TBM岩渣几何特征与滚刀破岩效率相关性分析

在运用TBM进行隧道挖掘施工中,TBM破岩效率会受到围岩状况以及机械参数的影响。因此岩体不同节理间距、倾角以及滚刀间距对破岩工作效率的影响值得关注。首先,利用室内滚刀试验,在固定岩体节理倾角、间距或滚刀间距其中一个参数的条件下,对另外两个参数变化生成岩渣的粗糙度指数的变化规律进行模拟,分析和总结岩渣的形状与破岩效率之间的关系以及不同条件下TBM掘进产生的岩渣特征。再依托广州北江输水隧洞工程,现场量测该隧洞开挖施工过程中产生的岩渣,并对其进行筛分试验,然后分析统计数据,得出了不同围岩性质下TBM刀盘的磨损规律与岩渣粗糙度指数及颗粒级配系数之间的相关性。最后,把岩渣的粗糙度指数、扁平度与比能分别进行拟合,进一步说明节理倾角与间距对滚刀破岩效率的影响。

铁路隧道TBM破碎岩石机理及破岩力影响因素研究

为了解决TBM盘形滚刀破碎的问题,提高滚刀的破岩效率,以新建兰州至重庆铁路西秦岭隧道作为研究案例,通过数学物理方法求解滚刀在岩体受压破坏阶段和剪切破坏阶段的破岩力,并分析滚刀几何参数和岩体力学参数对破岩力的影响。研究结果表明,不同刀刃半角的盘形滚刀破岩力随贯入度均呈现明显的非线性增加后趋于收敛的趋势,盘形滚刀破岩力随着刀刃半角的增加而增加,刀刃半角超过12°时,滚刀破岩力急剧增加;在刀盘每转贯入度<2 mm时,盘形滚刀的破岩力随贯入度增加呈非线性增加,而刀盘每转贯入度≥2 mm后,则呈线性增加;内聚力对盘形滚刀破岩力的影响与内摩擦角规律一致。

高应力条件下TBM破岩岩渣块度分布规律研究

TBM掘进过程产生的岩石渣料包含丰富的地质信息,为研究地应力对TBM掘进过程产生的岩石渣料的影响,采用PFC2D建立了围压条件下的滚刀破岩模型,提取并分析破岩产生的岩石碎片。数值模拟结果表明:TBM滚刀掘进过程主要产生扁平形岩石碎片。在一定范围内,随着围压增加,岩石碎片的平均粒径呈“W”形变化,并且小粒径碎片的含量增加,但围压较高(>30 MPa)时,反而更容易形成较大粒径的岩石碎片。

预制割缝作用下TBM滚刀切削速度对岩石破岩性能的影响规律

为提高硬岩巷道掘进过程中滚刀破岩性能,结合滚刀切削载荷、比能及温度指标,从多维度研究了割缝深度及其相对滚刀横向距离对岩石破岩性能的影响规律,分析了滚刀切削速度对滚刀载荷及温度的影响规律,并探究了滚刀切削速度与割缝深度及其相对滚刀横向距离间的相互作用关系,获得了割缝参数在匹配安装半径较大滚刀期间的调整方向。研究结果表明,在切削速度由1.0 m/min依次增加至1.5、2.0、2.5、3.0 m/min的过程中,滚刀载荷分别增大了15.04%、43.83%、89.79%、161.84%,滚刀最高温度分别升高了30.01%、87.51%、121.26%、134.55%,推荐的切削速度优选范围为1.0~1.5 m/min。若需要同时兼顾滚刀破岩效率,则切削速度亦可放宽至2.0 m/min,但滚刀切削比能将由此相对增大19.51%。

TBM滚刀破岩效果及新型刀具的应用研究

TBM滚刀磨损是影响TBM掘进效率和施工成本的重要因素,不同刀刃刃形的破岩效率和磨损均会有所不同。本文对楔形弧刃滚刀的破岩机理进行了分析,建立了滚刀法向切削力计算模型,分析了滚刀刀刃角对法向切削力的影响;继而设计了3种不同刀间距、3种不同刃形滚刀,并进行了室内滚刀破岩试验。试验结果表明:刀间距15 mm为合理刀间距;尖刃滚刀最易磨损,齿刃比弧刃滚刀破岩效果好,破岩效率相对较高且耐磨损。结合工程现场实际情况,研发了一种新型齿刃楔形刀具,并应用到工程现场TBM斜井掘进。应用情况表明:新型齿刃楔形刀具比两种常规刀具的磨损量减少20%,刀具寿命有所提高。新型齿刃楔形刀具的研发和成功应用,解决了斜井TBM掘进刀具的较大磨损和频繁更换问题,为TBM长距离斜井掘进提供了技术支持,缩短了掘进工期,节约了施工成本。

