一种高比刚度盾构机刀盘面板结构拓扑重构设计

为提高盾构机刀盘面板结构的承载能力,提出了一种考虑应力约束的高比刚度结构拓扑优化方法。首先,将多孔面板结构的开口率和强度作为约束条件,采用p范数将所有单元的局部应力凝聚为一个全局应力约束,限制多孔面板结构的最大全局应力,并以多孔面板结构的全局刚度最大化为优化目标,构建考虑最大全局应力的多约束拓扑优化模型;其次,通过移动渐近线优化算法求解该模型,获得多孔面板结构的优化拓扑构型;然后,采用水平集方法提取优化构型的清晰拓扑边界,并通过几何重构获取多孔面板结构模型;最后,以某型盾构机为例,设计了多孔面板结构,并开展了静力学有限元仿真分析。仿真结果表明:在相同开口率条件下,相较于原有结构,所设计多孔面板结构的刚度和强度分别提升了7%和19.8%,承载能力得到了显著提高。所提出的方法能有效应用于盾构机面板结构的拓扑重构设计,丰富了盾构机刀盘面板结构的设计理论。

全断面隧道掘进机刀盘面板锻件自由锻成形新技术

刀盘面板是全断面隧道掘进机的关键部件,在施工过程中受力复杂,为降低制造成本,提高锻件产品性能,对传统自由锻工艺进行创新,使钢锭利用率得到提高,粗加工后的UT检测结果满足标准要求。

全断面岩石掘进机变厚度刀盘面板理论及应用

针对全断面岩石掘进机施工过程中,刀盘变形量大且变形不均匀的问题,论文提出了变厚度刀盘概念,并建立了变厚度刀盘微单元体受力平衡微分方程;根据背后换刀刀盘的结构特点和弹性力学理论,推导并建立了变厚度、背后换刀刀盘面板弯曲模型;通过用变形量极差衡量变形量不均匀度,结合应用研究发现,半径为5m的刀盘,当其为0.15m的等厚度刀盘时,其变形不均匀度是0.0425m;当其是基本厚度为0.15m、中心厚度为0.242m的变厚度刀盘时,其变形不均匀度是0.023m,对比研究发现,刀盘半径为5m的变厚度刀盘较等厚度刀盘最大变形不均匀度降低了45.88%.论文研究方法和研究结论为全断面岩石掘进机刀盘理论的深入研究和发展提供了有益借鉴.

黏性地层面板式土压平衡盾构刀盘泥饼堵塞试验研究

面板式土压平衡盾构机在黏性地层中掘进时刀盘容易出现结泥饼问题,泥饼形成后会覆盖刀具、堵塞刀盘开口,从而降低刀盘的掘进效率,甚至使得盾构机完全丧失掘进能力,给盾构隧道施工带来严重影响。首先介绍了刀盘与土颗粒之间的黏附机理,通过自制的面板式刀盘掘进模拟装置开展了室内试验,研究了盾构掘进速度和刀盘扭矩的变化规律及其与刀盘堵塞之间的相关关系。研究表明:刀盘堵塞是一个连续渐进的过程,土颗粒首先在刀具密集处黏附聚集,然后逐渐扩大形成泥饼;泥饼形成后会覆盖刀具,降低刀具对地层的贯入度,并堵塞开口,降低渣土通过效率;在掘进参数上面主要体现为刀盘扭矩增大、盾构掘进速度减慢、排土顺畅度降低;刀盘开始结泥饼后,刀盘扭矩的增长符合三次多项式函数关系,掘进速度呈指数型降低;试验同时表明,土体含水率对刀盘结泥饼及堵塞具有显著影响,当其接近塑限时,泥饼最容易形成,盾构掘进效率最低,刀盘开口堵塞风险最大。研究成果对于评估黏性地层面板式土压平衡盾构掘进刀盘结泥饼及堵塞的风险具有借鉴意义。

