复合岩层地质下硬岩隧道掘进机滚刀布局方法

为了减少滚刀的换刀次数,提高隧道掘进机在复合岩层地质下掘进时的施工效率,针对复合岩石地层中刀盘滚刀磨损程度不同且所受载荷不均匀的特点,提出基于等磨损速率的正滚刀极径设计方法.以秦岭隧道TB880E实际施工记录的数据为实例,得出滚刀的等磨损速率方差相对降低了10.45%;结合刀盘盘体载荷的分布特性,提出基于刀盘受载均匀的多螺旋线旋转分区域极角设计方法.分析随机型刀盘、等速螺旋线型刀盘、多螺旋线型刀盘在复合地质条件下刀盘滚刀的磨损速率方差、倾覆力矩、径向不平衡力和质心偏斜量.结果表明,8条螺旋线型刀盘滚刀的布置性能综合最优.     

复合岩层地质下硬岩隧道掘进机滚刀布局方法

为了减少滚刀的换刀次数,提高隧道掘进机在复合岩层地质下掘进时的施工效率,针对复合岩石地层中刀盘滚刀磨损程度不同且所受载荷不均匀的特点,提出基于等磨损速率的正滚刀极径设计方法.以秦岭隧道TB880E实际施工记录的数据为实例,得出滚刀的等磨损速率方差相对降低了10.45%;结合刀盘盘体载荷的分布特性,提出基于刀盘受载均匀的多螺旋线旋转分区域极角设计方法.分析随机型刀盘、等速螺旋线型刀盘、多螺旋线型刀盘在复合地质条件下刀盘滚刀的磨损速率方差、倾覆力矩、径向不平衡力和质心偏斜量.结果表明,8条螺旋线型刀盘滚刀的布置性能综合最优.     

典型TBM刀盘力学性能分析与对比

为了对比不同典型全断面岩石掘进机(TBM)刀盘的力学性能,对刀盘倾覆力矩计算模型进行了修正。在理想工况、上软下硬地质和部分刀具磨损3种工况下,计算得到刀盘倾覆力矩的分布情况,并采用有限元法模拟得到刀盘掘进过程中应力分布规律。结果表明:刀盘的径向载荷远小于刀盘倾覆力矩,倾覆力矩对刀盘性能的影响远大于径向载荷;刀盘正面滚刀受载产生的倾覆力矩最大,其次是边缘滚刀,中心滚刀受载产生的倾覆力矩最小;在刀具磨损工况下,A刀盘总倾覆力矩在2 800 k N·m以上,比理想工况下要大7%;星形布局刀盘B的倾覆力矩比螺旋线布局刀盘A小,其力学性能和强度特性优于螺旋线布局刀盘。     

复合岩层下岩石掘进机刀盘载荷特性研究

针对岩石掘进机在复合岩层掘进时地质条件多变、刀盘受力复杂的问题,建立了岩石截面圆分层模型,基于滚刀受力模型,构建了刀盘载荷描述方程。分析了刀盘受力分布特征,着重研究了岩石单轴抗压强度、分层比对刀盘动态掘进载荷的影响以及推力-扭矩之间的复杂耦合关系。结果表明:刀盘上滚刀受力随着安装半径增大而减小;随着岩石强度的增加,刀盘的推力、扭矩增大;随着分层比的增大,刀盘的推力、扭矩减小;当分层比为0.5时,刀盘的径向力和倾覆力矩最大;分层比一定时,两种岩石单轴抗拉强度相差越大,径向力和倾覆力矩越大;对于给定的岩石成分,刀盘推力和扭矩近似呈幂函数关系。通过对比秦岭隧道TB880E施工数据,对提出的计算方法和结果进行了验证。     

