TBM滚刀受力及其间距优化研究

TBM工法因其安全、经济和快速的特点成为隧道工程施工发展的一大方向。不论从施工过程方面还是从经济成本方面来讲,刀盘和刀具的研究均是TBM研究的核心问题。文章采用离散元PFC建立滚刀破岩数值力学模型,通过滚刀破岩裂缝数量、宽度、深度及延伸长度来判断不同形状尺寸滚刀的破岩效果,基于滚刀受力与贯入度关系曲线多峰值跃进特征,以及以两滚刀裂缝贯通为基准,得出不同岩性条件下合理的贯入度及与其匹配的最优滚刀间距。研究成果对不同岩性条件下TBM隧道优化掘进参数提供了有益参考。

TBM掘进中滚刀受力实时监测方法研究

由于掘进环境过于恶劣,TBM(tunnel boring machine)滚刀受力实时监测问题一直难以解决。文章根据对滚刀部件特征和荷载传递规律的分析,在C型垫块中嵌入应变计,提出有效的监测方法,并通过C型垫块的标定试验以及回转破岩试验,验证该监测方法的有效性和可行性。结果表明:1)在不同贯入度下,根据受力监测方法得到的垂向荷载与油缸荷载大小稍有差别,但两者的变化趋势几乎是一致的,说明该监测方法具有可行性和有效性; 2)随着贯入度的增大,滚刀所受法向力和侧向力也在增大。

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。

不同贯入度对掘进机滚刀破岩效率的影响

为了研究不同贯入度对破岩效率的影响,应用机械破岩试验平台,安装17英寸（432 mm）的常切面盘形滚刀,选取80 mm的滚刀间距,以0.5 mm为间隔,从0.5~3.5 mm分7个不同级次的贯入度对北山花岗岩进行线性切割试验,试样长×宽×高分别为1 000 mm×1 000 mm×600 mm。试验中记录滚刀的三向力并分层收集岩片,从平均法向力、平均滚动力、比能、岩片块度及形状的变化,分析了贯入度对滚刀破岩效率的影响,总结了滚刀在切割试验岩样时贯入度对滚刀力的影响规律。研究结果表明,当贯入度增加到一定的程度后单纯地增加贯入度并不能无限地提高破岩效率。

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。

不同间距和倾角的岩石节理对TBM滚刀破岩的影响

在隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)开挖过程中会遇到表面节理条件不同的围岩,影响TBM操作参数的选取和施工效率。为研究节理条件对滚刀力的影响,设置了3种岩面切缝方案模拟不同间距和角度的节理岩石进行线性切割试验,观察岩面破坏情况,收集岩渣并记录滚刀破岩的三向力和振动信号,从岩体破坏、刀具振动情况分析贯入度、切缝的间距和角度对滚刀破岩效果的影响。结果表明:滚刀法向力和滚动力均随着贯入度的增大而增大;切缝间距400 mm比间距200 mm的岩样所需的破岩力更大,但是破岩效果较差;斜切缝岩样相比平行切缝岩样所需破岩力更低而破岩效果较好。在此基础上利用多元线性回归方法建立了滚刀力预测模型,具有较高的预测精度。

硬岩掘进机盘型滚刀回转破岩仿真研究

硬岩掘进机上盘形滚刀在实际破岩过程中既随刀盘公转,又绕自身轴线自转,是一个复杂的运动过程。滚刀在破岩过程中受到的作用力的计算是进行刀盘设计和推进系统设计的重要依据。针对硬岩掘进机盘型滚刀破岩过程分析和计算的复杂性,应用ABAQUS软件中多体动力学原理建立滚刀组合回转破岩的有限元模型,模型中采用无限元网格施加无反射边界条件,消除模型大小对仿真结果的影响。通过分析计算滚刀破岩中所受的作用力,研究了滚刀回转破岩的刀间距及相位差。仿真结果表明,对于所选用的岩石类型,其最优刀间距为60mm,此时滚刀受到的滚动力最小,破岩质量最大,破岩比能最小;相邻滚刀的最佳相位差为120°,破岩质量最大,比能最小。研究为硬岩掘进机上刀盘刀具的布局研究奠定了基础。

