7种类型。为研究岩石脆性与滚刀破岩效率之间的关系,通过滚刀贯入试验,引入归一化比能概念,提出表征岩石脆性的新指标,重点研究基于强度和贯入试验的脆性指标与归一化比能之间的关系。试验结果表明：(1) 滚刀更难贯入高强度岩石;(2) 脆性指标B2和B4与归一化比能之间呈强烈的指数函数关系,随着脆性的增高,归一化比能降低,滚刀破岩效率增高,应优先选用脆性指标B2来评价滚刀破岩效率,其次是脆性指标B4;(3) 将单轴抗压强度约20 MPa定义为单轴抗压强度过渡值,滚刀不适宜切削单轴抗压强度小于20 MPa的软岩。试验结果对评价滚刀破岩效率时岩石脆性指标的选取具有一定的指导意义。     

盾构滚刀刀圈在中硬岩地层中的针对性措施分析

针对滚刀在中硬岩地层中掘进时，刀圈作为直接接触掌子面的零件，经常出现崩刃、断裂、不耐磨等过早失效的问题，通过对刀圈轮廓尺寸和刀圈刃形采取针对性措施的分析，希望能够在延长滚刀刀圈使用寿命方面提供可行的依据和参考，从而达到提高破岩效率、减少滚刀更换频次的目的。     

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。     

复合地层TBM滚刀破岩性能离散元数值试验

全断面岩石掘进机(TBM)因其安全性好、掘进速度快、机械化程度高等优点,已被引入煤矿岩石巷道掘进施工中。煤矿地质条件复杂,复合地层对全断面岩石掘进机掘进效率的影响不容忽视。为了探究煤系复合地层对滚刀破岩效率的影响,建立了滚刀和岩石的颗粒流离散单元模型,开展TBM滚刀的贯入度数值实验。研究结果表明:在相同破岩情况下复合地层破坏的范围小,在滚刀破岩的过程中不易形成贯通区。两种地层裂纹数目随着贯入度变化的规律大致相同。滚刀在相同破岩情况下复合地层所需要的滚刀法向力要大于单一地层硬岩所需要的。单一地层滚刀破岩最优贯入度约为4mm,复合地层滚刀破岩最优贯入度约为9mm。     

苏埃通道工程软硬不均地层盾构掘进参数模拟试验研究

针对汕头苏埃通道工程盾构需在主航道下方通过上下差异性极大的软硬不均地层时所面临的掘进参数选取难题,采用工程现场的岩样开展软硬不均地层盾构掘进参数模拟试验,获取了软硬不均地层条件下贯入度、刀间距与破岩推力、扭矩、破岩效果的关系。试验结果表明,目前盾构刀盘采用的刀间距(90,100,120mm)均能够有效破岩,若采用17in盘形滚刀将存在滚刀超载风险,应采用19in滚刀或采用高承载力的滚刀轴承。     

多滚刀破岩时磨损状态对刀具破岩力的影响分析

在TBM掘进过程中,滚刀作为主要的破岩工具不可避免地会发生各式各样的磨损,但关于滚刀磨损后滚刀群中各滚刀受力特性变化的研究仍较为缺乏.通过ABAQUS软件对三滚刀顺序切削破岩过程进行模拟,对不同位置滚刀发生磨损后滚刀群中各滚刀的受力情况展开分析.结果表明,当三滚刀按顺序破岩时,首先进行切削的滚刀垂直力与滚动力越大,后进...     

自由面对滚刀破岩机制影响的数值模拟研究

为了研究自由面对滚刀破岩机理的影响,运用UDEC方法建立了滚刀贯切岩石的二维数值系列模型,对TBM滚刀破岩过程进行了仿真。分析表明：在合理的刀间距和贯人度情况下,破碎坑自由面的存在使裂纹扩展能耗降低,裂纹密度增大,起裂方式增多,容易实现体积破碎,提高滚刀破岩效率。     

新疆某盾构工程刀具地质适应性选型设计

基于新疆某盾构工程地质情况及现场条件，为了减少刀具磨损，提高掘进效率，针对不同地质条件需要选择合适刀具。采用有限元软件获得刀具破岩的载荷波动情况和破岩效率，分析刀具的地质适应性情况。结果表明：砂岩地质下选用光刃滚刀合适，泥岩条件下选用羊角齿刀破碎岩石。     

简单复合岩体中TBM多滚刀破岩机理离散元分析

采用引入考虑胶结尺寸的微观接触模型的PFC^2D离散元软件,对全断面岩石掘进机（TBM）盘形滚刀作用下简单形式的复合岩体破岩机理进行数值模拟研究。进行了单滚刀、双滚刀和三滚刀作用下的复合岩体破碎过程的模拟。模拟结果表明：滚刀破岩过程可以分为三个阶段：加载阶段、卸载阶段和残余跃进阶段。通过双滚刀和三滚刀侵入复合岩体的推力-侵深曲线分析,软岩上的滚刀比硬岩上的滚刀进入各阶段稍慢,略有滞后;不同滚刀间的峰值法向推力相差较大,易造成滚刀磨损。对于花岗岩-绿片岩复合岩体,破岩时接触力链被岩体分界面分割,硬岩区胶结破坏数目较多,双滚刀、三滚刀侵入时易形成贯通裂缝;破岩效率由大到小为双滚刀效率、三滚刀效率、单滚刀效率,而且双滚刀能够将效率提高一倍左右。     

掘进机刀盘滚刀间距对北山花岗岩破岩效率的影响实验研究

掘进机(TBM)开挖隧道过程中,其刀盘上滚刀间距设计的合适与否关系着破岩效率的高低。由于岩石非均匀、非连续、各项异性的特性,使用数值模拟方法研究滚刀破岩过程存在局限性。现场掘进实验主要是针对特定的掘进机做出机械运行参数优化,无法研究不同刀间距对破岩的影响。全尺寸滚刀破岩实验可以人为调整刀间距,且实验中采用大体积岩石可以避免尺寸效应的影响,因此受到了广泛的关注。采用北京工业大学自制的机械破岩试验平台,安装17英寸(432 mm)盘形滚刀,选取尺寸为1000 mm×1000 mm×600 mm的北山完整花岗岩试样,进行了5组刀间距的线性切割试验。实验中采集滚刀三向力,分层收集岩片且对其进行称重。对不同刀间距作用下的平均法向力、平均滚动力和比能进行了分析研究。当贯入度较小时,刀间距对平均法向力和平均滚动力的影响都不明显,随着贯入度的增加,刀间距对平均法向力和平均滚动力的影响增加。对于所有的刀间距而言,增加贯入度会产生更多的岩片,但并不一定会提高破岩效率,对于北山花岗岩而言,当刀间距与贯入度的比值为30左右时,比能值最低,此时破岩效率最高。     

盾构盘形滚刀不同刀间距下破岩仿真研究

在考虑滚刀实际几何形状、滚刀与岩石的非线性材料特性基础上,建立了盾构机滚刀挤压破岩有限元三维模型,求解中对模型的特性参数、边界条件及时间步长等进行设置,以适用盾构机滚刀与岩石相互作用过程中的动态仿真或瞬态破岩,并对仿真结果进行对比分析。并得到双刃滚刀在破岩相互作用中刀具受力和岩石破碎规律,为以后盾构刀具在刀盘上优化配置提供了参考。