多滚刀顺次作用下岩石破碎模拟及刀间距分析

相邻滚刀刀间距设计是全断面岩石掘进机(TBM)刀盘设计的关键技术之一,刀间距设计的合理与否直接关系到刀盘刀具掘进效率和寿命.刀间距设计不仅与岩石边界条件、刀盘掘进参数及刀具参数有关,而且与刀盘结构相互耦合相互影响,且相邻滚刀之间是一种顺次破碎岩石的过程.基于有限元岩石破碎仿真平台RFPA2D,考虑相邻多滚刀的顺次约束关系,分别以2种典型岩石(泥质粉沙岩和花岗片麻岩)为边界条件,建立多滚刀顺次作用下垂直压入岩石的破碎仿真模型,模拟多滚刀在顺次压入和同时压入岩石的仿真过程,建立了刀间距与岩石破碎能量之间的映射关系,进而建立了多滚刀最优刀间距下顺次角度与岩石破碎能量之间的映射关系,通过此映射关系可以确定滚刀在刀盘上不同位置的最优刀间距和最优的顺次角度,并为下一步滚刀在刀盘盘面上的布置设计提供设计依据.     

TBM主轴承中径对滚刀轴向载荷分布的影响

基于弹性曲面微分方程以及硬岩掘进机刀盘变形与滚刀载荷的对应关系,根据支撑方式的不同得到了刀盘支撑直径的理论取值范围。基于相似理论设计了某型号TBM刀盘的缩尺实验台,测量了不同支撑直径下各测点的载荷值。以非线性弹簧模拟滚刀与岩石间的相互作用关系,则有限元计算结果与实验测量数值分布及变化规律一致。结果表明:刀盘支撑介于简支和夹支之间,支撑直径与刀盘直径的理论比值应位于0.444-0.707的范围内;支撑直径的变化对正滚刀及中心滚刀的载荷影响较大,而对边滚刀则相对较小;随支撑直径的增加,正滚刀载荷变异系数及最大载荷均增大。     

全断面硬岩TBM滚刀磨损关键技术分析

目的研究全断面硬岩掘进机（TBM）刀盘上滚刀的相关关键技术,分析破岩机理及滚刀的磨损问题.方法以双护盾TBM刀盘为研究对象,将岩石的硬脆特性与压痕断裂力学相结合,确定破岩机理及影响滚刀磨损的因素.确定滚刀布置原则、运动特性、破岩机理和滚刀磨损形式及其主要影响因素.结果结果表明,TBM刀盘设计制造要满足耐磨性的要求,滚刀布置要符合空间力系平衡,刀具高度应一致,高度差不应大于15 mm,防止刀盘滚刀会发生大面积磨损.除常规的检测刀具磨损外还要注重掘进过程中的参数观测,一旦发生特殊情况,应及时检测及更换刀具,防止其他刀具也受到损坏.结论刀盘设计要符合耐磨性要求,同时应增强对常规磨损参数检测和掘进参数的观测,控制滚刀磨损量,优化TBM掘进参数,防止大面积刀具磨损发生.     

基于现场数据的TBM掘进速率研究

为了研究TBM掘进速率在不同地质条件下的变化规律,基于吉林引松供水隧道工程开敞式TBM现场掘进数据,将TBM刀盘破岩过程分为3个阶段：挤压阶段、起裂阶段和破碎阶段,并对破碎阶段应用统计回归方法,分析在不同岩石饱和单轴抗压强度、完整性系数的条件下,TBM刀盘贯入度与刀盘推力、刀盘扭矩的关系.研究表明,在特定施工条件下,刀盘贯入度随刀盘推力增大呈幂函数曲线增长,随刀盘扭矩增大呈线性关系增长,增长率与岩石饱和单轴抗压强度、完整性系数密切相关.进一步建立对于不同强度、完整性岩石的掘进机掘进速率模型,进行实际工程施工预测,预测结果的平均相对误差都低于16%,表明模型预测精度较高,可以为实际工程施工中操作参数的优化和不良地质条件的捕捉提供帮助.     