TBM盘形滚刀的失效分析

采用SEM、金相等方法 ,对掘进机 (TBM)大直径盘形滚刀的磨损失效表面及截面金相组织进行了分析 ,确定了盘形滚刀的磨损失效形式。

TBM盘形滚刀破岩接触区受力分布

根据全断面岩石隧道掘进机(TBM)盘形滚刀破岩的特点,采用光滑粒子流(SPH)方法和有限元方法混合建模,对TBM常截面(CCS)盘形滚刀破岩过程进行三维数值试验研究.得到了不同贯入度情况下滚刀破岩时受到的正压力、滚动力及其分布规律,并利用CSM模型对试验结果进行了验证.最后得到了盘形滚刀破岩接触区内压力的分布规律,为TBM盘形滚刀的设计及应用提供参考.

TBM盘形滚刀破岩力计算模型分析

TBM挖掘机滚刀在挖掘过程中起着重要作用,研究滚刀的受力状态有助于优化设计,提升开采效率。对滚刀运动状态进行分析,根据其位置、速度关系得出滚刀运动规律,对滚刀受力状态进行分析。提出滚刀接触应力和破岩力的计算公式,对结果进行调整修正,使其更符合滚刀实际工作情况。经试验验证,滚刀破岩力计算公式与滚刀受力基本吻合,公式能够作为滚刀分析和优化设计的参考。

TBM破岩过程的滚刀受力计算模型研究

全断面硬岩隧道掘进机(TBM)广泛应用于隧道工程的建设,其滚刀破岩过程的受力情况也一直是TBM设计和施工阶段的核心问题。为研究TBM破岩过程的滚刀受力情况,该文简化滚刀运动模式,综合运用剪切与张拉破坏机理,分别对滚刀随刀盘转动时的扭转运动和在掘进方向的近似直线运动时的滚刀受力情况进行研究,不考虑滚刀自身旋转的影响,推导得出了计算破岩过程中滚刀法向力及滚动力的计算模型,并进一步分析了滚刀法向推力的主要影响因素,保证了计算模型参数取值的合理性。将该模型应用于实际工程案例中,分别与现场监测结果和近似常截面盘形滚刀破岩力CSM模型计算结果进行对比,结果表明:该计算模型所得结果与现场监测结果之间的相关性较好,且相比于近似常截面盘形滚刀破岩力CSM模型的计算误差较小,从而验证了该模型的适用性和合理性,为TBM滚刀破岩的力学计算和模型研究及其相关工程的应用提供了参考。

秦岭隧洞TBM滚刀异常磨损规律分析及处置

引汉济渭工程秦岭输水隧洞全断面岩石掘进机(TBM)掘进施工在试掘进阶段因遭遇高磨蚀性硬岩地层,滚刀发生异常磨损,施工进度严重滞后计划进度。为了减少刀具更换时间,节约施工成本,加快施工进度,必须找出滚刀异常磨损的规律并采取相应的处置措施。运用统计分析方法,通过对前2km试掘进段的正面、过渡段及边缘区域滚刀磨损情况进行详细分析,找出发生滚刀异常磨损现象的原因,研究滚刀磨损规律,确定滚刀磨损定量计算方法并提出相应的处置措施。结果表明,TBM滚刀发生异常磨损的原因为岩渣在开挖面底部堆积导致滚刀发生二次磨损。刀盘正面区域滚刀只发生一次磨损;刀盘边缘区域和过渡区域滚刀的磨损为直接破岩发生的一次磨损与重复破岩发生的二次磨损的叠加,刀盘过渡区域处的滚刀发生二次磨损最为严重,导致掘进过程中频繁换刀。施工中要及时停机并清理掉落物,及时更换磨损铲斗,避免岩渣在开挖面底部堆积。研究成果对降低高磨蚀性硬岩地层TBM滚刀异常磨损具有一定的参考价值,也为刀具设计及刀具消耗预测的研究提供依据。

