基于PFC3D的北京砂卵石地层盾构刀盘选型及刀具布置数值模拟研究

砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层及强磨蚀性地层,盾构在该类地层中掘进通常会面临刀盘、刀具磨损严重,盾构推力与刀盘扭矩偏高且波动幅度大、地层变形不易控制等问题。砂卵石地层盾构掘进效率的高低及地层控制的好坏,刀盘选型及刀具配置是关键。以北京地铁新机场线“磁各庄站～1#风井”盾构区间为工程依托,利用PFC3D数值模拟及现场测试相结合的手段,研究刀盘开口率、刀具组合高差、先行刀刀间距等参数对盾构掘进效率及地层变形的影响。研究结果表明：相同掘进参数下大开口率辐条式刀盘比小开口率辐板式刀盘具有更好的掘进速度,小开口率辐板式刀盘掘进时引起的地表变形更小,对周围地层的扰动范围也更小;先行刀与切削刀的组合高差为70 mm时盾构掘进效率较高且扭矩较低;先行刀刀间距设定为300 mm时,盾构有较好的掘进效率和较低的刀盘扭矩。工程实践表明;要实现砂卵石地层盾构长距离高效掘进,大开口率辐条式刀盘设计及大高差梯次化刀具布置是基础,高贯入度、低转速的掘进控制是关键。研究结果可为类似工程的盾构刀盘选型与刀具布设提供借鉴。     

砂卵石地层微型土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究

刀盘是微型土压平衡盾构机的关键部件,刀盘刀具类型、数量及合理布置决定着盾构设备的破岩能力,直接影响刀具使用寿命、盾构设备的掘进速度和掘进距离。根据北京某砂卵石地层的地质特点,确定了刀盘刀具的选型与选材;依据刀具磨损的等寿命原则和阿基米德螺旋线布置方法确定了主切削刀和先行刀的布置曲线与刀具数量。直径为3m的微型土压平衡盾构机,在砂卵石地层中,刀盘布置主切削刀数量为38把,先行刀数量为15把,先行刀超前主切削刀的超前量为30mm。通过ANSYS软件对刀盘的力学性能进行了分析,结果表明刀盘受力与变形状况良好,满足设计要求。     

非开挖机械

GJ20042100 土压平衡盾构刀盘结构探讨[刊,中]/何其平∥工程机械.—2003,34(11).—10～16刀盘是盾构的主要工作部件,不同地质地层应采用不同刀盘结构形式及刀具布置,刀盘及刀具的好坏关系到盾构施工的成败,影响盾构掘进的速度和效益,文章结合广州和南京地铁工程重点介绍了海瑞克公司土压平衡盾构刀盘的功能、刀盘类型及刀具配置。图7表3GJ20042101 DZ1245水平定向钻液压系统[刊,中]/游善兰∥建筑机械化.—2003,24(11).—46～47     

复合地层中大直径盾构刀盘刀具的选型与优化

近年来大直径盾构施工技术飞速发展,国内各大城市大直径盾构隧道工程相继开工建设,大直径盾构施工有着很大的发展前景。在实际的施工过程中大直径盾构机刀盘刀具的选型至关重要,很多工地由于刀盘刀具的选型不适合该工程,在掘进中出现了很大的困难,带来严重的经济损失,甚至出现人身伤亡事故。本文结合广深港狮子洋隧道盾构刀盘刀具的选型与优化,说明刀盘刀具对复杂地层的适应性等方面的重要性以及刀盘刀具优化的各种方法。     

TBM刀盘设计综述

刀盘是TBM的关键部件,是影响TBM掘进效率的决定性因素。分析TBM刀盘的结构形式,根据盘形滚刀的破岩机理和大直径滚刀在现代工程实际中的良好业绩,说明大直径滚刀是TBM发展方向;根据平均刀间距的计算公式,确定滚刀数量及布置方式;根据安装滚刀的线速度计算刀盘最大转速,为TBM刀盘的选型、刀具布置及动力配备提供重要依据。     

