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。

“全-半断面”工况下TBM贯入度影响因素分析

为探究不同工况下硬岩隧道掘进机(TBM)贯入度的变化特征,以缙云抽水蓄能电站TBM法开挖排水廊道工程为例,分析隧道线路相交处施工工艺;分析TBM滚刀受力,建立单滚刀破岩模型,采用有限元分析软件探究滚刀破岩流程;根据现场实际掘进数据,对半断面-全断面工况下TBM掘进参数与岩石参数间关系进行了分析。研究结果表明:半断面掘进工况下,TBM贯入度随刀盘推力增加呈对数函数增长,随刀盘扭矩增加也呈对数函数增长;而全断面工况下,TBM贯入度随刀盘推力与刀盘扭矩增加分别呈现指数函数与线性函数增长趋势,且增长率均与岩石参数相关。

基于线性回归法的TBM滚刀贯入度预测研究

为解决盾构施工中全断面隧道掘进机(TBM)滚刀贯入度的预测问题,使其更好地应用于所处地层,依托深圳地铁6号线的相关数据及中铁TBM云管理平台的数据处理功能,定性分析TBM破岩过程,并将破岩的宏观过程划分为3个阶段;采用线性回归方法,依次从贯入度与掘进推力的关系、贯入度与刀盘转矩的关系对TBM滚刀贯入度的变化情况进行量化分析,并在这一过程中推导得到TBM掘进的贯入度与推力、转矩的参数预测模型,并结合现场实测结果对线性回归法的预测结果进行验证。结果表明:1)TBM在不同阶段的贯入度、推力及转矩均有不同程度的变化,且相互之间存在一定的关联;2)掘进参数的线性回归预测模型经过验证是合理的,表明线性回归法适用于TBM掘进参数的预测,可视具体情况为隧道工程实施阶段掘进参数的调整提供理论指导和参考。

贯入度对TBM滚刀破岩轨迹偏移影响的试验研究

滚刀破岩轨迹偏移影响因素是TBM刀盘结构和刀具布置设计,以及掘进机位姿自动调整的重要的基础研究内容,贯入度则是影响滚刀偏移的一个重要因素。在全断面掘进机国家重点实验室研制的"刀具破岩与耐磨研究试验台"进行滚刀破岩试验基础上,对滚刀轨迹偏移距离进行数据检测、分析和处理,得到了贯入度对滚刀垂直偏移和横向偏移的影响规律。

岩石节理倾角和间距对隧道掘进机破岩特性影响的试验研究

为了研究岩体节理参数(节理间距和节理倾角)对全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀破岩效果的影响,对实际条件进行简化,在改进的试验装置上进行压头作用下相似材料的变形、破坏试验。采集整个加载过程中压头的侵入深度和荷载数据,并采用相机实时拍摄,获得试件表面破坏的发展过程以及最终破坏形态。试验结果表明,当节理倾角一定时,随着节理间距增大,达到跃进点的贯入荷载值增加,侵入功以及主裂纹扩展能量也都呈增大趋势,当α=0°、90°时,抗侵入系数基本一致,当α=30°、60°时,抗侵入系数逐渐增大。当节理间距一定时,随着角度的增加,跃进点荷载、抗侵入系数、侵入功以及主裂纹扩展能量都呈现先减小后增大趋势,在α=30°时,各值都为最小值。根据试件破坏后形态分析发现,节理的空间特征对裂纹扩展模式有明显的控制作用,对破坏区域的形成也有明显的限制。

TBM滚刀贯入过程中泥岩破坏特征试验研究

为研究无侧限和有侧限条件下软岩贯入破坏特征,结合声发射检测技术和电镜扫描试验进行泥岩立方体试样常截面滚刀贯入试验,分析试验过程中荷载-贯入度曲线和声发射参数特征,并对岩石渣块断口进行细观电镜扫描,研究了破坏时细观和宏观裂纹形成过程。试验结果表明,(1)无侧限和有侧限贯入试验中荷载-贯入度曲线在跃进荷载处均出现明显峰值,跃进荷载峰值以后无侧限试样完全破坏,有侧限试样尚未完全破坏;(2)当宏观裂纹产生时无侧限试样声发射参数出现明显峰值,主要源于该宏观裂纹在试样内部的扩展。有侧限试样破坏过程中出现多次声发射参数峰值,对应多条宏观裂纹形成和扩展;(3)常截面滚刀贯入过程中试样内部出现微滑动,剪切破坏现象比较明显,可以认为滚刀贯入过程中泥岩破坏模式以剪切破坏为主。

