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。     

贯入度与刀间距对TBM滚刀破岩推力的影响

针对目前盾构机在硬岩地层施工中经常遇到刀具选型、掘进速度慢及参数设定不确定等难题,本文以施工现场高硬度凝灰岩为岩样,进行了推力与贯入度和刀间距与破岩推力的试验。研究盾构两种常规滚刀的刀间距、掘进转速及贯入度的关系,为类似硬岩盾构施工提供试验基础和参考。     

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。     

基于破岩弧长的全断面掘进机滚刀磨损的研究

针对全断面掘进机滚刀的破岩弧长对其磨损进行了研究。推导了滚刀破岩弧长公式,并在此基础上研究了刀具安装半径、切深、滚刀直径以及刀间距等参数对滚刀磨损的影响,为滚刀的布置及相关施工参数的优化提供了参考。     

球面刀盘上盘形滚刀破岩曲线的确定及应用

通过对全断面岩石掘进机球面刀盘上盘形滚刀破岩工作点的运动分析,建立了盘形滚刀破岩工作点的轨迹曲线,并对其侧滑、轨迹弧长和破岩工作时的速度进行了探讨,以期有利于我国全断面岩石掘进机研究的深入。     

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。     

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。     

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。     

不同刀具配置下隧道掘进机高效破岩机理与推力预估

为解决隧道掘进机刀盘刀具破岩的安全性、可靠性、高效性这一隧道掘进机施工难题,从高效破岩机理和刀盘刀具与围岩耦合作用规律两个方面进行了研究,对单刀及多刀破岩理论体系进行了完善。结合理论分析和滚刀岩机作用综合实验台上的实验结果,提出了红砂岩、石灰岩和花岗岩等3种常见岩石的最优破岩刀间距,并给出了当岩石强度位于40～170 MPa之间时的最优刀间距计算式。综合考虑各种因素对隧道掘进机总推力、刀盘扭矩的影响,提出了复合式隧道掘进机总推力、刀盘扭矩估算的理论公式。通过工程实例验证,该理论计算式具有较高的科学性和精确性。研究成果可直接用于刀具选型布置、推力、扭矩设计,从而降低隧道掘进机的制造成本、提高施工效率。     

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。     

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。     

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。     

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     

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。     

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...     

基于密实核理论的TBM盘形滚刀磨损预测模型研究

CCS(Constant Cross Section)盘形滚刀磨损是影响硬岩隧道掘进工作效率和成本预算的关键问题。根据CCS型滚刀的工作特点和岩石切割破碎原理,分析研究滚刀破碎岩石的复杂应力状态,建立了考虑密实核效应的滚刀破岩机理。通过推导密实核长度的理论解析式,获得了基于塑性去除磨粒磨损机制的滚刀磨损量与法向荷载之间的数学关系式,进而提出了滚刀磨损速率及切削寿命预测模型。基于此,分析计算了深圳地铁12号线某区间共757环的正面滚刀实测磨损数据,发现预测值与实测值的相对差异率值均小于10%,验证了预测模型的有效性。此外,通过与现有滚刀磨损预测模型对比分析,结果表明本文提出的预测模型计算结果更接近于现场实测值,说明了滚刀磨损速率和切削寿命指标可作为评价滚刀磨损特性的可靠指标,为TBM工程现场刀具更换方案设计提供更为合理可行的理论依据。     

隧洞掘进机盘形滚刀滚压岩石的试验

1981年我们曾进行隧洞掘进机盘形滚刀滚压中硬岩石的试验。目的在于探索岩石破碎规律与特点;滚刀受力与刀具几何参数、切深、槽间距之间的关系;探讨破岩机理,以期有助于全断面隧洞掘进机的设计与使用。全部试验包括六个项目:①用正交设计法规划盘形滚刀滚压光面岩石试件的直槽试验;②在毛面岩石试件上滚压直槽的对比试验;③在光面岩石试件上滚压圆槽的试验;④在毛面岩石试件上滚压圆槽的试验;⑤盘形滚刀安装内偏角β=0°、3°、5°时,在光面岩石试件上滚     

全断面岩石掘进机刀具及受力分析：全断面岩石掘进机技术讲座之二

全断面岩石掘进机上使用的刀具目前均采用盘形滚刀。盘形滚刀的受力有垂直推力、滚动力和侧向力。垂直推力关系到推进液压缸及液压系统的设计，滚动力是刀盘驱动电动机功率确定及刀盘传动机构设计的一项主要依据，而侧向力涉及到剪切破岩机理及刀具轴承的选择。盘形滚刀预...