高磨蚀地层TBM刀盘洞内快速修复技术

<正>全断面岩石掘进机(TBM)用于长大隧道施工中具有快速、安全、高效等钻爆法不可比拟的优势,但TBM一旦遭遇高磨蚀地层,刀盘刀具的更换与修复将花费大量的成本,如穿越秦岭的西康铁路秦岭隧道,用于滚刀的费用高达掘进机施工费用的1/3,因此,TBM刀盘刀具磨损与修复问题已得到了学术界和工程界的高度关注。对于刀盘刀具磨损与修复的问题,国内的     

TBM的刀具改性与辅助破岩技术研究现状

硬岩掘进机(TBM)主要依赖滚刀-岩石界面的滚压作用进行隧道掘进作业,滚刀刀圈磨损严重、更换频繁,严重影响TBM掘进效率.本文介绍了TBM滚刀破岩原理与典型失效形式;从滚刀材料改性和结构优化角度归纳总结了TBM刀具改性的研究现状,指出单纯的滚刀改性优化对TBM掘进效率的提升作用有限;进而介绍了水射流、超声、激光和微波等外加物理场辅助破岩技术的研究进展;最后,从岩石力学性能化学弱化角度探讨了辅助破岩技术的新思路.     

浅谈TBM刀具失效形式及影响因素

正TBM滚刀作为专业的破岩工具,其技术性能的优劣对工程进度和工程成本有重要影响。根据以往工程经验,刀具的消耗费用约占施工成本的30%,刀具检查和更换造成TBM停机的时间占施工总时间的15%,因此统计分析刀具破坏形式及原因、加强刀具管理有重要意义。一、滚刀结构山西大水网工程T2标段采用罗宾斯滚刀,刀盘开挖直径5.06 m,布置有33把滚刀。其中面刀15把,边刀10把,     

硬岩TBM滚刀安装方式设计分析

全断面硬岩掘进机（TBM）主要依靠安装在刀盘上的盘形滚刀对开挖面的岩层进行滚压破碎,在TBM施工过程中,滚刀极易磨损、更换空间狭小,换刀操作困难.文中就现有施工过程中所用的滚刀安装方式进行分析对比,设计一种新型的滚刀安装方式,以满足在TBM施工中能够快速、方便地更换滚刀的要求,提高了TBM整机施工效率.     

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。     

小断面TBM施工中的刀具损耗分析

在TBM施工过程中,刀具是岩石隧道掘进机施工的主要消耗件,对隧道施工的顺利进行和施工成本有很大影响。如能对刀具的消耗进行有效控制,将会很大程度上提高TBM施工效率和降低工程成本。以越南某水电项目TBM施工为背景,通过对刀具失效形式进行研究,并对刀具非正常损坏形式及损坏原因进行了分析。由此可知,刀具损耗受刀具质量、围岩条件、设备运行状况、施工环境等因素影响较大。结合TBM施工过程中所采取的相应措施,为今后TBM施工中降低刀具消耗率提供参考。     

盾构机刀具磨损类型和维修技术

在说明盾构机刀具磨损不良影响的基础上,分别阐述了切刀、滚刀刀具磨损类型,详细阐述了刀具选择、刀具检查、刀具更换、安装滚刀刀圈、检查调整滚刀轴承、检测安装质量等方面的盾构机刀具维修技术,可供隧道盾构施工技术人员、盾构机维修技术人员、盾构机操作人员参考.     