安装参数与掘进参数对滚刀破岩阻力的影响

为获得不同切削顺序下盘形滚刀安装参数与掘进参数对其破岩阻力的影响,通过建立多滚刀破岩数值模型,研究不同切削顺序下滚刀贯入度、刀间距、安装半径与刀盘转速等参数对滚刀破岩阻力的影响规律,采用多因素正交实验法分析各因素对破岩阻力的影响显著性,并通过滚刀破岩试验验证数值分析结果的正确性.研究结果表明：滚刀破岩阻力总体上随贯入度、切削速度、刀间距与安装半径的增加而增大;不同切削顺序下,滚刀破岩阻力各不相同,其差异性随贯入度增加以及刀间距减小而逐渐增大;3种不同切削顺序下,贯入度对滚刀破岩阻力影响均为非常显著,刀盘转速和滚刀安装半径对破岩阻力影响较小,刀间距对破岩阻力的影响随切削顺序变化而有明显差异,破岩试验结果与仿真基本一致.     

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。     

双节理岩体TBM滚刀破岩过程数值模拟

为了研究节理特征对全断面掘进机(tunnel boring machine, TBM)盘形滚刀破岩的影响,采用颗粒流方法建立盘形滚刀与含平行双节理岩体的二维数值模型,进行不同节理倾角和间距的30组数值试验,根据数值试验结果研究岩体破裂模式、滚刀竖向接触力峰值随节理倾角和间距的变化规律、滚刀破岩过程中细观裂纹扩展规律。研究结果表明:不同的节理特征下,滚刀破岩可以分为4种基本的破裂模式;滚刀竖向接触力峰值随节理倾角的增大呈现先减小后增大的趋势,在节理倾角为30°或45°时最小,在节理倾角为90°时最大;滚刀竖向接触力峰值随节理间距的增大总体上呈现增大趋势;随滚刀的贯入,滚刀竖向接触力与细观裂纹个数有3个关联的变化阶段。通过研究TBM滚刀与节理岩体相互作用机制,揭示不同节理特征对滚刀破岩的影响规律,对TBM滚刀的合理设计和施工有一定的指导意义。     

大理岩磨擦试验及隧道掘进机刀具磨损分析——锦屏二级水电站引水隧洞工程

作者对锦屏二级水电站隧道掘进机施工引水隧洞沿线各大理岩岩组取样后在室内进了岩石的Cerchar磨擦试验,对试验结果进行了分级评价.通过对现场施工中的滚刀磨损数据分析表明,各大理岩岩组对刀具的磨擦性普遍较低,对刀具的正常磨损少,与磨擦试验结果一致;但由于隧道掘进机开挖过程中掌子面不平整,造成了大量滚刀的异常破坏.     

混合遗传算法求解包含柔性工艺的作业车间调度问题

针对离散制造企业中通常采用柔性工艺设计这一类新的作业车间调度问题,对传统的柔性作业车间调度问题进行了扩展,建立了包含柔性工艺的作业车间调度问题的数学模型.针对问题中在作业调度同时进行柔性工艺选择的特点,设计了改进的遗传算法染色体编码方式和遗传算子,在此基础上,结合变邻域搜索算法,设计了4种不同的邻域结构以产生邻域解,从而提高遗传算法的邻域搜索性能.最后以某轴承公司的实际调度数据为实例,将该算法进行实例测试,并与其他现有的方法相比较,验证了所设计算法的有效性.     

Differentiation and analysis on rock breaking characteristics of TBM disc cutter at different rock temperatures

In order to study rock breaking characteristics of tunnel boring machine(TBM) disc cutter at different rock temperatures,thermodynamic rock breaking mathematical model of TBM disc cutter was established on the basis of rock temperature change by using particle flow code theory and the influence law of interaction mechanism between disc cutter and rock was also numerically simulated.Furthermore,by using the linear cutting experiment platform,rock breaking process of TBM disc cutter at different rock temperatures was well verified by the experiments.Finally,rock breaking characteristics of TBM disc cutter were differentiated and analyzed from microscale perspective.The results indicate the follows.1) When rock temperature increases,the mechanical properties of rock such as hardness,and strength,were greatly reduced,simultaneously the microcracks rapidly grow with the cracks number increasing,which leads to rock breaking load decreasing and improves rock breaking efficiency for TBM disc cutter.2) The higher the rock temperature,the lower the rock internal stress.The stress distribution rules coincide with the Buzin Neske stress circle rules: the maximum stress value is below the cutting edge region and then gradually decreases radiant around; stress distribution is symmetrical and the total stress of rock becomes smaller.3) The higher the rock temperature is,the more the numbers of micro,tensile and shear cracks produced are by rock as well as the easier the rock intrusion,along with shear failure mode mainly showing.4) With rock temperature increasing,the resistance intrusive coefficients of rock and intrusion power decrease obviously,so the specific energy consumption that TBM disc cutter achieves leaping broken also decreases subsequently.5) The acoustic emission frequency remarkably increases along with the temperature increasing,which improves the rock breaking efficiency.     