复合岩层TBM刀盘外部载荷的确定

TBM在工作过程中地层结构的多变性导致刀盘受力的复杂性,针对刀盘受力问题以TBM刀盘掘进沈阳地铁二号线复合地层为研究条件,基于SolidWorks建立了简化的刀盘三维模型和岩石截面分层模型,构成破岩系统模型。利用CSM滚刀预测模型计算了滚刀在不同岩层下所需的破岩力,合算出掘进实际地层时刀盘所需推力。在ADAMS环境中对刀盘破岩过程进行动力学模拟,通过提取盘面上所有滚刀载荷和刀盘惯性载荷来确定整个TBM刀盘掘进过程中的载荷时间历程。

关埠引水隧洞超高强度岩石TBM刀具选型及布置

榕江关埠引水工程输水隧洞采用双护盾TBM掘进机施工,隧洞围岩大部分为弱风化—微风化花岗岩,围岩坚硬完整、岩石强度高(最高强度达190~230 MPa)。刀盘是TBM重要部件,刀盘设计的合理性对提高TBM掘进效率,降低施工成本起着决定性的作用。通过对隧洞岩石强度以及滚刀破岩机理综合分析,初步确定刀具形式、滚刀间距、滚刀直径等刀盘参数,为硬岩掘进创造基本条件;通过对滚刀启动扭矩及单刀承载力等的分析,对刀盘初期设计参数进一步优化,适当增加滚刀数量,提高了TBM的掘进效率。

缩尺寸TBM滚刀切割硬岩试样磨损性能研究

为了获得不同硬度滚刀切割硬岩磨损性能变化规律,基于滚刀线性切割实验台,开展了缩尺寸滚刀切割硬岩磨损试验,分析了不同滚刀的磨损垂直载荷、磨损量及磨损形貌等特性。研究结果表明:滚刀硬度对滚刀切割硬岩磨损垂直载荷影响不大,但不同滚刀硬度下的磨损量、磨损形貌及磨屑具有较大差异。随滚刀硬度增加,滚刀磨损量先减小后增大,滚刀磨损形貌由犁沟变形和剧烈微观切削向微弱微观切削及脆性断裂转变,磨屑由长宽丝状向短细丝状及粉状形态转变。存在最优滚刀硬度使得滚刀磨损性能最好,切割文中硬岩试样的最优滚刀硬度为HRC 57.0,研究结果可为滚刀耐磨性设计及其选配提供参考。

TBM滚刀刀圈加工工艺的研究

TBM破岩的主要工具是滚刀,刀圈是滚刀的核心部件,刀圈国产化是提高隧道掘进效率,降低工程造价的有效手段。我公司加工制造的滚刀刀圈,首次应用近净成形技术,使刀圈由粗糙成形变为优质、高效、高精度成形,刀圈的强度、塑性和韧性均得到提高,从而提高了刀圈的性能和使用寿命。

基于小波时频分析和Inception-BiGRU模型的盾构滚刀偏磨故障诊断

盾构机(tunnel boring machine, TBM)滚刀在重载、冲击和地质复杂的环境中服役,极易发生偏磨等失效故障,因此,掌握滚刀的磨损状态、实现基于数据驱动的滚刀偏磨故障诊断并指导滚刀的运维尤为重要。提出了一种基于小波时频分析和Inception-BiGRU模型的诊断模型以提高滚刀偏磨故障诊断效率。以滚刀为研究对象,在多功能缩比滚刀试验台上进行直线破岩试验,采集滚刀破岩时产生的振动加速度信号。采用连续小波变换获取反映振动信号时频域特征的小波时频图,进而以Inception模块的不同大小卷积核自适应地提取时频图中的多尺度空间信息,并通过添加双向门控循环单元(bidirectional gated recurrent units, BiGRU)使模型可更为准确地学习到时频图中丰富的时序依赖性关系,模型的超参数由贝叶斯优化算法确定。4种不同偏磨程度滚刀的诊断试验表明所提模型能够有效提取时频图中滚刀的偏磨特征并完成滚刀偏磨状态识别,实现端到端的盾构滚刀偏磨故障诊断。模型平均诊断准确率可达到98.5%,其诊断准确度和稳定性均优于其他常用算法,证明了所提方法的可行性。

