A Closer Look at the Design of Cutterheads for Hard Rock Tunnel-Boring Machines

在隧道项目中,隧道掘进机(TBM)能否顺利施工取决于TBM系统所有部件(从刀具到后备系统)能否正常运转,并取决于全部机车车辆的配合。而在整个TBM系统中,刀盘是影响TBM施工效率最为关键的因素。刀盘的设计影响到掘削效率、刀盘平衡、刀具使用寿命、主轴承/齿轮箱维护、出渣效果、面刀和边刀/排渣铲斗的磨损情况。总体来说,刀盘设计对掘进速度(ROP)、机器利用率(U)及每日进尺(AR)有重要影响。尽管当前可用文献中已就盘形滚刀、切削力、刀盘的某些设计特征做了讨论,但与本论题相关的文献却十分有限,这是因为刀盘的设计主要由隧道掘进机制造商负责,大部分设计工艺都属制造商专有,虽然本论题当前大受关注,但岩石隧道掘进机的设计对终端客户而言仍是个谜题。本文将试着阐明设计中的基本概念,虽不足以帮助读者进行成熟设计,却可助工程师与承包商理解设计步骤中的构思过程、合理设计中应注意的事项以及刀盘设计对于隧道掘进机运行及寿命周期的意义。

TBM刀盘设计若干关键技术

刀盘设计是全断面岩石隧道掘进机的设计关键,是影响其掘进性能的决定性因素。综述了刀盘设计关键技术的研究进展,重点对盘形滚刀破岩机理、刀盘切削参数、围岩力学属性参数及试验、刀具破岩受力分析模型和施工预测模型、刀盘布局(含刀具布置)等方面进行了较系统的分析和总结。最后讨论了有待深入研究的问题。

基于破岩比能的刀盘滚刀优化布置设计

基于科罗拉多矿业学院(Colorado School of Mines)推导的CSM受力模型,采用刀盘破岩比能最低原则,以径向不平衡力和倾覆力矩最小为目标,使用标准遗传算法(GA),优化中心刀、正刀和边缘滚刀的刀间距,以及正刀和边缘滚刀的极角.以TB880E刀盘为实例计算,结果表明:优化中心刀和正刀区域的刀间距后,比能减少1.53%,优化边缘滚刀区域的刀间倾角后,比能减少了1.10%;优化正刀和边缘滚刀的极角后,径向不平衡力减少到0.126 5 N,倾覆力矩减少到0.759 1 N·m,从而减小了刀盘的变形量.该研究可用于刀盘的布刀优化设计和对破岩过程能耗的预测,可降低TBM破岩能耗,改善TBM掘进能力.

TBM刀盘滚刀布置对倾覆力矩的影响规律

综合考虑刀盘重力、刀具位置和倾角以及刀盘旋转角度因子,建立单把滚刀受载产生的力矩模型;基于单、双螺旋线刀具布置特征,建立不同刀具布置形式下的刀盘倾覆力矩模型,为刀具优化布置提供理论依据;分析3个直径为8 m级刀盘的刀具布置规律,计算中心滚刀、正滚刀、边滚刀这3个布刀区域的倾覆力矩,对比3个刀区倾覆力矩产生差异的原因。研究结果表明:对称双螺旋线起始位置相差角度对滚刀布置引起的倾覆力矩有影响;调整8把边滚刀的安装角度,刀具布置引起的倾覆力矩相应减少0.64 MN∙m,总倾覆力矩减少21.4%,验证了TBM滚刀布置方法的正确性。

隧道掘进机刀群与盘体支撑筋耦合布置设计

刀盘是全断面隧道掘进机(Tunnel boring machine,TBM)的关键部件,TBM刀盘系统设计直接关系掘进效率和可靠性。刀盘系统设计的关键是复杂岩石边界下刀群布置设计与刀盘盘体结构设计,二者相互耦合,相互影响。分析刀群与盘体支撑结构之间空间位置耦合以及支撑结构与刀盘强度刚度之间的非线性耦合关系,建立刀群与盘体支撑结构耦合布置优化模型,提出多子系统协同进化的刀具适应性布置与盘体结构耦合设计方法。以引洮工程为例进行验证,结果表明:支撑筋初始安装角与刀盘强度、刚度之间存在非线性函数关系,多子系统协同进化方法求解出的刀群与支撑筋耦合布置方案的最大等效应力、最大变形量、不平衡力矩、不平衡力、顺次角度等指标相比原方案降低了30%以上,以此证明提出的耦合优化模型及其求解方法的可行性和有效性,可为TBM刀盘系统设计提供一定的借鉴与方法支撑。