盾构刀盘振动切削性能有限元仿真研究

针对盾构机刀盘的掘进效率问题,对振动切削原理、刀具运动轨迹与破岩机理、盾构刀盘建模、切削力学模型等方面进行了研究,将振动切削技术运用到盾构刀盘的开挖过程中,对刀盘振动切削过程中各项性能参数进行了分析与对比,提出了在刀盘圆周添加正弦激励改变转速实现振动切削的方法,利用LS-DYNA仿真软件分别进行了单把刀具的振动切削及盾构刀盘振动切削过程的数值模拟仿真。研究结果表明,切刀振动切削减阻效果优于滚刀,刀盘在振动切削条件下受力减小,产生的内能增加。     

矩形工作断面盾构刀盘设计

盾构断面的矩形断面比圆形断面的有效使用面积大20%,因此,矩形盾构是盾构施工法的发展方向。在阐述常见的矩形刀盘形式的基础上,结合苏南某地市政工程的地质情况,创新提出一种符合该工程段地质情况的矩形刀盘设计方案;给出刀盘上刀具的选择及其布置方案,计算出刀具的使用寿命,并对刀盘进行载荷分析;同时,通过密封舱土体与矩形刀盘流固耦合分析,给出了矩形刀盘的性能评价,从而为研制矩形工作断面盾构刀盘奠定了理论基础。     

基于免疫算法的全断面岩石掘进机刀盘滚刀布局设计理论研究

全断面岩石隧道掘进机(TBM)刀盘滚刀布局对掘进性能有显著影响。文中针对滚刀受力与刀盘滚刀布局方法进行分析,针对刀盘径向载荷最小、刀盘倾覆力矩最小、质量分布均匀、破岩差异量最小4个优化目标进行层次分析法加权统一,建立了刀盘滚刀布局优化模型,采用具有非退化优势的免疫算法对刀盘滚刀布局进行了优化设计。以大伙房隧道的刀盘模型为工程实例,利用刀盘滚刀布局优化模型对MB264-311TBM型掘进机滚刀的优化布置进行了实践,针对米字型、螺旋线型破岩协调耦合布局及不具有耦合关系的随机型滚刀布局分别进行优化计算,优化效果显著。其中,随机型滚刀布置的优化结果明显减小了刀盘径向载荷与倾覆力矩,优化程度高达91.475%,提出基于随机型滚刀布局方式的TBM刀盘布局设计新理论。在兼顾刀盘的非性能指标约束条件下,该布局理论对于提升滚刀破岩效率、提高刀盘刀具的使用寿命具有重要的工程应用价值。     

TBM盘形滚刀布置方式探讨

滚刀在TBM刀盘上的布置是刀盘设计的关键环节.通过对TBM盘形滚刀破岩机理的分析,得出盘形滚刀的受力计算式;根据TBM刀盘上滚刀布置的基本原则,提出用TBM破岩时刀盘的受力平衡公式;根据国外成熟厂商刀盘图纸,得到刀具布置规律,并用理论计算进行验证,为TBM刀盘上滚刀的布置提供参考.     

砂质板岩地层下小断面盾构刀盘结构设计方法

刀盘设计合理性与地质适应性是盾构机顺利施工的前提,结合砂质板岩地层条件、刀盘结构及刀盘载荷计算模型对中国石化新疆煤制天然气外输管道(新粤浙)穿越长江隧道工程中所用盾构机刀盘进行结构设计,考虑刀高差影响,忽略刮刀对刀盘载荷影响,获得刀盘推力及转矩,并与工程实测数据进行对比,结果吻合度较高,证明所用载荷计算方法具有较高准确性。建立刀盘有限元模型,对刀盘进行静力学分析,由静力学分析结果:最大应力为189.5 MPa,出现在在刀盘面板与支撑环连接处;最大变形量为1.7545 mm,出现在刀盘中心双联滚刀安装区域,可知刀盘力学性能满足要求。研究结果可为砂质板岩地层盾构刀盘设计提供一定参考。