岩石温度对盘形滚刀掘进参数破岩特性的影响

为了研究在岩石温度变化条件下盘形滚刀掘进参数对破岩特性的影响,以颗粒流理论为平台,从细观角度上建立了基于岩石温度变化的盘形滚刀热力学破岩数学模型,模拟了不同工况下岩石裂纹生成、扩展和岩渣形成的全过程,并对掘进参数对破岩特性的影响规律进行了研究,从细观角度解释了不同岩石温度下滚刀的破岩机制.利用直线式TBM滚刀破岩实验台,通过实验验证在岩石温度变化条件下掘进参数对滚刀破岩的影响规律是否与数值模拟有较好的一致性.研究结果表明:1)岩石温度升高,降低了岩石硬度、强度等力学性质,破岩时裂纹数增多且微裂纹迅速扩展,降低了滚刀破岩载荷,提高了破岩效率;2)低贯入度时,岩石不容易被侵入破碎;随着岩石温度的升高,岩石越来越容易挤压破裂;随着贯入度增加,失效区域进一步扩大,破岩效率提高;3)滚刀之间的协同作用随刀间距的增加而减弱,最优刀间距随岩石温度的升高而增加,随贯入度的增大而增加;4)提高岩石温度能增强滚刀之间的协同作用,提高破岩效率.     

盾构机反交错双螺旋线刀具布置形式的研究

总结了盾构机刀盘上刀具布置的基本原则和一般方案,提出了根据最优刀间距和相邻刀具相位差求解一般双螺旋线系数的方法;在此基础上提出了形式完全不同的反交错双螺旋线布置形式,并以狮子洋盾构隧道工程的使用案例对该布置形式进行了详细论述;分析了刀盘正反转情况下不同的破岩次序和破岩效率;以狮子洋隧道工程的实际统计数据为据,发现布置在螺旋线交错处的刀具存在局部磨损突出的现象.刀具反交错螺线型布置使得刀盘在逆时针旋转条件下的破岩效率提高,但刀具磨损快且差异性大.     

近距离斜穿车站富水圆砾地层盾构换刀技术及刀具磨损分析

开仓换刀作业是盾构隧道施工中不可避免的技术难题之一,现以南宁市轨道交通5号线新—广区间盾构隧道工程为背景,针对盾构机在富水圆砾、泥岩复合地层中长距离掘进后连续穿越3道地连墙的工程特点,总结刀盘优化布局方案,详细介绍适用于该地层条件下的素桩加固辅以降水作业的换刀方案,并对换刀前后盾构掘进过程中产生的刀具磨损进行测量、分析,揭示了盾构在复合地层中掘进以及直接切削地连墙造成的刀具磨损规律,提出了盾构切削桩基时的合理换刀距离,为后续施工及类似工程提供一定的指导和借鉴。     

围压作用下TBM双刃中心滚刀破岩特性研究

为了研究不同围压作用下双刃中心滚刀破岩规律,运用颗粒离散元建立其破岩数值模型,分析不同围压与刀间距对双刃中心滚刀破岩过程中裂纹扩展、比能耗等规律的影响.研究结果表明:双刃中心滚刀侵入破岩时,围压增加会抑制裂纹沿岩体垂直方向扩展.刀间距不同,围压增加对双刃之间的裂纹扩展影响不同;岩石破碎存在三种破碎模式且刀间距适中时,围压增加会促进破碎模式转变;存在最优刀间距使比能耗最小且最优刀间距随围压增加而增加;实验观测不同围压下双刃中心滚刀破岩过程裂纹扩展、破碎模式转变规律与数值模拟结果具有很好的一致性.     

盾构机双滚刀在复合地层中破岩机理的

针对华南地区广泛存在的复合地层地质条件,本文着重研究了盾构机双滚刀在该地层中的破岩机理。主要包括两方面的研究,其一是研究在复合地层中双滚刀的最优刀间距;其二是不同岩层之间夹角的大小对破岩的影响。结果表明：(1)随着刀间距从88 mm增大到112 mm,滚刀所受到平均法向力和平均滚动力均呈现先增大后减小再增大的趋势,平均法向力与平均滚动力的比值在10~15之间;并且比能会先迅速减小,然后缓缓增大,刀间距/贯入度的值在25附近时比能值达到最小。(2)双滚刀所受到的平均法向力与平均滚动力,会随着岩层夹角从15°到90°的增大,呈现先减小后迅速增大的趋势;在45°左右夹角时,滚刀受到的力会减小到最小。这些结果对复合地层中盾构机的破岩掘进有一定的指导意义。     

