TBM的平面刀盘与两级刀盘的力学性能对比分析

为解决全断面岩石掘进机(TBM)大直径(>10m)平面刀盘承受的破岩载荷、偏心载荷过大会造成刀盘大变形、主轴承损坏的问题,引入一种两级刀盘。基于应用在西秦岭隧道的平面刀盘,采用灰关联分析的方法设计了两级刀盘的结构;建立复合岩层条件下平面刀盘和两级刀盘的受力分析模型,对比分析了两种刀盘的破岩总推力和扭矩、刀盘径向不平衡力和倾覆力矩;建立均一岩层条件下两种刀盘的有限元模型,对比分析了两种刀盘的变形和应力分布。结果表明,两级刀盘的各级破岩总推力、扭矩、径向不平衡力、倾覆力矩、刀盘变形和最大应力均比平面刀盘小,说明两级刀盘有效地把破岩载荷分散到各级刀盘,同时提高了刀盘刚度,避免了刀盘应力过度集中,有效减小了刀盘的偏心载荷。

深埋隧道两级螺旋式刀盘掘进地应力释放机理研究

【目的】护盾式全断面岩石隧道掘进机(TBM)掘进大埋深山岭隧道时,平面式刀盘存在直接掘进的岩爆风险高等问题,亟需对地应力释放机理进行研究,设计一种使地应力稳定释放的刀盘方案。【方法】课题组聚焦一种地应力逐级释放的两级螺旋式刀盘方案,进行两级刀盘开挖围岩过程的大型三维有限元数值模拟,研究盘面间距和一级刀盘直径对围岩变形和应力释放的影响规律。【结果】1)当盘面间距为30 m时,即一级掘进完成后再进行二级掘进,可以避免两级刀盘同时掘进过程中所引起的地应力交汇现象。2)一级刀盘直径为2 m时,两级螺旋式刀盘在隧道掘进中两刀盘释放的应力值都约为平面式刀盘的50%。3)盘面间距统一为3 m时,在隧道末端,一级刀盘直径为2 m时隧道变形量在X方向仅为0.7 mm,Y方向为2.7 mm;一级刀盘直径为5 m时隧道变形量在X方向为0.9 mm,Y方向为4.7 mm。【结论】1)螺旋式两级刀盘的盘面间距对隧道形变的位移量影响不明显,一级刀盘直径对隧道形变的位移量影响明显。2)两级刀盘二级掘进可显著改善地应力的释放状况,降低单次释放的地应力值,提高隧道稳定性,降低岩爆发生的可能性。

TBM两级螺旋式刀盘出渣机制数值模拟研究

针对现有全断面岩石隧道掘进机(TBM)两级刀盘出渣缺乏合理的结构方案和优化设计方法,采用颗粒离散元方法构建数值模型模拟TBM两级刀盘出渣过程,并进行出渣缩比试验验证数值模型的可靠性。通过数值模拟研究出渣口排布与尺寸、螺旋形式与螺距、一/二级刀盘直径比、刀盘转速等因素对出渣性能的影响规律。结果表明:螺旋式结构是TBM两级刀盘有效的出渣结构方案;各因素对两级刀盘综合出渣性能的影响程度由大到小依次为刀盘转速>一级刀盘背部出渣口长度>后螺旋螺距。对于掘进直径为8 m的两级螺旋式刀盘,建议其最优结构形式和参数为:面、背部出渣口同位且有前后螺旋,后螺旋螺距0.85 m,一级刀盘背部出渣口长0.9 m,一/二级刀盘直径比不大于0.55,刀盘转速不大于6 r/min。