秦岭隧洞花岗岩段掘进机滚刀破岩规律及掘进特征

为更好掌握TBM掘进性能,以引汉济渭工程秦岭隧洞花岗岩段为研究对象,通过滚刀破岩试验与施工参数分析,获得了滚刀破岩机理,揭示了掘进速度、设备利用率等TBM掘进性能指标的变化规律。结果表明:在设定地应力条件下,随着贯入度增加,滚刀法向力增大,且其变化幅度增加、变化频率加快,增加了相邻滚刀间形成大岩片的数量;高地应力条件下,因多次发生岩爆,TBM平均掘进速度、设备利用率均较低;现场贯入指标、岩石掘进效率指标沿桩号的变化基本同步,但现场贯入指标能更好评价TBM破岩性能。通过调整支护、清渣和施工组织方式,提高辅助作业效率,并及时调整TBM掘进参数、改进滚刀刀刃材质,可保障TBM高效运行,为该隧洞TBM后续掘进提供相应对策。

某全断面隧道掘进机滚刀破岩有限元分析

在掘进过程中,刀具的选型对全断面隧道掘进机的施工效果有着决定性的影响。以某全断面隧道掘进机使用的刀具为研究对象,建立滚刀破岩有限元侵彻模型,确定滚刀刀圈在不同条件下的应力。以刀圈直径和滚刀破岩贯入度为变量,对滚刀破岩模型进行有限元分析,得到了不同条件下的刀圈应力图,验证了目标滚刀的可靠性。对比分析得出该全断面隧道掘进机工作环境下滚刀破岩的最优参数选择,为全断面隧道掘进机的刀具选型提供参考。

基于掘进参数的隧道围岩稳定性判识方法研究

为解决隧道开挖面围岩状态难以预知、超前处置不及时导致全断面隧道掘进机被卡被困的问题,通过引松供水、引汉济渭等不同隧道工程装备掘进参数与隧道围岩参数统计分析,建立贯入指数、贯通指数与隧道围岩总评分的回归关系。统计结果表明:隧道掘进机贯入指数与隧道围岩总评分呈指数函数关系,贯通指数与隧道围岩总评分呈对数函数关系。在此基础上,提出基于贯入指数和贯通指数的隧道围岩稳定性判识方法,并根据滇中引水隧道工程现场围岩揭露情况对该方法的围岩类别判识结果进行验证。验证结果显示围岩判识类别与实际围岩类别基本一致,表明了该判识方法的有效性和准确性。

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。

基于现场数据的TBM掘进速率研究

为了研究TBM掘进速率在不同地质条件下的变化规律,基于吉林引松供水隧道工程开敞式TBM现场掘进数据,将TBM刀盘破岩过程分为3个阶段:挤压阶段、起裂阶段和破碎阶段,并对破碎阶段应用统计回归方法,分析在不同岩石饱和单轴抗压强度、完整性系数的条件下,TBM刀盘贯入度与刀盘推力、刀盘扭矩的关系.研究表明,在特定施工条件下,刀盘贯入度随刀盘推力增大呈幂函数曲线增长,随刀盘扭矩增大呈线性关系增长,增长率与岩石饱和单轴抗压强度、完整性系数密切相关.进一步建立对于不同强度、完整性岩石的掘进机掘进速率模型,进行实际工程施工预测,预测结果的平均相对误差都低于16%,表明模型预测精度较高,可以为实际工程施工中操作参数的优化和不良地质条件的捕捉提供帮助.

