TBM盘形滚刀破岩刃弧长研究分析

根据全断面隧道掘进机(TMB)盘形滚刀破岩运动的规律,综合考虑滚刀和掌子面相互的关系,利用空间几何理论以及空间运动学的坐标变换矩阵法建立了盘形滚刀工作刃破岩的运动学模型.采用Matlab软件编程对模型求解,得到盘形滚刀对掌子面的理论压碎轨迹的仿真图形及其破岩刃各点一次破岩弧长分布规律.结合仿真结果对比研究了TBM刀盘上中心刀和正刀的破岩刃弧长分布的规律.随着盘形滚刀刀位半径的增加,滚刀破岩刃一次破岩弧长呈下降趋势,但累计破岩弧长线性增加.盘形滚刀破岩仿真方法有利于对刀具磨损、破岩机理、刀具优化设计及其在刀盘上布局优化的研究.     

TBM盘形滚刀磨损预测模型

为了研究TBM盘形滚刀破岩过程中的磨损行为,首先通过分析刀具与刀盘的运动规律推导等截面盘形滚刀运动学公式,结合磨粒磨损理论及刀岩接触力学模型建立盘形滚刀磨损预测模型,并利用MATLAB软件开发滚刀磨损量的预测模拟程序。将该模型应用到某引水工程中对滚刀磨损过程进行仿真,得到盘形滚刀的磨损形貌演变规律。研究结果表明:仿真磨损量与实测磨损量随刀位号变化趋势基本一致,刀盘上各个安装位置处仿真预测的滚刀刀圈正面及侧面磨损值与实测值的平均相对误差分别为18%和30%。刀刃逐渐磨损成尖形,所得磨损形态与工程实际观测相吻合。     

前倾安装盘形滚刀作用效果的理论分析

盘形滚刀是全断面隧道掘进机的破岩刀具,因其对全断面隧道掘进机施工工程工期和工程造价有较大影响,一直以来就是领域学者研究的热点和难题.通过对全断面隧道掘进机刀盘上传统安装的盘形滚刀的破岩受力分析,发现其破岩刃域存在严重侧滑和破岩刃侧向力(包括摩擦力)不平衡,而盘形滚刀的前倾安装可有效减缓甚至消除这一力学现象.因此,提出了盘形滚刀前倾安装的概念,分析了前倾安装的盘形滚刀破岩工作中摩擦力的分布特点,研究了盘形滚刀破岩刃域不平衡侧向力自相平衡的盘形滚刀前倾安装角及侵深变化对自相平衡的影响,从而为提高盘形滚刀作业寿命、降低盘形滚刀更换次数、提高全断面隧道掘进机作业效率提供了理论依据.     

前倾安装和传统安装盘形滚刀破岩前锋点位移量和弧长的对比分析

全断面岩石掘进机盘形滚刀与岩石的相互作用一直是领域学者研究的热点和难题.代表性研究成果是Ozdemir等学者通过盘形滚刀线性滚压破碎岩石的试验建立的盘形滚刀破岩力——推压力和滚动力计算公式,这与实际破岩过程中盘形滚刀和岩石的相互作用有较大差异,为此,本文通过建立盘形滚刀实际破岩运动模型,应用微位移矢量分析方法,导出了前倾安装盘形滚刀、传统安装盘形滚刀实际破岩运动中破岩点的位移,尤其是侧向位移和破岩点弧长的解析式.通过某实际工程用全断面岩石掘进机盘形滚刀算例发现:在盘形滚刀贯入度相同的条件下,前倾安装盘形滚刀破岩点侧向位移和破岩点弧长均小于传统安装盘形滚刀破岩点侧向位移和破岩点弧长,从而揭示了前倾安装盘形滚刀破岩力对岩石的作用效果明显好于传统安装盘形滚刀破岩力对岩石的作用效果.     