不同刀具配置下隧道掘进机高效破岩机理与推力预估

为解决隧道掘进机刀盘刀具破岩的安全性、可靠性、高效性这一隧道掘进机施工难题,从高效破岩机理和刀盘刀具与围岩耦合作用规律两个方面进行了研究,对单刀及多刀破岩理论体系进行了完善。结合理论分析和滚刀岩机作用综合实验台上的实验结果,提出了红砂岩、石灰岩和花岗岩等3种常见岩石的最优破岩刀间距,并给出了当岩石强度位于40～170 MPa之间时的最优刀间距计算式。综合考虑各种因素对隧道掘进机总推力、刀盘扭矩的影响,提出了复合式隧道掘进机总推力、刀盘扭矩估算的理论公式。通过工程实例验证,该理论计算式具有较高的科学性和精确性。研究成果可直接用于刀具选型布置、推力、扭矩设计,从而降低隧道掘进机的制造成本、提高施工效率。

基于AUTODYN-3D的全断面岩石掘进机盘形滚刀间距优化研究

数值模拟法不仅成本较低,而且能够较为精确地对破岩过程进行仿真。以岩石断裂力学为理论基础,深入分析了全断面岩石掘进机滚刀的破岩机理,采用三维数值模型AUTODYN-3D来模拟岩石破碎的过程,测试中采用了由推力和滚动力共同作用下的破碎机理,这与实际隧道掘进机滚刀的工作条件十分接近。对模型使用了不同的边界条件,针对花岗岩模型,精确地对滚刀破岩过程进行了模拟,并且以花岗岩为例探讨了盘形滚刀间距优化问题。结果表明,该数值模拟方法不仅有助于更好地理解滚刀的破岩机理,而且对确定盘形滚刀最优切割条件和实验测试提供了理论基础。

一种测量TBM滚刀受力的实验方法研究

为探索测量TBM掘进机滚刀受力特性的方法,本文提出了一种能够测试滚刀三向受力的方案。选择滚刀装配体上的垫块作为弹性体,以粘贴应变片的方式实现测量。利用数值计算方法找出垫块底端面和侧端面对所测力敏感而对作用力位置变化不敏感的区域作为贴片位置,分析了锁紧楔块对测试结果的影响。对滚刀装配体在不同工况下的受力情况进行了数值分析和实验测试。结果显示,若根据数值计算选定的位置贴片,垫块底端面和侧端面桥路应变总值的实验和数值结果相对误差介于1.06%和5.62%之间。滚刀强烈振动或更换刀具后可能使中心轴与垫块之间受力位置发生变化,结果确定其影响不超过2.75%。该方案不仅可以测出三个力的信号,还可用于分析滚刀振动状态,特别是滚刀发生偏磨后,刀刃与岩石之间强烈摩擦,振动状态与未偏磨时必然不同,因此还可通过分析由该方法测得的动态信号来识别偏磨。

硬质岩层中TBM滚刀破岩效率预测模型研究

硬质岩层的盾构施工中,全断面硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀破岩效率的研究及工程实践广受关注,目前已有的研究成果不能很好地指导TBM掘进参数的设定以及有效提升破岩效率。为解决这一问题,在破岩效率评价标准的基础上,基于比能耗理论对TBM滚刀破岩效率预测模型展开研究。首先,分别推导得到非协同模式和协同模式下的破岩体积计算公式,并对2种模式下的破岩体积进行了计算和分析;其次,结合滚刀法向推力数学模型的推导结果,联立所得破岩体积及滚刀法向推力的相关公式,得到TBM滚刀破岩效率预测模型;最后,依托实际工程的应用及分析对本文所建立的破岩效率预测模型的合理性和实用性进行验证。研究结果表明:相比于其他情况,张拉破坏主导下的滚刀破岩效率更高;所建模型可以有效地应用于TBM掘进现场的破岩效率预测工作中。结合工程案例的有关计算和分析结果,给出了以控制比能耗为主要目标的滚刀贯入度的取值建议,为类似工程建设提供了有效的参考。

临空面与常规工况下TBM滚刀切割红砂岩对比研究

为了对比临空面与常规工况下的滚刀破岩性能规律,采用实验和仿真相结合的方法,分别开展了两种工况下滚刀切割红砂岩破岩实验和破岩仿真研究,分析了两种工况下岩石破碎状态、滚刀受载以及破岩比能耗等规律.研究结果表明:相比常规工况下滚刀破岩,临空面下滚刀破岩可以提升岩体内部主裂纹扩展能力,促进大块岩碴的形成;同时,临空面工况下的滚刀破岩载荷和破岩比能耗也得到显著改善.临空面下的滚刀破岩总载荷和破岩比能耗约为常规工况下滚刀破岩总载荷和破岩比能耗的66%和3%.研究结果可为TBM高效破岩提供参考.