基于多目标遗传算法的复合式盾构刀盘刀具布置优化

为了提高复合式盾构刀盘掘进的稳定性,刀盘上滚刀的优化布置成为设计的核心问题。通过分析滚刀的受力,确定以滚刀极径与极角作为设计变量、滚刀布置原则作为约束的数学优化模型;采用多目标Pareto解的非劣性分层遗传算法将多个目标函数同时优化,根据目标函数最优原则在Pareto最优解集中选择满足要求的优化方案。应用该优化方法对广州地铁某复合式盾构刀盘进行优化布置。研究结果显示:优化后(边滚刀数量为9时),径向载荷合力减小了21.3%,倾覆合力矩减小了17.8%,破岩量方差减少了15%,表明所建模型及使用的多目标Pareto解的非劣性分层遗传算法是可行和有效的。

岩石隧道掘进机滚刀受力及磨损

为了找出刀具磨损的主要因素,优化滚刀在刀盘上的布置,了解滚刀振动对刀圈应力分布规律的影响.采用理论和软件分析相结合的方法,以岩石掘进机掘进混合片麻岩为条件,研究了刀盘上刀具消耗规律及其影响因素.结果表明:滚刀磨损最快的在刀圈外缘;离刀盘中心越远,刀具磨损越快;岩石完整系数越大,刀具磨损越快;随着滚刀磨损量的增大,掘进中滚刀外缘和岩石接触面积增大,挤压力降低.该研究结果对岩石隧道掘进机刀具系统的优化有重要的参考价值和指导意义.

基于均衡破岩量的TBM正滚刀多目标优化布局

全断面岩石掘进机(TBM)是高度自动化的隧道掘进机械设备,其滚刀布局设计是刀盘快速有效掘进的关键技术。通过对TBM刀盘滚刀基本布局原则的总结,结合现有螺旋线布刀规律的研究分析,提出了变速螺旋线滚刀布局设计方法。基于滚刀破岩量差异最小化思想对正滚刀布局建立多目标优化模型,采用极径与极角分步优化设计,利用遗传算法对正滚刀极径进行优化设计模型求解,再利用NSGA-Ⅱ算法对其极角多目标优化模型求解。以TB880E刀盘滚刀布局为算例,对其正滚刀布局优化设计进行分析,与原有刀盘滚刀布局对比得出:不平衡径向力下降了33.9%,刀盘倾覆力矩下降了78.1%,正滚刀破岩方差也有了很大程度地减小,优化结果更利于正滚刀的均衡磨损。滚刀整体布局质心也更靠近刀盘中心。

全断面岩石掘进机边缘滚刀优化布置研究

为研究全断面岩石掘进机(TBM)边缘滚刀布置规律,文章根据刀盘实际破岩情况和刀盘设计技术要求,提出了边缘滚刀布置的基本原则,确定了边缘滚刀布置的优化目标和约束条件,建立了TBM边缘滚刀多目标优化布置数学模型,分析其目标函数及约束条件函数,并利用遗传算法进行求解。文章以伊朗NASOUND隧道某施工标段所用刀盘边缘滚刀布置为例,对所建立的模型和所采用的优化算法进行验证,并与原TBM边缘滚刀布置方案进行了对比分析。结果表明:优化后的刀盘径向不平衡力下降19.4%,倾覆力矩下降20.6%;刀盘布置优化后强度和刚度有所改良,刀盘最大应力减小了36.6%,最大变形量减小了30.3%。工程实例验证了优化布置数学模型的正确性和可行性,研究内容与方法可为TBM刀盘设计和改进提供理论基础。

全断面硬岩TBM刀盘结构设计研究

刀盘结构设计是影响其掘进性能的决定性因素。文章综述了刀盘结构设计的步骤,对包括刀盘外形选择、刀盘面板制造、刀具选择、刀间距设计、滚刀布置以及滚刀座、溜碴板结构设计等方面进行了较系统的分析和总结,指出了刀盘关键结构部件在进行设计时应遵循的一般原则以及未来发展方向。为刀盘的关键点设计和理论研究提供参考。

基于ABAQUS的盾构切刀群模拟切削研究

为了解决复合式土压平衡盾构(earth pressure balance)在实际施工时常出现刀盘结饼、刀箱堵塞等工程问题,从刀群切削效果角度研究刀盘刀具布置的合理性,采用切刀群和滚刀群的动态切削模拟方法,提出土体质量变化和刀盘受载的评价指标,得到以下结论:软土地质下切刀群存在内偏角时的切削效果明显好于无内偏角的情况;掘进地层地质较软时宜采用小切刀切削重叠量,地质较硬时宜采用大切刀切削重叠量。刀群布置的研究过程为实际工程问题的解决提供了方法,数值仿真结果为复合式土压平衡盾构刀盘刀群的组合设计提供了参考。