面板式刀盘土压盾构在软土地层中的掘进施工技术

面板式刀盘土压盾构在掘进软土地层时,因其刀盘开口率小,掘进过程中会遇到姿态难调整、推力大、刀盘易结泥饼等问题。结合工程实例,从盾构始发洞门封堵、盾构姿态控制、掘进参数选择、刀盘结泥饼治理及地面沉降控制等方面分析与研究面板式刀盘土压盾构在软土地层中的掘进施工注意要点及相应处理措施。

盾构刀盘形式对砂卵石地层扰动状态的影响

盾构刀盘形式的选择是砂卵石地层盾构掘进面临的关键问题。为解决这一问题,以兰州地铁1号线一期工程为背景,综合运用现场调查、实验室试验、三维离散元数值模拟、现场原位监测等方法,对砂卵石地层土压平衡盾构施工颗粒流动和地表沉降的机制进行了研究。1)通过室内大直径(300 mm)试样三轴压缩试验获得了砂卵石地层的应力-应变曲线,基于试验结果和EDEM离散元三轴数值试验,标定了离散元数值模拟需要的参数。2)基于Solidworks软件建立了面板式刀盘盾构和辐条式刀盘盾构三维机械模型。3)将盾构三维机械模型导入离散元软件EDEM中,建立了砂卵石地层盾构掘进过程的三维离散元模型;将模拟结果与现场监测数据对比,揭示了面板式刀盘和辐条式刀盘土压平衡盾构掘进对砂卵石地层扰动状态和地表沉降的影响机制。面板式刀盘土压平衡盾构掘进,刀盘前方、上方的"强烈扰动区"范围为(0.3~0.5)D(D为刀盘直径);辐条式刀盘土压平衡盾构掘进的"强烈扰动区"范围不足面板式刀盘的1/3,且扰动程度轻。

常见盾构刀盘型式及选用

目前常见的刀盘结构有面板式和辐条式2种基本型式,以及介于2者之间的幅板式刀盘。通过文献分析和工程经验总结,首先阐述了几种型式刀盘的结构、基本配置及工程应用。随后从刀盘土舱构造、开挖面稳定、土压平衡控制、砂土的流动性、刀盘负荷、障碍物的处置、地层适应性等方面,对2种基本刀盘型式的特性进行了比较和分析。

关于盾构机刀盘结构设计的几个问题

刀盘的结构及刀具的配置直接关系到盾构掘进的效果和效率,通过对比辐条式刀盘和面板式刀盘的结构形式和刀具布置等因素,阐述上述因素在掘进过程中的主要作用,确定刀盘的设计是决定整个设备掘进效果的关键,因此针对不同的地层情况进行有针对性的设计和调整,通过合理优化,将有效延长刀盘、刀具的使用寿命,降低施工成本,为长距离盾构施工提供可靠保障。

地铁施工用盾构机的选型方案

针对西安地铁一号线二标的地质特征:密实中砂,级配不良,主要成份为石英、长石、云母及少量暗色矿物,含5%～10%的砾、卵石,提出了相应的盾构选型方案及盾构的设计特点。

关于盾构机刀盘结构设计的几个问题

土压平衡式盾构机的刀盘具有切削、支撑、搅拌、土体改良等功能，因此在控制掘进效率、保持开挖面的稳定等方面起着决定性的作用。盾构选型时必须结合地层的特殊性和通用性来确定刀盘型式、刀具的布置形式以及他们之间的组合方式。通过对两台面板式土压平衡盾构机在北京地铁四号线两个盾构区间掘进实例的研究，一定程度上掌握了刀盘、刀具磨损的基本规律，并针对性的采取了刀盘结构改造和刀具优化布置两大措施。刀盘结构的改造是为充分发挥不同地层条件下辐条式刀盘和面板式刀盘的独特优势．实现两者间的转换。将面板式刀盘的六块面板的装配形式改为栓接加焊接的形式。根据地层确定是否需要加装面板，实现了低成本、短工期、快捷的刀盘型式转换模式，最大程度上发挥两种结构间的转换优势。刀具布置形式优化是根据刀具的作用和运动轨迹对刀具的位置、形状进行合理的优化布置，增强刀具的切削能力、降低土体对刀具磨损进而达到保护刀盘本体，为盾构长距离掘进提供保障。