TBM滚刀破岩机理与影响因素数值模拟研究

为研究全断面岩石掘进机(TBM)滚刀破岩机理与破岩效果影响因素,采用颗粒流程序(PFC)建立滚刀破岩模型,通过单轴压缩与巴西劈裂试验结果,标定PFC程序参数,模拟滚刀破岩过程并对岩石强度、围压等破岩效果影响进行研究分析。结果表明:滚刀破岩历经前期压密、中期挤压剪切、后期挤压张拉破坏的组合破岩模式,整个破岩过程中滚刀出现反复加-卸荷交替及跃进破岩现象。岩石强度过高难以产生径向裂纹、强度过低侧向裂纹扩展不明显,破岩效果均不佳,TBM滚刀只对于中等强度范围内岩石较为合适。围压影响裂纹生成与扩展,较高时将抑制径向裂纹发育,降低破岩整体效果。研究成果可为TBM选型及滚刀设计提供一定参考。     

正、偏楔形盘形滚刀破岩作业载荷对比研究

盘形滚刀是全断面岩石掘进机(TBM)上的关键核心部件,其与岩石的相互作用直接影响TBM的掘进效率和工程成本。研究发现盘形滚刀外形对其与岩石的相互作用有较大影响。论文首先建立了正楔形盘形滚刀作业对象岩石的Drucker-Prager弹塑性模型和正楔形盘形滚刀与其相互作用模型,并用罗科斯巴勒盘形滚刀破岩力预测理论对所建模型进行了验证;以此为基础,论文还建立了偏楔形盘形滚刀与其作业对象岩石的相互作用模型,并分别模拟研究了正楔形盘形滚刀和偏楔形盘形滚刀与岩石的相互作用,从而发现正楔形盘形滚刀在不同安装半径和切深条件下的垂直力、侧向力和滚动力都大于偏楔形盘形滚刀,且偏楔形盘形滚刀在小安装半径和大切深条件下,其破岩载荷较正楔形盘形滚刀减小量较大。论文研究结论为偏楔形盘形滚刀设计理论的工程应用提供了重要参考。     

岩石在盘形滚刀作用下的性能研究

考虑岩石的各向异性,深入研究了岩石在盘形滚刀作用下的形变和剥落特点,建立了岩石在盘形滚刀作用下的力学模型,给出了岩石在盘形滚刀作用下形变的几何方程、物理方程和平衡方程。并通过对岩石在盘形滚刀垂直载荷和平面滚压载荷作用下的试验观察,提出在盘形滚刀垂直力的计算中以盘形滚刀侵入岩石而在岩石表面形成面积（双曲线围成）上的平均应力代替岩石的杨氏模量;在滚动力的计算中以岩石的抗拉强度代替剪切弹性模量,以抗剪强度代替A常数;盘形滚刀破岩侧向力计算中的岩石性能参数则取用杨氏模量。将此方案用于所建立的的力学模型,求得了盘形滚刀破岩的垂直力、滚动力和侧向力;计算结果均比已有压痕试验求得的垂直力、线性滚压岩石试验求得的垂直力和滚动力更精确。计算还获得了盘形滚刀破岩的侧向力,其结果也通过了试验验证。     

基于不同岩石破坏方式的滚刀效率评价模型研究

目前对TBM滚刀破岩效率评价大多采用量化计算破岩比能(ηse)的方法,其中岩石破碎体积为影响破岩比能的关键因素,岩石在滚刀作用下的破坏体积与其破坏方式关系密切。为此,结合岩石不同破坏方式,讨论了岩石破碎体积的一种简易实用的计算方法。基于岩石破坏过程中以剪切破坏和张拉破坏为主的特性,提出了以岩石破坏时裂纹长度与剪切面在岩石自由表面投影长度以及滚刀刀刃宽度之间的关系来识别岩石破坏方式,在此基础上计算岩石破碎体积,结合CSM预测模型,推导出一种破岩比能水平量化计算方法。通过实例对该方法进行计算验证,分析了破岩比能(ηse)与刀间距(S)、刀具磨损量(w)之间的关系,得出了ηse-S曲线与ηse-w曲线,表明存在最优刀间距,且随着磨损量增大,比能值也将增大。所述的预测模型能够对TBM破岩时刀间距的优化、刀具的更换提供理论依据。更多还原     