北京铁路地下直径线泥水盾构刀盘、刀具适应性分析

结合北京站至北京西站地下直径线工程实例,通过不同盾构刀盘刀具配置在砂卵石下的应用对比,重点对工程刀盘刀具改造前后对地层的适应性进行了详细的对比分析,提出了砂卵石条件下刀盘刀具配置应注意的关键问题,对类似工程有借鉴作用。     

2种切削顺序下TBM刀具破岩机理的数值研究

为研究切削顺序对全断面岩石掘进机(TBM)刀具破岩机理的影响,基于二维离散单元法,利用离散元仿真软件建立无围压条件下2把TBM刀具同时、顺次切削节理不发育岩石的仿真模型.在此基础上设计1组数值试验,模拟TBM刀具在不同刀间距下分别以这2种方式切割岩石时,岩石裂纹生成、扩展和岩石破碎块形成的全过程.最后,利用滚刀回转实验台对顺次加载方式下岩石的破碎模式进行验证.研究结果表明:切削顺序决定了岩石的破碎模式,但并不影响最优刀间距;当刀间距大于80mm时,顺次加载方式的破岩效率不再高于同时加载方式下的破岩效率;在2种加载方式下,岩石应力场的分布基本对称;破碎块的形成与侧向裂纹的交汇密切相关.     

滚刀载荷监测及刀盘载荷分布规律实验研究

为了获取滚刀载荷、建立刀盘载荷分布规律,为岩石隧道掘进机（TBM）高效掘进参数控制提供指导,通过分析单刃滚刀和中心双联滚刀结构形式,开发了滚刀载荷测试的传感器安装结构及测力传感器,研发了适用于TBM掘进模态综合实验平台的滚刀载荷监测系统;通过开展不同贯入度、不同刀间距及不同滚刀布置方式的多滚刀回转式破岩实验,基于实验结果建立了滚刀载荷分布规律,实验结果表明：滚刀载荷在空间域上随安装半径的增大而增大,临空面的产生和滚刀立体布置有利于滚刀破岩,贯入度与滚刀载荷呈幂函数关系。研究结果可为TBM刀盘设计和掘进参数的控制提供了参考依据。     

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。     

TBM掘进盘形滚刀最优切深动态模糊控制研究

基于重庆越江隧道掘进试验和模糊数学理论,对TBM掘进时盘形滚刀最优切深进行了动态模糊控制研究.对掘进时刀盘切割最低比能的实现途径进行了分析,提出了TBM掘进最优切深动态控制的理念,即根据地质条件的变化实时控制刀盘推力产生适度切深,以适应固定的刀间距,使刀间距与切深比值S/P处于最优范围内.现场采集掘进试验的数据,对其进行比能计算分析,得出泥岩和砂岩地层下刀盘的最优S/P分别为4-6和7-10.由于地层的复杂性和多变性,最优S/P只能控制在一定的范围内.因此采用模糊控制理论,设计了单输入一单输出的模糊控制系统,根据容许的ΔS/P,反馈调整刀盘推力,使之保持在最优的范围内工作,不断产生最优切深.工程应用表明,该模型能较好地指导TBM操作,将盘形滚刀切深控制在最优范围内,获得了较快的掘进速率和良好的经济效益.     

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,本研究设置了三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。在此基础上本研究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。     

切缝辅助滚刀破岩临界间距试验及预测模型研究

提高坚硬岩石条件下滚刀破岩能力是隧道施工的长期追求目标,而采用水射流辅助滚刀破岩可有效降低岩石开挖难度和刀具载荷,是一种很有前景的新型破岩技术。本文针对水射流切缝辅助滚刀破岩这一方式,首先采用破岩试验验证了切缝间距对切缝辅助滚刀破岩效果的影响,证明在岩石材料、贯入度、切缝深度一定条件下,切缝辅助滚刀破岩存在一个临界间距,当切缝间距小于临界间距时,切缝侧才能发生贯通破碎;然后采用岩石剪切破坏理论分析并提出了线性化临界间距计算模型,该模型表明临界间距的大小与切缝深度L和贯入度H的差值（L-H）线性线性相关。     