基于局部线性嵌入和支持向量机回归的TBM施工参数预测

依托吉林引松工程开展隧道掘进机（TBM）施工参数预测研究,提出TBM施工数据分段提取算法,提取上升段前30 s的总推进力、刀盘转速、推进速度、刀盘扭矩、刀盘转速电位器设定值、推进速度电位器设定值、贯入度、贯入度指数(FPI)、扭矩切深指数(TPI)9个参数作为输入;通过局部线性嵌入（LLE）完成对上升段数据特征的降维;基于支持向量机回归（SVR）建立TBM施工控制参数（推进速度、刀盘转速）和负载参数（总推进力、刀盘扭矩）预测模型. 分析是否结合前一掘进循环的FPI、TPI指数进行预测对预测效果的影响. 结果表明,上述方法在推进速度、刀盘转速、总推进力、刀盘扭矩的预测中均取得了较好的预测效果,平均预测绝对百分比误差均小于15%,验证了该预测方法的有效性,该方法可以为TBM现场施工提供指导.     

基于隧道掘进机掘进过程的岩体状态感知方法

针对现有技术无法预先、实时获取隧道掘进机（TBM）掌子面岩体状态参数的问题,提出基于TBM掘进过程监测的岩体状态感知方法. 以吉林引松供水工程TBM施工隧道为依托,分析TBM掘进过程中掘进参数的变化规律,建立TBM掘进参数与岩体参数数据库,研究TBM设备参数和在掘岩体参数之间的相互关系. 分别采用分步回归和聚类分析的方法建立岩机关系模型,利用监测TBM掘进参数实时感知岩石强度、体积节理数和围岩等级等参数. 以石灰岩和花岗岩地层为例,对TBM在掘岩体参数的预测值与实际值进行对比. 结果表明,利用提出的岩体状态感知方法预测的岩石抗压强度UCS和体积节理数与实际值的误差小于18%,预测当前围岩等级与实际岩体状态基本一致,验证了研究结果的准确性.     

岩石特性对掘进机破岩的影响

目的研究岩石特性对掘进机破岩的影响,提高掘进机施工效率,延长滚刀使用寿命．方法将滚刀及其掘进的岩石作为一个整体,模拟破岩过程中滚刀和岩石的应力分布,并通过实验测量了滚刀破岩时滚刀受力和切深等参数,分析了不同硬度的岩石、切深和滚刀施加力对滚刀及岩石受力的影响．结果岩石反作用于滚刀的力和岩石的切深沿切割方向呈波浪型水平线;岩石抗压强度增大,岩石的切深和破碎区体积降低．结论同种岩石破碎程度与滚刀切割力大小成正比;切割力相同时,岩石破碎程度与岩石抗压强度成反比;研究结果对提高岩石掘进机的破岩效率,及其对地质的适应性具有重要作用．     

城市地铁TBM隧道掘进诱发既有建筑物变形的空间属性效应

针对城市地铁全断面硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)隧道掘进诱发既有建筑物沉降变形的问题,考虑隧道下穿城市建筑物群实际工况的复杂性,以青岛地铁1号线小北区间段硬岩地层TBM隧道掘进下穿既有建筑物群为实际工程背景,采用数值计算分析方法,建立TBM隧道掘进连续下穿多座既有建筑物的三维力学计...