关埠引水隧洞超高强度岩石TBM刀具选型及布置

榕江关埠引水工程输水隧洞采用双护盾TBM掘进机施工,隧洞围岩大部分为弱风化—微风化花岗岩,围岩坚硬完整、岩石强度高(最高强度达190～230MPa)。刀盘是TBM重要部件,刀盘设计的合理性对提高TBM掘进效率,降低施工成本起着决定性的作用。通过对隧洞岩石强度以及滚刀破岩机理综合分析,初步确定刀具形式、滚刀间距、滚刀直径等刀盘参数,为硬岩掘进创造基本条件;通过对滚刀启动扭矩及单刀承载力等的分析,对刀盘初期设计参数进一步优化,适当增加滚刀数量,提高了TBM的掘进效率。     

高应力条件下TBM破岩岩渣块度分布规律研究

TBM掘进过程产生的岩石渣料包含丰富的地质信息,为研究地应力对TBM掘进过程产生的岩石渣料的影响,采用PFC2D建立了围压条件下的滚刀破岩模型,提取并分析破岩产生的岩石碎片。数值模拟结果表明：TBM滚刀掘进过程主要产生扁平形岩石碎片。在一定范围内,随着围压增加,岩石碎片的平均粒径呈“W”形变化,并且小粒径碎片的含量增加,但围压较高(>30 MPa)时,反而更容易形成较大粒径的岩石碎片。     

秦岭隧洞花岗岩段掘进机滚刀破岩规律及掘进特征

为更好掌握TBM掘进性能，以引汉济渭工程秦岭隧洞花岗岩段为研究对象，通过滚刀破岩试验与施工参数分析，获得了滚刀破岩机理，揭示了掘进速度、设备利用率等TBM掘进性能指标的变化规律。结果表明：在设定地应力条件下，随着贯入度增加，滚刀法向力增大，且其变化幅度增加、变化频率加快，增加了相邻滚刀间形成大岩片的数量；高地应力条件下，因多次发生岩爆，TBM平均掘进速度、设备利用率均较低；现场贯入指标、岩石掘进效率指标沿桩号的变化基本同步，但现场贯入指标能更好评价TBM破岩性能。通过调整支护、清渣和施工组织方式，提高辅助作业效率，并及时调整TBM掘进参数、改进滚刀刀刃材质，可保障TBM高效运行，为该隧洞TBM后续掘进提供相应对策。     

硬岩隧道掘进机滚刀破岩性能评价研究

为了提高TBM的掘进效率和地质适应性,对TBM滚刀破岩性能评价指标选取及TBM滚刀破岩性能评价方法进行了研究。通过文献阅读及专家调查,最终选取影响TBM滚刀性能的13个指标建立滚刀破岩评价体系;用改进群层次分析法（IGAHP）和基于指标相关性法(CRITIC)对评价指标进行权重计算。基于文献分析确定了13个评价指标的隶属函数,运用模糊综合评判方法,计算TBM施工破岩性能隶属矩阵,确定TBM滚刀破岩性能等级。对新疆某引水隧道4个区段进行滚刀破岩性能评价并与实际施工情况进行对比分析。结果表明：该模型的评价结果基本符合实际情况,所提出的评价方法是可行的。该方法可为TBM选型和滚刀设计优化提供指导。     

不同岩性下TBM滚刀破岩过程离散元分析

为了研究全断面岩石掘进机(TBM)的滚刀在不同岩性下的破岩机理,将考虑胶结尺寸的微观接触模型植入离散元软件,模拟了4种岩性下不同滚刀刃数的破岩过程,探究岩性、滚刀刃数对破岩效率的影响。模拟结果表明:不同滚刀刃数下的破岩过程可以分为3个阶段,即加载阶段、卸载阶段及残余跃进阶段;胶结破坏类型主要呈拉剪破坏与压剪破坏两种;滚刀破岩过程中受到的阻力可以用峰值法向推力表示,阻力大小取决于岩性,破岩阻力随着岩石单轴抗压强度的增大而增大;通过胶结破岩比能耗来评价破岩效率,对于坚硬岩,三滚刀破岩效率最高,对于强度较低的岩石,采用单滚刀破岩效率更高。     

破岩机械垂直破岩力的设定理论研究

通过盘形滚刀侵入岩石的压痕试验得出岩石的跃进破碎参数。基于这些破碎参数建立破岩机械器具的垂直推力的预测公式及破岩机械工作点的设定理论，提高了刀具垂直破岩力预测的精确性，同时为减轻破岩机械的振动、噪音、粉尘的产生及破岩刀具的磨损提供了理论基础。     