基于刚体动力学-离散元耦合数值方法的复合地层盾构滚刀响应

随着盾构机制造技术的不断进步,隧道工程中使用盾构机的情况愈加普遍。滚刀作为一种优异的掘进刀具,在复合地层盾构机中普遍应用。滚刀在使用过程中处于动态滚动状态,离散多元化的岩土体将导致滚刀的动态状态呈现异常状态,从而导致滚刀和岩土体接触面间存在较大的相对滑动速率。在以往的离散元滚刀模拟中,研究者将滚刀设定为固定转速而未实现滚刀的动态滚动过程。本文使用刚体动力学（RBD）-离散元（DEM）耦合的数值模拟方法,实现了在数值模拟中的滚刀动态被动转动,进一步贴近工程实际。本文以强风化岩为破岩对象,模拟分析了不同贯入度、不同运动速度下的滚刀的动态运动过程。基于本文的初步研究分析发现：滚刀存在最优贯入度区间,低于该区间时滚刀不能进入动态转动状态,大于该区间时改善效果不明显且增大滚刀受力;滚刀启动时受到的扭矩先随滚刀运动而升高,到达某一峰值点附近后开始下降,随后在零值附近波动;滚刀启动峰值扭矩和运动速度正相关;滚刀达到峰值扭矩的时间和运动速度负相关。本文的研究手段可为相关研究者提供参考,本文的研究结果可为盾构刀盘刀具设计及盾构机的操作提供参考。     

复合地层双模盾构与复合盾构刀具磨损对比

软硬交替复合地层中可采用双模盾构和复合式盾构进行掘进施工。然而目前针对双模盾构和复合盾构在软硬交替地层中的适应性缺乏清晰明确的现场掘进数据进行对比验证，特别是施工参数和刀具磨损方面。本文基于深圳地铁12号线相似地层的三个相邻盾构区间工程，对比不同盾构机的盾构掘进施工参数、刀具服役情况及岩渣形态，分析刀具磨损的原因及特征，并进一步对比在长距离软硬交叠地层下EPB/TBM双模盾构和复合EPB盾构的掘进效能。结果表明：（1）双模盾构TBM模式在岩质地层中的推进速度可达到双模盾构EPB模式的2倍及复合EPB盾构的3倍。受土仓压力和刀盘转速影响，刀盘推力和扭矩差异较大的双模EPB模式和复合EPB盾构更易造成刀具异常磨损。（2）双模盾构TBM模式滚刀磨损速度更低，其刀具寿命是双模盾构EPB模式和复合EPB盾构的3~5倍，换刀时间占比约为后两者的1/2~3/8，EPB/TBM双模盾构总体掘进效能优于复合EPB盾构。（3）双模盾构TBM模式的岩渣中岩片更多且形状细长而扁平，在岩石地层中EPB/TBM双模盾构掘进效率优于复合EPB盾构。     

粉细砂-砾岩复合地层条件下大直径越江盾构刀具磨损

为了确保大直径泥水盾构下穿江底复合地层安全顺利施工掘进,对于刀盘刀具磨损的预测和监测至关重要。本文以武汉地铁8号线黄浦路站～徐家棚站越江盾构隧道工程为背景,结合现场调研与磨损数据分析,首先根据不同地层中的刀具磨损特点进行磨损情况分类,并从地质、施工等角度对磨损原因进行了归纳,将整个越江过程中的刀具磨损分为8类,并认为滚刀非正常磨损主要由三大主要原因构成;然后基于磨损系数,对不同刀具在不同地层以及不同位置的适应性进行了分析。结果表明：(1)在复合地层中刀具磨损大小排序为撕裂刀>滚刀>刮刀>齿刀,且刮刀对硬质中胶结砾岩适应性较差,对强风化以及弱胶结砾岩适用性优于其他刀具。(2)中胶结砾岩的存在会加剧磨损,且会给大直径盾构边缘刀具带来更大的磨损影响,而强风化砾岩和弱胶结砾岩则对磨损变化影响不大。     

基于复杂地质岩机作用的多维度隧道掘进机适应性评价方法

为了解决高强度高磨蚀硬岩地层TBM掘进“低效高耗”、断层破碎带地层“刀盘受困”、高地应力挤压性地层“护盾被卡”等隧道施工难题,基于TBM滚刀、刀盘、护盾与隧道围岩的相互作用,通过多个TBM法隧道工程数据统计分析,揭示了滚刀贯入度指数与岩体特性指标、滚刀破碎体积磨损速率与岩体特性指标、TBM设备利用率与断层宽度、围岩相对变形量与强度应力比的函数关系,建立了基于滚刀可掘性和耐磨性、刀盘受困和护盾被卡风险的多维度TBM适应性评价方法,为复杂地质隧道修建TBM工法选择、装备设计及施工难题的解决提供了量化依据。