TBM窄刃刀与标准刀现场性能对比测试与分析

极硬岩条件下如何进行刀具选型,使TBM掘进速度和刀具消耗取得综合效益,是有待解决的具有争议性的问题。为此,依托新疆YE工程现场TBM实际掘进,在岩石单轴抗压强度为100~150 MPa的完整Ⅱ类凝灰岩条件下,对比测试刀盘主要区域窄刃刀和标准刀的掘进性能表现以及刀具消耗情况,探索降低滚刀刀圈刃宽,提升TBM贯入度和掘进速度的可行性与合理性。结果表明:1)使用窄刃刀破岩对贯入度和施工速度有着较为明显的提升,且随着围岩抗压强度的增加,窄刃刀对掘进速度的提升效果明显;2)与标准刀相比,窄刃刀消耗数量也有较大增加,但2种滚刀的失效形式占比情况大致相同,对TBM作业利用率影响极小;3)经综合成本估算,窄刃刀通过提升施工速度节省的成本远高于刀具消耗增加的成本。

TBM双刃滚刀破岩过程模拟研究

采用ANSYS/LS-DYNA对TBM双刃滚刀破岩过程进行动态掘进仿真和动力学分析。根据济南R2线工程地质和TBM设备参数,建立双刃滚刀-岩石三维模型,通过对双刃盘形滚刀不同刀刃宽度、不同贯入度进行仿真,分析双刃滚刀受力情况,并与CMS模型对比,研究TBM双刃盘形滚刀刀刃宽度、贯入度在破岩过程中的影响。通过分析结果表明:当双刃滚刀贯入度在5~7 mm时,比耗能较小,对应双刃滚刀破岩效率较高;在贯入度定值下,随着刀刃宽度增加,侧向力与滚刀破岩力随之增加,刀刃宽度在16~20 mm时对应的破岩效率较高。通过分析双刃盘形滚刀破岩特征,对深入研究盘形双刃滚刀优化设计提高破岩效率具有重要的工程价值。

TBM滚刀不同刀刃宽破岩动力学特性分析

全断面硬岩隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)被广泛应用于现代隧道施工建设。作为其核心部件,TBM滚刀的受力情况也成为了研究重点。为了研究不同刃宽滚刀的特性,建立滚刀破岩力学模型。通过建立不同刃宽滚刀破岩三维模型对同一岩石进行动力学仿真,将后处理得到的数据进行整理绘制曲线,对比结果验证模型正确性并分析其特点。结果表明,破岩时需要根据实际情况合理设计滚刀刃宽以达到最佳破岩效果,可为今后研究滚刀破岩提供一定的理论依据。

不同围压下刀宽对滚刀破岩特性的影响规律

在考虑围压这一真实地质因素条件下,基于颗粒流离散元法,建立不同围压与不同刀宽下滚刀侵入破岩模型,模拟滚刀作用岩石下裂纹的扩展以及破岩阻力变化等规律,并利用真三轴实验台进行试验验证.研究结果表明:滚刀侵入破岩时,随围压增加,裂纹扩展由垂直方向向水平方向和自由面转变,当围压增加到20MPa后裂纹沿垂直方向和水平方向的扩展均受到抑制;随刀宽增加裂纹扩展能力增强,但高围压会限制刀宽对裂纹扩展的影响;围压和刀宽增加均会增加滚刀破岩阻力;当围压小于5MPa时,随刀宽增加比能耗减小,而当围压大于20MPa时,随刀宽增加比能耗增加;实验中所得到的不同围压下裂纹扩展以及滚刀破岩阻力等变化趋势与数值模拟结果一致.

全断面岩石掘进机盘形滚刀刃宽和刃角设计方法的探讨

盘形滚刀是全断面岩石掘进机破岩刀具,由于作业环境恶劣,因此寿命较低,是研究的热点。通过将盘形滚刀看成是径向纤维组织组成的盘形构件,且沿整个盘形滚刀刃的受力情况与正在破岩的弧段刃一样,构建了盘形滚刀破岩的工程力学模型。该模型解刃宽与某引进17英寸盘形滚刀完全一致;模型解刃角偏小,其相对误差为20%。将盘形滚刀刃展开,并假设为无限长楔形体,全楔顶受力等同于正在破岩的弧段刃,据此构建了盘形滚刀刃破岩的弹性力学模型,该模型解刃角偏大,与某引进17英寸盘形滚刀刃角相比,相对误差为38.3%。上述研究方法和研究结论可为盘形滚刀设计理论的建立提供借鉴。