引汉济渭工程秦岭隧洞TBM的刀具选型试验

引汉济渭工程秦岭输水隧洞TBM施工遭遇超硬岩石,在试掘进阶段进度严重滞后于合同计划指标。为了减少刀具更换时间、促进施工进度,将刀具选型试验作为突破口。通过利用各厂家提供的刀具进行TBM试掘进,将每家2把刀具交叉安装在相应刀位上,在试验过程中进行磨损量测试、岩石抗压强度测试。从这两项指标定量分析刀具选型,结合过渡区域刀具磨损量及速率、面刀区域刀具磨损情况、整刀使用寿命、极限磨损情况、2 km试掘进阶段刀具消耗情况,综合评价各类型刀具性能。结果表明,受掌子面平整度、岩石强度及石英含量影响,不同部位的磨损量、变形都存在较大差异,尤其不同处理工艺的刀具,其耐磨值和稳定性决定着TBM的掘进速度。研究成果对超硬岩隧洞TBM刀具的选取具有一定的参考价值,也对刀具材料的研究提供了基础数据。     

TBM采用大直径滚刀掘进的优越性

扼要地介绍了挪威硬岩TBM掘进速度与刀具磨损的研究成果及大直径滚刀在大伙房水库输水工程中的应用情况。研究和实践都表明,采用大直径滚刀掘进的优越性在于:大直径滚刀推力大,破岩能力强,掘进速度快;降低刀具损耗,进而降低工程成本;延长刀圈寿命,减少掘进过程中的换刀频次,从而提高TBM的利用率。采用大直径滚刀是大断面硬岩TBM的发展方向。     

基于Fisher模型围岩稳定性分析方法

TBM是已经从原始的人工钻爆法发展为半自动化施工的成套型机械设备,然而未能实现完全自动化的根本原因在于隧洞围岩稳定性需要地质工程师现场勘认后进行支护处理。TBM掘进中操控室得出的主推力、刀盘转速、贯入度、平均扭矩等相关参数,是反映刀盘最直接的原始数据,与掌子面围岩稳定性密切相关,利用Fisher判别法将这4组非平衡数据转化为一维线性关系,总结出的围岩稳定性判别函数,全面提高掘进效率。     

TBM施工中岩石可钻性测试与评价技术综述

岩石的可钻性是评价TBM隧道施工难易程度的重要指标,其测试方法必须与TBM的设计与施工过程相匹配。因国内的TBM研发及施工技术起步较晚,岩石可钻性测试与评价方法仍以国外的技术为主。通过大量查阅国内外文献,基于常用掘进效率预测模型的需要,从岩石硬度、脆性和磨耗性3个方面对岩石可钻性指标测试与评价技术进行了较为详细的介绍。基于这些测试方法的试验成果,为我国TBM的刀盘设计、刀具磨损及掘进速率的预测提供了基础资料。建议尽快建立我国TBM可钻性实验室及相应数据库。     

复合地层土压平衡盾构施工技术研究

以苏州轨道交通3号线为工程实例,研究土压平衡(EPB)盾构在复合地层中的施工技术。苏州轨道交通3号线何山路站至苏州乐园站区间隧道通过108 m"上软(土)下硬(岩)"的复合地层,工程风险极大,需在设计和施工阶段采取必要的风险控制措施。在设计阶段:通过改变隧道纵坡,缩短复合地层段长度;通过改良TBM刀盘设计,优化机械运行参数,实现盾构机械参数和地层物理参数的匹配;通过对隧道上部松散土体静压注浆加固和在建筑物与隧道间安装隔离桩,控制地层变形和保护邻近建筑物;采用三维数值模拟预测隧道开挖引起的地层变形和建筑物沉降,为工程决策提供依据。在施工阶段:对于软土、复合地层和硬岩段采用不同盾构运行模式和掘进参数;掘进过程采用六个主要参数指标进行控制;采用在盾构机前方开挖竖井进行损坏刀箱、刀具的更换。施工监测显示:实测地表和建筑物沉降与三维有限元预测、Peck经验公式预测结果吻合良好,地表沉降控制在2. 0cm以内,邻近建筑物沉降控制在3 mm以内。工程的顺利实施为国内其他类似复合地层隧道盾构掘进工程提供有益借鉴。