盾构机扁齿型和球齿型镶齿滚刀破岩性能对比研究

盾构机在复杂地质条件下施工时,易出现刀具磨损严重、刀具消耗量大和掘进效率低等一系列问题。为了明晰不同岩石特性下镶齿滚刀破岩性能变化规律,提高镶齿滚刀破岩效率和使用寿命,保证水利隧洞工程安全高效施工,基于非线性有限元动力学软件,开展了不同岩石特性下扁齿型和球齿型镶齿滚刀破岩仿真模拟。通过多组仿真模拟,探究了不同岩石特性下两种镶齿滚刀和贯入度的最优组合,并通过室内破岩试验对仿真结果进行了验证。研究结果表明:凝灰岩地质条件下扁齿型和球齿型镶齿滚刀破岩载荷差异性较小,但球齿型镶齿滚刀破岩效率更高;砂岩和花岗岩地质条件下,扁齿型镶齿滚刀贯入岩石能力更强,可进一步提升滚刀破岩效率。此外,在不同岩石特性下,两种镶齿滚刀破岩比能耗均随着贯入度的增大而呈现出先减小后增大的趋势,并在贯入度6 mm左右出现最小值。研究结果可为隧道工程的盾构机刀具选型提供参考。

滚刀-高移速水射流耦合切削极硬花岗岩试验与模拟研究

目前,全断面隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀与高压水射流耦合破岩研究中,水射流切槽大多由低移速水射流切割而成,这与实际情况下耦合在TBM刀盘上的高移速水射流所制备的切槽不同,进而影响滚刀-水射流耦合破岩结果的可靠性。针对上述问题,采用2种喷嘴直径(0.5 mm和0.7 mm)、3种移速(1.8,2.4和3.0 m/s)的高移速水射流,耦合小尺度TBM滚刀(刃宽为2.3 mm和直径为43.2 mm),对极硬花岗岩进行切削试验,研究不同切削模式下的岩石破碎效果、滚刀法向力以及破岩比能的变化规律,同时开展全尺度滚刀与高移速水射流切槽耦合破岩的数值模拟,作为小尺度破岩试验的补充。研究结果表明:高移速水射流切槽的底长和高度随喷嘴直径的增大而增大,随喷嘴移速的增大而减小;在共轨破岩试验中,小滚刀下方岩石被高移速水射流部分移除,导致破岩载荷和破岩效率降低;在错轨破岩试验中,当小滚刀与水射流切槽间距大于15 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果趋于消失,当间距为12 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果最显著,破岩比能比纯滚刀切削降低68%;由于高移速水射流切槽小、滚刀刃宽大,导致切槽对滚刀破岩的辅助效果很小。为提升高移速水射流辅助TBM滚刀破岩效果,建议提升水射流的切割能力从而提升切槽深度,适当减小滚刀刃宽从而提升滚刀贯入岩石的能力,适当减小滚刀与切槽间距从而发挥切槽临空辅助破岩作用。

磨料水射流辅助与常规工况下滚刀破岩特性对比研究

为了研究磨料水射流辅助与常规工况下滚刀破岩特性的差异性,开展了两种工况下的破岩试验,对比分析了不同切削间距下岩石破碎状态、破岩载荷以及破岩效率的差异性。研究结果表明,相较于传统滚刀破岩,磨料水射流辅助滚刀破岩可提高滚刀贯入硬岩的能力,促使裂纹在岩体内部的拓展,产生大尺寸岩渣。磨料水射流辅助下滚刀垂直力和滚动力均明显低于常规滚刀破岩,平均下降了39%和25%,同时,磨料水射流辅助下滚刀破岩量增多,破岩效率进一步提高,约为常规滚刀破岩效率的1倍~2倍。研究结果为提高硬岩地质条件下滚刀破岩性能,实现隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)的高效掘进提供参考。

国内外隧道盾构机技术发展趋势与应用

盾构机是一种专业工程机械,它主要用于在地下施工中开挖隧道。随着盾构掘机的发展,它集成了信息、光、电、传感、液、机、技术于一体,涉及地质、测量、电气、液压、机械、等多门技术,具有土碴运输、土体切削、衬砌隧道等功能,而且对于不同的地质进行相应的方案设计,准确性很高。文章介绍了盾构机的历史及其在具体工程中的应用与发展方向。

预切缝对滚刀破岩裂纹扩展的影响规律研究

针对硬岩地质条件下传统滚刀破岩出现贯入度低、磨损严重和破岩效率低等问题,许多新型辅助破岩方法被提出,如通过激光、水射流等非接触式破岩方法在岩石上制造预切缝来辅助滚刀破岩。为了明晰预切缝条件下滚刀破岩机理,采用颗粒离散元方法建立预切缝在滚刀侧面(侧置式)和滚刀前面(前置式)两种辅助破岩仿真模型,探究了预切缝深度和间距对滚刀破岩裂纹拓展的影响规律。研究结果表明:1)侧置式辅助破岩模型中,预切缝主要影响裂纹的拓展,诱导破岩过程中侧向裂纹向预切缝底端扩展;前置式辅助破岩模型中,预切缝主要影响裂纹的萌生起裂,在贯入初期只产生侧向裂纹,并促使侧向裂纹向两侧扩展。2)滚刀垂直力和裂纹数量均随着预切缝深度的增加而减小,但滚刀垂直力随着刀间距的增大而增大,裂纹数量则随着刀间距的增加先增大后减小。3)同等条件下,侧置式辅助破岩模型的破岩效率要高于前置式辅助破岩模型,但前置式辅助破岩模型中滚刀的垂直力要远小于侧置式辅助破岩模型中的滚刀垂直力,可通过进一步增加前置式辅助破岩模型中滚刀贯入度来充分利用预切缝辅助破岩。4)滚刀贯入度一定时,侧置式辅助破岩模型适用于预切缝深度大于滚刀贯入度的情况,而前置式辅助破岩模型适用于预切缝深度小于滚刀贯入度的情况。

高压辊磨机与大型立磨机联合碎磨工艺研究分析

以碎磨工艺发展历程为出发点,通过介绍高压辊磨机和立磨机的工作原理及优势,阐述了二者组成联合碎磨工艺流程的可行性;通过分析现有高压辊磨机、立磨机以及二者联合碎磨典型工艺流程,阐述了二者组成联合碎磨工艺流程的优势,并介绍了高压辊磨机与立磨机联合碎磨工艺研究现状。此外,还提出了高压辊磨机与立磨机联合碎磨工艺今后的研究重点。