不同控制模式对TBM滚刀破岩性能影响的室内试验研究

为研究不同控制模式对隧道掘进机(TBM)滚刀破岩力的影响,采用盾构与掘进国家重点实验室的机械破岩平台,分贯入度控制模式和推力模式对水泥砂浆试件进行室内全尺寸旋转切削试验.分析不同控制模式下法向力、滚动力、切削系数、比能和岩体可掘进指数的变化规律,结果显示恒推力模式的岩石切削效率比恒贯入度控制模式高.     

TBM滚刀贯入度及受力影响研究

掘进机(TBM)刀盘滚刀间距布置是否合理关系着其破岩速率的高低。为了探究滚刀间距对TBM破岩的影响,文章采用离散元软件PFC~(3D)模拟滚刀的线性切割实验,对不同贯入度的滚刀破岩效果进行研究。研究结果表明:(1)随着贯入度增大,平均滚动力和平均侧向力逐渐增大;后滚刀的平均滚动力和平均侧向力略大于前滚刀。(2)随贯入度增大,前滚刀平均垂直力逐渐增大。贯入度为4 mm时,岩石未产生贯穿裂缝,形成岩脊,后滚刀平均垂直力小于前滚刀;贯入度为6 mm时,裂缝分布较密且扩展连接形成贯通裂缝,后滚刀平均垂直力相对前滚刀降低10%;贯入度为8 mm时,裂缝贯通且岩石过度破碎,后滚刀平均垂直力相对于前滚刀大幅度降低,降低幅值达51%。     

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。     

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。     

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％.     

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.     

基于多目标支配方案的TBM刀盘布置优化分析

为了提高复杂条件下TBM的地质适应性及刀盘的切削效率,基于全断面掘进机的破岩机理,考虑TBM刀盘间距S、贯入度P等参数对TBM掘进效率的影响,引入模糊隶属度的数学概念来评价S/P值的最优区间,以多设计目标作为优化约束,对国内最早使用TBM的秦岭隧道工程案例采用Pareto最优解进行逼近,验证了刀盘刀具布置优化方法的可行性,理论上可为后继工程实践提供有价值的参考。     

围压对TBM滚刀破岩影响的数值模拟研究

采用一种新的无网格数值计算方法—广义粒子动力学法(GPD),研究了水平方向围压为0,5,10,15,20 MPa条件下,全断面隧道掘进机(TBM)滚刀的破岩过程及破岩模式,分析了围压对岩体可掘性的影响。得到:(1)围压的存在抑制中央裂纹的扩展;(2)随着围压的增加,赫兹裂纹的扩展方向发生偏转,与水平面的夹角变小;(3)相同贯入度下,随着围压的增加,滚刀法向力及其掘进指数均增加。利用GPD法分析了锦屏二级水电站隧道施工中,含节理的岩层中高地应力对TBM滚刀破岩的影响,成功模拟出高地应力下节理岩体的板裂化现象,得到高地应力能够使岩体产生板裂化促进滚刀破岩。     

线性和旋转切割方式滚刀破岩试验对比研究

隧道掘进机(TBM)的施工中破岩效率直接影响了工程的进度、造价。室内试验可以较真实地模拟滚刀破岩的过程,优化TBM设计参数。由于试验设备的限制,此前室内试验均为线性切割,与实际施工的旋转滚刀旋转破岩有一定差异。基于北京工业大学自主研制的机械破岩试验平台,采用19in(483mm)常截面盘形滚刀,以80mm刀间距、0.5mm贯入度为间隔,分别对某引水工程花岗岩进行线性切割和旋转切割破岩试验。对比分析了两种切割方式对滚刀力、比能的影响,发现两种切割方式下法向力、滚动力和比能变化趋势大体相同,只有侧向力存在明显差异。     

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。     

自由面对滚刀破岩机制影响的数值模拟研究

为了研究自由面对滚刀破岩机理的影响,运用UDEC方法建立了滚刀贯切岩石的二维数值系列模型,对TBM滚刀破岩过程进行了仿真。分析表明：在合理的刀间距和贯人度情况下,破碎坑自由面的存在使裂纹扩展能耗降低,裂纹密度增大,起裂方式增多,容易实现体积破碎,提高滚刀破岩效率。     

简单复合岩体中TBM多滚刀破岩机理离散元分析

采用引入考虑胶结尺寸的微观接触模型的PFC^2D离散元软件,对全断面岩石掘进机（TBM）盘形滚刀作用下简单形式的复合岩体破岩机理进行数值模拟研究。进行了单滚刀、双滚刀和三滚刀作用下的复合岩体破碎过程的模拟。模拟结果表明：滚刀破岩过程可以分为三个阶段：加载阶段、卸载阶段和残余跃进阶段。通过双滚刀和三滚刀侵入复合岩体的推力-侵深曲线分析,软岩上的滚刀比硬岩上的滚刀进入各阶段稍慢,略有滞后;不同滚刀间的峰值法向推力相差较大,易造成滚刀磨损。对于花岗岩-绿片岩复合岩体,破岩时接触力链被岩体分界面分割,硬岩区胶结破坏数目较多,双滚刀、三滚刀侵入时易形成贯通裂缝;破岩效率由大到小为双滚刀效率、三滚刀效率、单滚刀效率,而且双滚刀能够将效率提高一倍左右。     

