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。

一种硬岩掘进机滚刀设计研究

刀盘是硬岩掘进机施工中的关键部件,而滚刀是刀盘掘进中的利器,掘进机在施工过程中能否顺利推进,能否把坚硬的岩石啃下来,完全取决于滚刀的性能。假设岩体是连续和均质的工况下,对特定的硬岩掘进机滚刀起动牵引力的数值进行计算,计算的结果比实际所需的值略大,安全系数高,滚刀性能卓越、稳定,并可节约施工时间。通过三维建模和计算校核可知,刀轴设计满足强度要求。

水射流-机械滚刀复合破岩影响因素

针对极硬岩、极端软硬不均等特殊地层,滚刀破岩效率低下,刀具磨损(损坏)严重,掘进机换刀频繁,作业效率低的问题,通过搭建水射流滚刀复合破岩实验系统,针对不同花岗岩,采用不同的机械滚刀间距及水射流辅助破岩方式,开展了纯机械滚刀破岩、水射流切割岩石和水射流机械滚刀复合破岩实验研究,探明了水射流与机械滚刀复合破岩水射流破岩切缝深度、刀具三向力及破岩比能变化规律,为水射流破岩技术在隧道掘进机工程应用提供指导。

硬岩滚刀的失效统计分析及研制关键技术

为了研究盾构施工中滚刀最常见的破坏方式及内在原因,并为高性能滚刀的研制提供突破方向,依托广佛东环线龙洞站~大源站区间施工项目,阐述滚刀的破岩机理和组成结构,统计并分析滚刀不同形式的失效概率,得出滚刀主要的三种破坏形式,根据概率由高到低依次为刀圈正常过度磨损、刀圈偏磨、刀圈断裂或崩刃,结合刀圈硬度和韧性的检测结果,分析了其内在原因,最后针对性的提出了三种高性能滚刀研制的关键技术,对高寿命硬岩滚刀的研制提供参考方向具有重大意义。

硬岩地层中滚刀失效分析及适应性选型方法

盾构法施工在隧道工程中广泛运用,滚刀的性能对其施工效率和成本有着重大影响。硬岩地层中滚刀存在破岩效率低、使用寿命低的问题。基于深圳市铁岗—石岩水库水质保障工程中硬岩地层滚刀失效情况,建立基于单位消耗滚刀数量的破岩体积统计方法,分析滚刀失效规律和原因。结合滚刀破岩机理,从刀圈截面、刀刃宽度、刀圈过渡圆弧、滚刀尺寸、刀圈材料、安装半径等方面提出硬岩地层中滚刀地层适应性选型方法和刀盘改造措施。所提出的方法在工程实际中运用效果良好,可为硬岩地层中的盾构施工提供重要参考。

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。