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。     

隧道掘进机刀群与盘体支撑筋耦合布置设计

刀盘是全断面隧道掘进机(Tunnel boring machine,TBM)的关键部件,TBM刀盘系统设计直接关系掘进效率和可靠性。刀盘系统设计的关键是复杂岩石边界下刀群布置设计与刀盘盘体结构设计,二者相互耦合,相互影响。分析刀群与盘体支撑结构之间空间位置耦合以及支撑结构与刀盘强度刚度之间的非线性耦合关系,建立刀群与盘体支撑结构耦合布置优化模型,提出多子系统协同进化的刀具适应性布置与盘体结构耦合设计方法。以引洮工程为例进行验证,结果表明：支撑筋初始安装角与刀盘强度、刚度之间存在非线性函数关系,多子系统协同进化方法求解出的刀群与支撑筋耦合布置方案的最大等效应力、最大变形量、不平衡力矩、不平衡力、顺次角度等指标相比原方案降低了30%以上,以此证明提出的耦合优化模型及其求解方法的可行性和有效性,可为TBM刀盘系统设计提供一定的借鉴与方法支撑。     

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。     

基于数值仿真的盾构刀盘载荷影响因素分析

盾构刀盘在掘进过程中受到周围环境的影响工作状态随时改变,文章通过将盾构刀盘掘进过程简化为刀盘刀具掘土作用,采用数值方法对刀盘掘进过程进行了全物理过程仿真,分析了地质参数、施工参数以及结构参数等影响因素对处于稳定工作状态的盾构刀盘切削力及扭矩等动态掘进载荷分布的影响。     

面向掘进性能的盾构刀盘系统设计方法研究

提出了盾构刀盘系统设计和评价方法的理论框架,重点阐述了刀盘系统设计流程。采用经验公式和理论分析的方法,面向刀盘系统的排土率、掘进面稳定性、刀具寿命、刀盘功率和结构性能,给出了刀盘系统设计的流程。以北京地铁4号线角门北路站—北京南站区间路段为背景,设计出相适应的刀盘结构参数、刀具布置和操作控制参数。该设计结果与实际使用刀盘结构相似,说明设计流程可行。     

基于数字样机技术的隧道掘进机刀盘破岩机理分析

针对隧道掘进机(TBM)刀盘设计中刀具布置规律优化的问题,分析了TBM刀盘的破岩机理,建立了TBM工作时的刀具受力模型,并提出了如何提高刀盘破岩性能的方案。构建了带复杂约束的多变量非线性目标数学模型,并采用智能算法开发了一种针对刀盘上刀具布置规律的优化程序。针对EPB6.28m型TBM刀盘上的盘形滚刀建立了破岩仿真有限元分析模型。在滚刀工作时的实际工况条件下进行了岩石压痕试验与线性切槽试验的仿真分析,获得了该盘形滚刀工作时的压力—贯入度关系以及最优刀间距范围,为TBM刀盘和盘形滚刀的参数设计以及刀具布局优化提供了参考。     

复合式土压平衡盾构机刀盘性能综合评价方法

复合式土压平衡盾构机刀盘对复合地层的适应性决定了施工的安全性和经济性。由于刀盘结构的多样性以及施工环境的复杂多变性,不同类型的刀盘在应对不同地层时,其综合性能表现不一,目前仍缺少对其综合性能进行评价的有效方法。在考虑刀盘性能影响因素多层次、多方面和相关联性的基础上,从刀盘的结构性能、刀具布置性能、力学性能、经济性、安全可靠性和环境适应性等方面,建立刀盘性能评价指标体系。根据刀盘递阶层次结构评价模型特点,提出一种基于模糊数学与评价理论,以模糊层次分析法计算刀盘指标权重,通过模糊综合评价和模糊优劣解距离决策法对刀盘进行综合性能评价的方法。结合长沙某地铁施工标段地质条件,选取四种常见的复合式土压平衡盾构机刀盘方案,进行评价确定最终方案,并通过工程实例验证本方法的合理性和有效性,为施工过程中的刀盘方案选型决策提供一种新方法。     

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.     

复合地层下盾构刀盘滚刀刀具的布置与优化

盾构滚刀刀具直接与岩土接触并进行切削。在复合地层下,滚刀布置的优劣和刀具的寿命与盾构掘进性能的好坏有着直接的联系,影响着盾构的施工效率。以滚刀的布置规律为基础,结合工程实例,分析了某复合地层下影响盾构滚刀刀具布置的关键因素和盾构刀盘刀具的轨迹曲线,并对刀盘的力学性能进行了校核,最后利用遗传算法对滚刀刀具的布置进行了优化,实现了刀盘滚刀刀具布置的最优化。研究结果为复合地层下盾构刀盘刀具的合理布置提供了理论依据,同时也保证了盾构施工的安全性,对提高刀具的使用寿命具有重要的科学意义与工程价值。     