基于免疫算法的全断面岩石掘进机刀盘滚刀布局设计理论研究

全断面岩石隧道掘进机(TBM)刀盘滚刀布局对掘进性能有显著影响。文中针对滚刀受力与刀盘滚刀布局方法进行分析,针对刀盘径向载荷最小、刀盘倾覆力矩最小、质量分布均匀、破岩差异量最小4个优化目标进行层次分析法加权统一,建立了刀盘滚刀布局优化模型,采用具有非退化优势的免疫算法对刀盘滚刀布局进行了优化设计。以大伙房隧道的刀盘模型为工程实例,利用刀盘滚刀布局优化模型对MB264-311TBM型掘进机滚刀的优化布置进行了实践,针对米字型、螺旋线型破岩协调耦合布局及不具有耦合关系的随机型滚刀布局分别进行优化计算,优化效果显著。其中,随机型滚刀布置的优化结果明显减小了刀盘径向载荷与倾覆力矩,优化程度高达91.475%,提出基于随机型滚刀布局方式的TBM刀盘布局设计新理论。在兼顾刀盘的非性能指标约束条件下,该布局理论对于提升滚刀破岩效率、提高刀盘刀具的使用寿命具有重要的工程应用价值。

基于MatDEM的TBM滚刀破岩机理研究

全断面隧道掘进机(TBM)以其高效、安全、环保等诸多优势被广泛地应用于隧道工程建设中,其中滚刀破岩机理是TBM设计阶段和施工阶段的核心问题。由于岩石与滚刀相互作用时会发生断裂破碎,离散元法(DEM)成为研究滚刀破岩机理的有效手段,但采用一般离散元软件构建的模型尺寸相对较小,且多简化为二维侵入问题,尺寸效应明显。采用基于离散元法的MatDEM软件构建滚刀破岩大尺寸三维模型,模拟真实滚刀破岩过程。采用团簇单元模拟刚性滚刀,实现双滚刀在不同条件下的破岩动态过程。监测破岩过程中滚刀的受力特征,计算分析不同刀间距/贯入度比(S/P)下的滚刀受力模型和比能变化。模拟结果表明,滚刀破岩时的滚刀力是一种复杂无规律的冲击荷载,其值与滚刀切割参数、岩石性质等因素有关;贯入度和刀间距的增加导致滚刀需要更大的力来破碎岩石;对于一种岩石材料,存在最优刀间距/贯入度比值,使得破岩比能最小;MatDEM软件能较好模拟滚刀的破岩过程,与室内线性切割试验相结合,有利于深入、全面地探索滚刀破岩机理。

TBM滚刀破岩时滑移量的数值模拟研究

TBM破岩用的盘形滚刀消耗量大且价格昂贵,不合理的换刀会对工期、施工成本以及TBM本身造成不利影响,研究盘形滚刀的磨损特性以及预测滚刀磨损具有重要意义。滚刀破岩时其受力情况及滑移量对滚刀磨损机理及磨损量的预测至关重要,本文利用软件ABAQUS建立了盘形滚刀破岩过程的有限元模型,研究了滚刀滑移现象以及滚刀受力分布情况。定量地分析了滚刀贯入度以及滚刀与岩石间的摩擦系数对滚刀滑移的影响。结果表明:滚刀破岩时的滑移量与贯入度成正比,与摩擦系数成反比。所得结果可以为滚刀磨损量的预测提供参考。

基于协同破岩的TBM刀盘优化策略

岩石隧道掘进机工作时的刀具受力情况是影响刀盘破岩性能的关键。为了分析滚刀之间的协同破岩效应,提出3种基本的协同破岩模式,并将多把滚刀协同破岩过程等效为3种破岩模式的组合。不同破岩模式下,滚刀切割岩石的先后顺序不同,结合线性切割试验,证实了不同模式下3种滚刀力等级的大小关系。以引汉济渭岭北隧洞TBM工程为背景,研究得出名义磨损量与破岩模式的叠加效应具有较强的相关性,其中,由内而外模式占比与滚刀名义磨损量具有明显的正相关性,据此提出了考虑刀具磨损量的TBM刀盘刀具优化策略。

基于CSM模型的TBM滚刀受力预测公式

研究盘型滚刀的受力模型可以使滚刀受力计算更精确,进而为刀盘的受力分析及刀具在刀盘上的布局提供理论依据。通过对原有CSM受力模型分析的基础上,基于盘形滚刀切割岩石实际情况提出了改进的CSM模型。对滚刀刀圈采用NX Nastran软件有限元分析计算校核其强度。通过与实验数据及与原CSM模型对比验证了其优越性,并与国内外现有的其他受力模型进行了对比,验证了文中提出的滚刀侧向力公式。研究结果为TBM盘形滚刀的设计、研究滚刀磨损及整个刀盘的受力提供了理论依据。

基于CSM模型的TBM滚刀受力预测公式

研究盘形滚刀的受力模型可以使滚刀受力计算更加精确,进而为刀盘的受力分析及刀具在刀盘的布局提供理论依据。结合新加坡C885上行盾构区间实际掘进数据,通过对原有的CSM模型受力分析基础上,基于滚刀切割岩石的实际情况提出了对CSM模型的修正。通过刀盘比能进行对比,验证了本文提出的滚刀侧向力公式。