盾构滚刀性能检测研究现状及发展趋势

盾构/隧道掘进机（Tunnel Boring Machine,TBM）刀盘的关键核心部件刀具,直接影响掘进能力和作业效率。但是,目前刀具检测评价技术发展滞后,相关检测设备缺失,性能检测评价方法不统一。通过对现有盾构滚刀耐磨性、密封性、承载力等检测技术的应用情况和局限性展开分析,探讨滚刀性能检测技术未来的发展方向,提出应聚焦可进行量化评价的规范化、标准化检测和评价方法,结合工程应用的检测需求,构建可实现多参量数据获取的检测装备和平台,有效指导刀具生产、选用与维护。     

TBM滚刀在不同加载方式下的破岩机理研究

针对全断面岩石隧道掘进机(TBM)工作中刀具选型和刀盘中滚刀布局的问题,采用光滑粒子流(SPH)方法和有限元方法复合建模,对TBM常用的V型和常截面(CCS)盘形滚刀分别在同时加载和顺次加载两种情况下的破岩机理进行数值试验研究,得到了两种不同截面滚刀在不同加载顺序下破岩的动态过程和滚刀侵入过程中岩石裂纹的产生和扩展过程.研究结果表明:V型滚刀顺次加载下的破岩效果好于同时加载,CCS滚刀顺次加载时有利于大块岩屑的形成.     

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。     

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.     

全断面隧道掘进机刀具异常磨损的识别分析

针对全断面隧道掘进机（TBM）施工过程中刀具过度磨损或异常磨损的识别问题，在分析TBM掘进效率影响因素和进行掘进状况无监督模式识别的基础上，利用现场掘进数据，得到场切深指数fFRI和切割系数C在不同掘进状况下的相互影响规律，据此提出以两者作为TBM刀具异常磨损的二维特征识别参量，确定了此空间中的刀具异常磨损决策阈值。TBM刀具磨损的预测和异常磨损识别方法的确定，对于保障TBM的安全掘进以及提高其利用率和经济性具有重要意义。     

TBM盘形滚刀破岩接触区受力分布

根据全断面岩石隧道掘进机(TBM)盘形滚刀破岩的特点,采用光滑粒子流(SPH)方法和有限元方法混合建模,对TBM常截面(CCS)盘形滚刀破岩过程进行三维数值试验研究.得到了不同贯入度情况下滚刀破岩时受到的正压力、滚动力及其分布规律,并利用CSM模型对试验结果进行了验证.最后得到了盘形滚刀破岩接触区内压力的分布规律,为TBM盘形滚刀的设计及应用提供参考.     

基于轴承等效刚度法的TBM盘形滚刀模态分析

为了指导岩石隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)所用盘形滚刀(以下简称滚刀)的选型和装配,在合理分析滚刀实际受力与轴承变形特性的基础上,基于等效刚度法,将复杂轴承结构简化成弹簧阻尼质点系统,并提出了ANSYS环境下滚刀动力学有限元建模方法。通过算例计算,提取了滚刀前五阶模态参数,归纳了各阶模态的振型特征,并结合TBM标准线切割实验台上获得的滚刀垂直力载荷特征,分析了算例滚刀模态激发的可能性。最后,在不改变模型其他参数的前提下,分析了轴承等效刚度对滚刀模态参数的影响规律,并从轴承选用和轴向预紧力两个方面,给出了改进建议。研究结果表明,滚刀一阶固有频率随着轴承等效径向刚度的增加而增加,但受轴承等效轴向刚度影响较小;算例滚刀一阶固有频率较低,与特定工况下阶跃破碎周期接近,故易引发刀具共振;高阶模态较难激发。     

TBM边缘滚刀组合破岩特性及其影响因素敏感性评价

盘形滚刀是全断面硬岩掘进机(Tunnel boring machine,TBM)破碎岩石的关键部件,边缘滚刀因其安装位置的特殊性,破岩行为不同于正面滚刀。为了研究边缘滚刀组合破岩特性以及破岩参数对其破岩性能的影响,采用颗粒离散元法建立边缘滚刀组合破岩模型,研究边缘滚刀组合破碎花岗岩与石灰岩时岩体裂纹演化过程、应力分布特征以及刀具载荷变化规律。在此基础上,建立基于敏感度熵权的边缘滚刀破岩参数综合评价模型,研究边缘滚刀破岩敏感性参数对破岩效率、裂纹扩展能力等的影响程度。研究结果表明:不同岩石条件下,滚刀破岩特性以及破岩参数敏感度有所区别;滚刀间倾角差、刀盘圆弧半径和刀刃角对边缘滚刀破岩性能影响最为显著,刃宽与贯入度影响次之,刀盘转速影响最小。     