全断面岩石掘进机刀盘结构主参数的优化设计

全断面岩石掘进机(TBM)刀盘是TBM的核心部件,其结构参数设计是其核心技术之一。论述以青海隧道的TBM刀盘结构设计为背景,考虑青海隧道地质岩石边界条件,根据相关的刀盘结构参数设计的复杂工程技术要求,建立了刀盘结构主参数优化设计模型,以刀盘结构强度和刚度为优化目标,采用近似相应面模型建立刀盘结构强度和刚度分析的近似模型,进而采用多目标遗传算法对刀盘主要结构参数进行优化。与原TBM刀盘结构设计方案进行对比表明,本文获取到的刀盘主结构优化设计参数具有更好的刀盘结构刚度和强度,可以改善刀盘主轴承受力状况,延长主轴承寿命和滚刀寿命,可以为工程师在进行刀盘结构设计时提供刀盘的主结构参数,提高刀盘结构的强度和刚度性能。     

基于CFD的土压平衡盾构刀盘开口分布特征研究

土压平衡(Earth pressure balance,EPB)盾构刀盘的开口率及开口分布特征的设计是刀盘地质适应性设计的关键技术之一,直接影响开挖渣土的流动性及盾构的掘进效率。针对不同掘进地质条件下盾构刀盘开口设计的复杂性问题,利用刀盘切削渣土被改良为"塑性流变状态"的特性,运用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)理论,建立包括渣土、刀盘、土舱和螺旋输送机在内的CFD模型,利用实际工程掘进数据验证CFD模型计算结果的正确性与方法的可行性,在此基础上,分析获得给定地质条件下相同开口率不同开口分布特征的刀盘前后渣土的压力分布规律,以及刀盘开口分布特征对盾构机刀盘开挖渣土流动性能的影响作用关系,并通过回归分析,得到刀盘开口分布特征与刀盘前后渣土压力之间的映射关系。研究为高效、稳定掘进的土压平衡盾构刀盘拓扑结构优化设计提供方法。     

微型土压平衡盾构机刀盘的设计

为了满足微型土压平衡盾构机在不同地质条件下的正常掘进,设计制造了开口率可变的0.92m微型土压平衡盾构机刀盘。对微型盾构机刀盘的结构设计与刀具的布置方法进行了详细说明,并结合地质和岩土工程方面的知识,对微型土压平衡盾构机刀盘所受载荷进行了计算。利用CATIA软件对所建立的刀盘三维模型进行了有限元分析,结果表明刀盘的结构设计完全满足使用要求。     

一种EPB&TBM双模盾构机刀盘结构设计及有限元分析

针对隧道掘进区间长、地质情况差异较大、地层变化复杂、单一模式的盾构机刀盘已难以适应掘进任务的情况,设计一种适应于EPB(土压平衡)和TBM(硬岩掘进机)两种模式的盾构机刀盘结构,详细介绍了两种模式下刀盘转换流程,对刀盘结构进行了受力特性有限元分析,获得了刀盘的应力及变形情况.结果表明,双模刀盘满足强度和刚度的要求,能适...     

TBM刀盘掘进载荷影响因素研究

全断面隧道掘进机(TBM)刀盘总推力与总扭矩是决定刀盘使用性能的关键因素。基于扩展Drucker-Prager岩石屈服准则,采用有限元软件ABAQUS模拟刀盘掘进破碎岩石的过程,利用正交试验方法研究了刀盘工作参数、地质参数和结构参数对刀盘总载荷的影响规律。结果表明:刀盘直径对刀盘掘进的总载荷起决定性作用,贯入度以及岩石单轴抗压强度对其有明显的影响,刀盘转速对其影响最小。通过单因素分析了贯入度与刀盘转速对刀盘总扭矩的影响,并对比工程实际数据对其进行了验证。     

盾构刀盘多目标优化设计

盾构刀盘设计的时候应该充分考虑到整个刀盘的刀盘开口率、刀具的布置、结构形式等对刀盘的影响，必须适合使用条件，确保使用过程中在保持稳定的前提下提高掘进速度。刀盘设计是盾构机的主要零部件，其结构设计的合理性直接影响到盾构机的性能。为了提高设备的使用效率，需要合理优化刀盘结构。文章主要从盾构机刀盘的结构形式、结构设计和优化设计目标三个方面进行简要分析。优化后的盾构刀盘应力分布更加均匀、刀盘结构的强度增加，为盾构机刀盘今后的设计与发展提供参考。     

复合地层的盾构机刀盘设计

针对土压平衡式盾构机的复合式刀盘设计,从刀盘结构、刀具类型和布置、开口率和搅拌翼、泡沫注入口及耐磨性设计等方面分别进行分析,新设计的刀盘不仅提高了刀具的耐磨性,满足了刀具的强度要求,还提高了刀盘的掘进效率.     

基于振动实测的TBM施工数据分析

为了解决TBM刀盘振动异常等问题,通过搭建加速度数据远程采集平台,实现了在刀盘处采集振动数据。通过对采集数据进行统计分析,确定了施工数据预处理方法,研究了地质参数与掘进参数的关系,获得了不同围岩等级下主要掘进参数的分布范围。研究表明,随着掘进速度、转速的增加,刀盘振动呈现增长趋势。通过对施工实测数据的分析,可以为TBM操作参数的合理选择提供指导,从而保证TBM长时间地安全运行。     

刀盘长寿命设计分析

提出了刀盘长寿命设计要以地质条件和隧道设计参数为依据,从预防刀盘的各种失效形式角度进行设计。主要包括正确的刀盘选型及结构设计、适合施工地质的刀具选型和合理的刀具布置、合理的渣土改良及完善的耐磨保护措施。介绍了智能刀盘在刀盘长寿命设计中的保障作用。     

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。