基于新表面理论的TBM破岩效率评价指标

岩碴是岩-机作用的直接产物,也是评价隧道掘进机(TBM)破岩效率和优化TBM掘进参数的有效指标。依托兰州水源地建设工程和龙岩万安溪引水工程,开展不同岩性条件下TBM岩碴筛分试验,得到了岩碴粒径分布规律。基于新表面理论,从滚刀破岩能量转化角度出发,提出了一种新的TBM破岩效率评价指标。基于岩碴粒径分布规律和TBM掘进参数统计,探讨了新表面理论指标与比能、岩碴粗糙度指数之间的关系,指出了新表面理论指标在反映岩碴破碎程度和评价TBM破岩效率方面的优势。对新表面理论指标与TBM掘进推力以及刀间距s与贯入度p的比值进行回归分析,得到了硬岩(围岩等级为Ⅱ级)和软岩(围岩等级为III级)掘进条件下的TBM最优掘进推力和s/p取值区间。研究表明:(1)新表面理论指标符合岩石破碎学原理,可准确评价TBM破岩效率。岩碴越是破碎,新表面理论指标越大,掘进能耗越高,此时TBM破岩效率相对较低。(2)新表面理论指标与比能、岩碴粗糙度指数均具有良好的线性相关关系。岩碴越是破碎,破碎单位体积岩石的能量消耗越大,新表面理论指标越大,对应的粗糙度指数越小。软岩掘进条件下TBM掘进比能低于硬岩,而岩碴破碎程度高于硬岩。(3)新表面理论指标随着TBM掘进推力和s/p的增加先减小后增大,在硬岩和软岩条件下,当TBM最优掘进推力区间和s/p区间分别为7 400~7 700 kN、13.9~14.4和1 000~1 500 kN、8.0~8.5时,新表面理论指标较小,TBM破岩效率较高。

预切缝辅助TBM滚刀破岩贯入荷载演化规律

基于全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)滚刀贯入室内模型试验,研究了3种不同破岩模式(完整岩样破岩、同轨迹破岩和异轨迹破岩)在不同围压条件下高强度花岗岩样贯入荷载演化特征,重点揭示贯入荷载-贯入度特征曲线、峰值荷载、最大跌落幅值变化规律,获取不同破岩模式在不同围压条件下TBM滚刀受力特性。结果表明:1)高围压组贯入荷载-贯入度特征曲线较低围压组先跌落,跌落幅度较小,但其对应的贯入荷载并非峰值荷载,而低围压组初次跌落荷载为峰值荷载,且跌落幅值较大;2)在中高围压10~15 MPa时,峰值荷载及贯入荷载最大跌落幅值均最小,表明此围压范围较利于TBM的掘进;3)低围压条件下选用异轨迹破岩模式较同轨迹破岩模式能更有效地降低TBM滚刀贯入荷载,但同轨迹破岩模式的岩样发生楔裂破坏,其最大跌落幅值最小,更能减少刀具所受冲击荷载,减少刀具磨损。

基于三维颗粒流模型的TBM滚刀顺次破岩的研究

从岩石细观破坏角度出发,基于颗粒离散元法,建立隧道掘进机(TBM)单滚刀破岩三维颗粒流模型,对比分析滚刀侵压破岩、滚压破岩模式下岩石裂缝的扩展规律和滚刀受力特征。在此基础上,建立双滚刀顺次破岩三维颗粒流模型,分析不同断面形态下岩石裂缝扩展的范围以及不同刀间距下破岩比能与贯入度的关系。结果表明:滚刀侵压破岩时,岩石以剪切破坏为主,垂直力随着贯入度的增加而增加,且贯入度为6mm时,垂直力达到58.0kN;滚刀滚压破岩时,岩石以张拉破坏为主,滚动力、垂直力呈锯齿状波动变化,平均滚压力约为5.6kN,平均垂直力为20.67kN,小于侵压破岩时的垂直力;采用双滚刀顺次破岩时,与侵压破岩相比,滚压破岩的岩石裂缝纵向扩展深度较小、径向扩展范围较大,而且当刀间距与贯入度的比值较大时,滚压—侵压断面上的岩石裂缝最不易贯通,在两滚刀中间位置处容易形成岩脊;当刀间距与贯入度的比值为10时,滚刀破岩的比能最小,破岩效率最高。

TBM滚刀回转破岩性能数值分析

针对隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)刀盘设计过程中盘形滚刀布局的刀间距和贯入度问题,综合岩石力学、弹塑性力学和断裂力学,并运用有限元方法建立了TBM刀盘滚刀的动态破岩三维模型.通过与线切割实验对比验证了模型的正确性和有效性,并在此基础上分析了滚刀的回转破岩,得到刀间距和贯入度对滚刀切削力及比能的影响规律.结果表明:随着刀间距的增加,滚刀所受法向力将会逐渐增大,而其切向力基本保持不变,比能增加先减小后变大,在刀间距为60 mm附近取得最小值;法向力和切向力随着贯入度的增加而增大,比能随着贯入度增加而减小.