一种硬岩掘进机滚刀设计研究

刀盘是硬岩掘进机施工中的关键部件,而滚刀是刀盘掘进中的利器,掘进机在施工过程中能否顺利推进,能否把坚硬的岩石啃下来,完全取决于滚刀的性能。假设岩体是连续和均质的工况下,对特定的硬岩掘进机滚刀起动牵引力的数值进行计算,计算的结果比实际所需的值略大,安全系数高,滚刀性能卓越、稳定,并可节约施工时间。通过三维建模和计算校核可知,刀轴设计满足强度要求。     

基于能量法的TBM滚刀磨损机理分析研究

滚刀的磨损消耗是全断面岩石隧道掘进机(Tunnel boring machines,TBM)掘进成本的重要组成部分。针对于此,基于中国秦岭和挪威R?ss?ga硬岩隧道的实际工程数据,使用能量分析的方法对滚刀磨损进行了分析研究。提出了滚刀刃单位磨损功和等效磨损函数,通过分析刀盘上不同区域滚刀的运动、受力和磨损机制,建立了基于各刀位滚刀破岩载荷、滚刀安装参数和TBM掘进参数的滚刀刃单位磨损功计算公式。通过求解8.8 m和7.23 m直径TBM的等效磨损函数,并计算相应的滚刀刃单位磨损功,对比分析了不同刀盘、不同地质条件和不同刀盘区域的滚刀磨损,发现:等效磨损函数与滚刀寿命系数(CLI)成反比,等效磨损函数的对称轴位置取决于滚刀布局,对称轴位置的滚刀破岩和磨损状态最理想。揭示了刀盘内侧和外侧区域滚刀高磨损率的原因,提出了增大刀盘内侧滚刀间距、增大30°~40°倾角的边滚刀数目的滚刀布局建议。     

TBM刀盘地质适应性设计方法及其应用

刀盘是全断面硬岩掘进机(TBM)的核心部件,其结构的地质适应性是决定TBM掘进效率的关键因素。根据TBM刀盘制造企业设计的实际需要,制定了刀盘设计基本流程,结合掘进地质条件、刀盘结构参数和掘进参数,建立了刀具布置、开口、盘体设计等关键参数计算模型,提出相应的TBM刀盘地质适应性设计方法。将TBM刀盘设计方法应用于某供水工程,对该工程所用TBM的刀具布置参数、刀盘驱动性能与掘进参数以及刀盘结构参数进行地质适应性设计,并对设计方案进行了力学性能和出渣性能仿真分析。研究结果表明,刀盘设计方法能有效实现刀盘结构、刀具布置以及相关掘进参数地质适应性设计,所设计的刀盘力学性能满足施工要求。目前该刀盘在引水工程中累计已掘进12 km,工作状态良好。     

基于现场测试的硬岩掘进机振动特性

硬岩掘进机(tunnel boring machine,简称TBM)在滚刀破岩力的强冲击激励下振动剧烈。从激励、结构和边界条件等方面分析TBM的振动机理,指出TBM动力学理论建模的难点,提出基于现场振动测试研究TBM振动特性和指导理论建模。根据施工环境,确定TBM现场振动测试方案,包括测试系统组成、测点布置和数据采集,应用于实际工程中TBM掘进振动加速度测试,基于现场测试数据分析TBM的振动特性。结果表明,主轴承附近电机测点的振动加速度有效值达20~30m/s~2,主梁、撑靴测点的振动加速度达到3~6m/s~2,刀盘驱动系统的振动频率较高,支撑-推进系统的振动频率较低,TBM子结构表现为多模态耦合振动。现场测试揭示了振动机理,为TBM动力学建模分析和减振设计提供了技术依据。