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。     

全断面岩石掘进机盘形滚刀前倾安装与传统安装破岩能耗对比分析

为提高全断面岩石掘进机施工过程中的能量利用率,提出盘形滚刀前倾安装概念.在设定条件下,通过建立的传统(正)安装盘形滚刀和前倾安装盘形滚刀破岩过程中的摩擦力矩理论式对盘形滚刀的两种安装方式进行比较研究.理论计算显示,在6～10 mm贯入度条件下,采用前倾安装的432 mm(17 in)、483 mm(19 in)和533 mm(21 in)盘形滚刀在滚压破岩过程中的能量利用率较高且提高量基本相同;而贯入度在10～12 mm范围时,前倾安装的483 mm(19 in)盘形滚刀较传统安装的同规格盘形滚刀在破岩过程中的能量利用率提高量约为10％;而前倾安装的533 mm(21 in)盘形滚刀较传统安装的同规格盘形滚刀破岩过程中的能量利用率提高量在10～12 mm贯入度范围却降低了约46％.     

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。     

岩石掘进机盘形滚刀的安装及侧滑量的计算

本文探讨了盘形滚刀的安装方式，给出了各安装方式情况下盘形滚刀破岩工作时侧滑量的计算方法和计算公式，可为盘形滚刀的安装设计提供理论参考。     

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。     

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。     

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。     

复合岩层中TBM滚刀与围岩相互作用机理的数值模拟研究

为提高硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)在复合岩层的掘进效率,采用PFC2D(particle flow code 2D)探讨了不同围压下复合岩层裂纹扩展机制,同时采用定量的方法揭示了滚刀间距、贯入度及岩层倾角对破岩效率的影响。结果表明:1)滚刀同软岩直接接触时,滚刀下部裂纹较多,而消耗的能量较少。相反,滚刀同硬岩直接接触时,滚刀下部裂纹较少,消耗的能量却较多。2)岩层倾角对破岩效率的影响较大,45°、90°为破岩效率较高的2个极值点。3)刀间距为70和120mm时比能较小,破岩效率高。4)滚刀破岩以张拉破坏为主,剪切破坏为辅。研究结果可以为复合岩层中TBM刀盘设计及TBM施工提供一定的理论依据。     

双护盾TBM施工隧洞围岩分类方法及应用

针对引水隧洞围岩,在现有规范关于隧洞围岩分类基础上,提出了围岩分类新方法,综合考虑TBM掘进机掘进参数变化、围岩与护盾(管片)之间的间隙、出渣量、弃渣的块径、渣块形状、百分量、渣中刀具破岩新鲜面与围岩中结构面的比例、渣中软硬岩比例等因素,应用于达坂引水隧洞的围岩分类,所提出的方法具有重要的工程应用价值。     

TBM滚刀破碎节理岩体效率分析及刀间距优化方法研究

在全断面隧道掘进机(TBM)开挖隧道过程中,常遇到节理岩体.为了研究不同刀间距下的滚刀破岩效率,对刀间距进行优化,对不同节理间距和节理情况岩体开展二维滚刀贯入试验.试验中,节理倾角设为0°、30°、45°、60°、90°,节理间距设为30mm、40mm、50mm、60mm、70mm,滚刀间距S设为60mm、80mm、100mm、120mm.试验结果表明:当节理倾角为60°时,破岩效率最高;随着刀间距的增加,破岩效率逐渐降低;不同节理条件下,刀间距为100mm,滚刀的破岩效率均达到了最优,最佳s/p值约为10.     

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。     

隧道掘进机盘形滚刀的工作原理分析

基于文献分析和工程实践，论述了隧道掘进机盘形滚刀的受力特征和破岩机理，在此基础上分析了布刀方式、刀间距的确定原则及方法，最后给出了刀盘转矩的简化计算方法，并以算例进行了说明。     

隧道掘进机盘形滚刀的工作原理分析

基于文献分析和工程实践,论述了隧道掘进机盘形滚刀的受力特征和破岩机理,在此基础上分析了布刀方式、刀间距的确定原则及方法,最后给出了刀盘转矩的简化计算方法,并以算例进行了说明.     

隧道掘进机盘形滚刀的工作原理分析

基于文献分析和工程实践,论述了隧道掘进机盘形滚刀的受力特征和破岩机理,在此基础上分析了布刀方式、刀间距的确定原则及方法,最后给出了刀盘转矩的简化计算方法,并以算例进行了说明。     

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     

TB880E型全断面岩石掘进机刀盘刀具改进

岩石掘进机利用安装于刀盘上的盘型滚刀挤压切割围岩来实现破岩,在破岩过程刀圈磨损后破岩效率降低,有时还会遭到异常损坏,为此必须经常根据磨损程度更换刀圈,然而刀圈无法在TBM上更换,只能将整刀拆除后在车间内解体、更换刀圈并维护。频繁的换刀很大程度上将会减少TBM有效工作时间,直接影响TBM的生产率和经济效益。TB880E型全断面岩石掘进机在南疆吐库二线铁路中天山隧道花岗岩段掘进时因刀具损伤频繁,造成掘进严重受阻,施工成本急剧增加,本文论述了刀盘刀具在不良地质条件下的改良方案,实施效果良好,可为相关工程提供借鉴。     

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。     

围压对TBM滚刀破岩影响规律的线性切割试验研究

 随着TBM技术在深埋隧道工程领域的应用及发展,TBM开挖过程中由高埋深或各向异性引起的岩石应力问题越来越受到人们的重视。应用北京工业大学自行研制的大型机械破岩试验平台,对4组双向等围压水平下(0,5,10和15 MPa)的大尺寸(1.0 m×1.0 m×0.6 m)北山花岗岩岩样进行线性切割试验,研究不同围压条件下滚刀破岩时作用力的曲线特征,分析围压对滚刀法向力、滚动力、岩体特征掘进指数、破岩岩片厚度和破岩比能的影响效应,并探讨围压对TBM现场掘进速率的影响。研究结果可为不同地应力条件下TBM开挖时刀盘动力参数设计与施工运行参数优化提供参考。     

基于高压水射流破岩的岩石损伤破坏效应研究

由于高压水射流破岩的影响因素繁多和作用机理的复杂,运用动态非线性有限元法,进行高压射流的数值试验,分析破岩过程中应力及破岩深度变化,以破岩过程中诸如射流速度、射流直径、射流入射角度、射流束数等控制参数为研究方向,基于ANSYA/LS-DYNA进行不同井深条件岩石破坏的显示动力有限元分析。结果表明,进行高压水射流破岩时选取不同射流控制参数所实现的射流效率明显不同,射流速度和射流直径的增大都会增加破岩的深度;射流垂直入射时,破岩效果最好;射流束数和破岩深度成反比。以本文研究结果指导实际现场操作,可以有效提高破岩效率。