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。     

基于耦合FDM-DEM方法的TBM滚刀最优化研究

为确定TBM盘型滚刀的最优布置,结合有限差分法(FDM)和离散元法(DEM)的优点,采用FDM-DEM耦合的数值模拟方法,对不同刀间距和贯入度条件下TBM双滚刀破岩过程进行三维动态仿真模拟,分析研究了不同滚刀配置对岩石破碎效果的影响。为了验证所提出方法的可行性和准确性,利用线性切割机(LCM)对科罗拉多红色花岗岩进行了切割试验,通过对比分析线性切割试验数据,验证了所提出方法的可行性。数值模拟结果表明：对于科罗拉多红色花岗,滚刀法向力和切向力会随着刀间距和贯入度比值的增加先减少后增大,当刀间距和贯入度的比值为20左右,滚刀法向力和切向力最小。线性切割试验和数值模拟结果均表明,当间距和贯入度的比值在17～20左右,岩石切割的比能量最低,此时TBM切割效率最高。文章提出方法的方法可以为TBM滚刀刀头配置提供重要依据。     

基于HJC模型的盾构滚刀破岩能力研究及应用

为探明适用于济南地区不同地层条件下的盾构滚刀,文中基于HJC模型采用LS-DYNA对济南地铁R2线某盾构区间所选用的两种滚刀进行了动力学分析.结果表明刃宽为25mm的平刃滚刀适用于贯入度较大的施工条件,刃宽为22mm的圆刃滚刀在小贯入度情况下破岩效率更高.     

苏埃通道工程软硬不均地层盾构掘进参数模拟试验研究

针对汕头苏埃通道工程盾构需在主航道下方通过上下差异性极大的软硬不均地层时所面临的掘进参数选取难题,采用工程现场的岩样开展软硬不均地层盾构掘进参数模拟试验,获取了软硬不均地层条件下贯入度、刀间距与破岩推力、扭矩、破岩效果的关系。试验结果表明,目前盾构刀盘采用的刀间距(90,100,120mm)均能够有效破岩,若采用17in盘形滚刀将存在滚刀超载风险,应采用19in滚刀或采用高承载力的滚刀轴承。     

浅谈隧道施工中TBM滚刀失效及刀具管理

通过全断面硬岩掘进机在新疆大坂隧洞工程中的运用,对TBM滚刀失效形式进行了分类,分析了TBM滚刀失效的影响因素,提出了加强刀具的管理、建立信息化管理系统,对有效利用刀具、降低施工成本、提高掘进效率具有重要的意义。     

采用正交试验优化分析极硬岩隧道滚刀刃形

滚刀的破岩效率是影响隧道掘进机掘进进度的关键因素。依托深圳地铁极硬岩掘进工程,研究极难掘进的致密花岗岩地层滚刀刃形破岩效果。通过正交试验分析滚刀各相关参数试验,确定在极硬岩地层中滚刀刃形尺寸对硬岩掘进效率有较大影响,得到了施工掘进参数和刃形参数对掘进效率影响的权重,为硬岩地层刀具的选型提供参考。     

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。     

评价岩石脆性指标对滚刀破岩效率的影响

 脆性是岩石重要的力学性质之一。岩石脆性与滚刀破岩效率密切相关,但目前还没有统一的用于评价滚刀破岩效率的岩石脆性指标。总结现有的35种脆性指标,将其分为基于强度、应变、应变能、硬度、莫尔包络线、特殊试验和其他等7种类型。为研究岩石脆性与滚刀破岩效率之间的关系,通过滚刀贯入试验,引入归一化比能概念,提出表征岩石脆性的新指标,重点研究基于强度和贯入试验的脆性指标与归一化比能之间的关系。试验结果表明：(1) 滚刀更难贯入高强度岩石;(2) 脆性指标B2和B4与归一化比能之间呈强烈的指数函数关系,随着脆性的增高,归一化比能降低,滚刀破岩效率增高,应优先选用脆性指标B2来评价滚刀破岩效率,其次是脆性指标B4;(3) 将单轴抗压强度约20 MPa定义为单轴抗压强度过渡值,滚刀不适宜切削单轴抗压强度小于20 MPa的软岩。试验结果对评价滚刀破岩效率时岩石脆性指标的选取具有一定的指导意义。