引绰济辽输水工程顶管机刀盘关键技术研究

为选配更具适应性的刀盘,对引绰济辽输水工程配置多梯度二次周边锥破机构的辐板式刀盘和面板式刀盘2种不同结构形式刀盘进行关键结构设计研究。采用有限元法得到结构的应力分布规律,通过数值计算得到刀具布置在力学性能上的分布情况。结果表明:1)辐板式刀盘开口率更大,尤其中心区域开口大,针对黏土、泥砾等复合地层,“结泥饼”的可能性会降低;2)2种刀盘结构形式均能满足结构强度要求,其中面板式刀盘结构强度更具优势;3)面板式刀盘的类“米字形”滚刀布置方式产生的径向不平衡力和倾覆力矩更小,2种结构方式的数值均较小,满足设计要求;4)综合工程地质情况、结构形式、强度分析、刀具布置、力学性能及其他多方面因素考虑,选择辐板式刀盘结构作为本工程的刀盘主体结构。通过在工程项目中的实际使用情况可知,刀盘掘进中运行稳定,具有良好的地质适应性,满足施工要求。

复合地层超大直径泥水气压平衡盾构施工第四代常压换刀技术应用研究

为了提高超大直径盾构在长距离复杂地层掘进过程中刀具更换的安全性和经济性,本文结合武汉轨道交通7号线三阳路长江隧道工程,通过对第四代常压换刀技术在复合地层盾构施工中的应用研究,总结出刀具检查与更换可遵循的一般规律,并针对换刀工法提出风险应对与优化改进措施。

TBM滚刀布置方案对比分析与评价

刀盘是全断面岩石掘进机(TBM)的核心部件,滚刀布置设计是刀盘结构设计的关键,直接决定着刀盘的综合掘进性能。基于硬岩TBM的2种滚刀设计方案,对比分析不同滚刀布置方式对TBM刀盘力学性能的影响。从刀盘整体受力平衡的角度,对比计算2种方案的滚刀群径向不平衡力和倾覆力矩;从刀盘局部变形和应力分布的角度,提出滚刀分布密度的评价指标,并与刀盘面变形有限元计算结果进行关联分析。研究结果表明:1)滚刀分布密度可作为滚刀布置的设计评价指标;2)溜渣板对刀盘的力学性能影响较大;3)随机式滚刀布置方案优于米字型滚刀布置方案。

正滚刀多目标优化布局与刀盘结构优化研究

为提高滚刀破岩效率,减少隧道掘进过程中更换滚刀次数,针对复杂岩石地质滚刀磨损速率不同和滚刀承受载荷差异化的特点,以滚刀磨损速率差异量、滚刀质心偏量、刀盘倾覆力矩为目标函数,结合滚刀分布的约束条件,建立了正滚刀布局优化模型.以济南某施工路段盾构机为例,进行正滚刀优化布局,优化后刀盘正滚刀磨损速率方差比优化前减小0.1347,质心偏量减小0.1097 mm,刀盘倾覆力矩减小9.6826 kN·m.同时为保证刀盘结构强度,通过疲劳分析发现盾构机刀盘疲劳寿命薄弱位置,并结合正滚刀布局优化完成了盾构机刀盘的结构优化,优化后刀盘最低疲劳寿命相比优化前提高52.10%,刀盘最小疲劳安全系数相比优化前提高12.11%.该研究可用于盾构机滚刀布局以及刀盘结构优化,对减少滚刀磨损量差异和提高隧道施工效率具有重大意义.

瓦斯治理巷小直径TBM刀盘设计研究——以白龙山煤矿一井为例

白龙山煤矿一井为煤与瓦斯双突矿井,采用全断面岩石隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)施工能更好地满足煤矿安全、高效和环保的建设需要,刀盘是决定TBM掘进效率和施工安全的关键部件,其设计是否合理对保障TBM施工效率与煤矿高效生产至关重要。通过分析煤矿瓦斯治理巷道与非煤矿领域隧道工程要求和地质特点差异,总结了煤矿瓦斯治理巷TBM刀盘设计需求,阐述了瓦斯治理巷TBM刀盘的设计流程。针对白龙山煤矿一井瓦斯治理巷开展小直径TBM刀盘设计,从刀盘盘体结构、刀具布置、出渣结构等3个主要方面确定刀盘初始方案,结合倾覆力矩、不平衡力、强度及刚度校核形成刀盘最终设计方案。白龙山煤矿一井瓦斯治理巷TBM刀盘选取平面型二分块结构,采用单螺旋线刀具布置形式,滚刀刀间距设计根据离散元仿真分析确定,铲斗均布在刀盘外周,铲斗尺寸根据出渣量确定。刀盘最大倾覆力矩为946.53 kN·m,由刀具产生的倾覆力矩为523.28 kN·m,占比为55.3%,刀具产生的水平与竖直不平衡力最大值为78.12 kN,仅为刀盘重力产生的竖直不平衡力的17.2%,刀盘最大应力为99 MPa,最大变形为0.4 mm,相当于刀盘整体厚度应变量为0.027%,满足设计要求。面向白龙山煤矿一井瓦斯治理巷提出的刀盘设计流程能够为同类工程TBM刀盘设计提供借鉴。