深部复合地层TBM开挖扰动模型试验研究

针对全断面隧道掘进机(TBM)开挖过程掌子面岩体软硬交替变化的特点,以兰州水源地建设工程为背景,采用模型试验与数值模拟方法研究了复合地层TBM开挖过程隧洞围岩的动态响应规律。通过开展相似配比试验配制了不同围岩强度比的复合地层岩体相似材料,运用光纤光栅技术全程捕捉了隧洞开挖过程复合地层应变演化规律,并分析了隧洞围岩的宏观破裂形态。模型试验结果表明:TBM推进过程中复合地层应变变化规律体现了掌子面推进的空间效应,软岩部分应变要大于硬岩部分应变,且随着开挖步数的增加两种岩层应变差值越大;隧洞内岩体完全挖除后,围岩宏观破裂形态表明因复合地层岩体物理力学性质的差异,上覆软岩变形破坏较为严重,破裂和变形较为显著,在软、硬岩层交界面出现"变形不协调"现象。选取工程沿线某洞段的地质力学参数,基于破坏接近度(FAI)指标评价了隧洞开挖过程中复合地层围岩的稳定性,数值结果表明:开挖过程软岩中FAI变化较为明显,塑性区和破坏区分布范围更广,而下部硬岩受开挖扰动影响较小,只有拱底小范围岩体进入破坏状态。模型试验和数值结果均说明交替变化的掌子面岩体在开挖过程中其围岩在变形破坏等规律方面存在明显差异,因此,TBM在复合地层施工可采取重点部位监测预警、提前采取相应措施等手段,减少或避免卡机事故的发生。该研究成果对于指导复合地层TBM施工具有一定的借鉴和指导意义。

海域复杂地层超大直径泥水盾构掘进参数分析研究

以汕头苏埃通道超大直径泥水盾构应用为背景,结合盾构TBM大数据平台开展数据分析。依据海瑞克S1046盾构设计特点,提出刀具贯入阻力、泥水阻力、摩擦阻力的计算方法;分析了掘进段刀具贯入阻力、泥水阻力、摩擦阻力变化规律及在总推力中的占比,建立了泥水阻力与盾构埋深的关系、总推力与摩擦阻力的关系;对比了基岩段和软土段转速和贯入度特点,分析了两段掘进中扭矩和贯入阻力的概率密度分布特点,结合基岩段和软土段TPI和FPI显著的差异性,提出了判别盾构在基岩段和软土段的方法。研究表明,利用TPI和FPI进行地层的识别准确有效,能够较好指导现场施工。

TBM在隧洞不良地质条件下的施工技术

本文结合TBM在长大隧洞施工中的实践经验,对TBM在不良地质条件下的施工技术进行研究,从不良地质段的识别、可能遇到的问题及处理措施进行分析总结,成果对提高TBM掘进效率保障起到了良好的效果。

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。

不同贯入度下盘形滚刀受力数值研究

由于掘进机盘形滚刀破碎岩石时的受力情况十分复杂。笔者针对滚刀受力情况进行研究,并以德鲁克-普拉格塑性准则和岩石断裂力学为基础,利用大型通用有限元分析软件ABAQUS,建立不同贯入度下滚刀与岩石相互作用的非线性动力学模型。模拟结果反映了切削过程中滚刀受到的接触应力、滚动力和垂直力随切削距离增长的剧烈振荡变化,反映了岩石阶跃破碎的特点,滚刀受力与贯入度呈近似线性关系。研究结果可为改善盘形滚刀的设计,延长其使用寿命提供一定的理论指导。