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。     

盘形滚刀破岩效能理论分析

盘形滚刀破岩的一维模型是研究盘形滚刀破岩的基础.已有理论研究成果给出了盘形滚刀推力预测公式,已有压痕试验成果不仅给出了盘形滚刀推力预测公式还证明了存在破岩比能最小的刀间距.这些研究成果都是在正安装盘形滚刀条件下做出的.通过对比外倾安装和正安装盘形滚刀与岩石相互作用的力学模型,应用塑性理论证明了外倾安装盘形滚刀比正安装盘形滚刀的破岩比能低.以某实际TBM工程为例,发现,就单把盘形滚刀而言,外倾安装的盘形滚刀比正安装盘形滚刀破岩比能最高可降低11%以上,最低也可降低2.3%;还发现盘形滚刀轨迹圆半径越小,采用外倾安装盘形滚刀的破岩比能减小相对量越大;盘形滚刀半径越大,外倾安装盘形滚刀的破岩比能减小相对量也越大;盘形滚刀切深越小,外倾安装盘形滚刀的破岩比能减小相对量也越大.此结论将为盘形滚刀的设计和应用提供有价值的参考.     

全断面岩石掘进机连续性刀盘形变理论及应用研究

刀盘是全断面岩石掘进机上的关键核心部件.实际工程应用发现,全断面岩石掘进机作业过程中,盘形滚刀破岩作业效能低、设备振动大,与刀盘形变极不均匀关系密切.以弹性力学理论为基础,论文建立了全断面岩石掘进机作业刀盘的形变模型;考虑刀盘上盘形滚刀均匀布置,从而将作业刀盘看成面板上分布着均布载荷的弹性连续薄板;根据刀盘与其支撑大轴承的联接关系,确定刀盘支撑边界条件为夹支,从而对刀盘形变模型进行了求解.根据理论研究,论文提出了全断面岩石掘进机曲面刀盘概念——根据破岩地质条件,给刀盘以预变形,当刀盘在此地质条件下破岩作业时,刀盘产生弹性变形,从而使预变形消失,刀盘保持平面作业状态.论文建立的理论增强了刀盘作业刚度,使作业刀盘的极不均匀变形因其预变形基本能保持平面作业状态,有效提高了刀盘上盘形滚刀的破岩作业效能、降低了机器振动,从而为全断面岩石掘进机刀盘结构设计提供了借鉴.     

富水砂卵石地层大直径盾构刀具的磨损与适应性

以北京地下直径线盾构隧道试验段工程为依托,基于现场实测数据,系统分析了富水砂卵石地层大,直径盾构施工刀具的磨损规律及磨损原因,并对不同类型盾构刀具在该地层条件下的适应性进行了研究.结果表明:地层中卵石和砂的含量变化明显且存在强度很高的胶结物是刀具产生严重磨损的主要原因;单刃滚刀除有一小部分偏磨损坏外,其余均未出现严重磨损,更换较少,对该地层具有较好的适应性;重型撕裂刀在短距离掘进后即发生刀头脱落的情况,对该地层的适应性差;正常掘进过程中,外周边滚刀掘进距离约为120 m,刀盘中间部分的滚刀掘进距离约为230 m,可据此数据确定合理的刀具检查及更换距离.盾构隧道试验段研究成果可为本工程后续施工起到重要的指导作用.     

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。     

富水砂卵石地层大直径盾构刀具的磨损与适应性

以北京地下直径线盾构隧道试验段工程为依托,基于现场实测数据,系统分析了富水砂卵石地层大,直径盾构施工刀具的磨损规律及磨损原因,并对不同类型盾构刀具在该地层条件下的适应性进行了研究.结果表明:地层中卵石和砂的含量变化明显且存在强度很高的胶结物是刀具产生严重磨损的主要原因;单刃滚刀除有一小部分偏磨损坏外,其余均未出现严重磨损,更换较少,对该地层具有较好的适应性;重型撕裂刀在短距离掘进后即发生刀头脱落的情况,对该地层的适应性差;正常掘进过程中,外周边滚刀掘进距离约为120 m,刀盘中间部分的滚刀掘进距离约为230 m,可据此数据确定合理的刀具检查及更换距离.盾构隧道试验段研究成果可为本工程后续施工起到重要的指导作用.     

陡高边坡节理岩体卸荷岩体力学的物理基础

指出运用卸荷岩体力学 ,研究三峡工程永久船闸岩石陡高边坡节理岩体特性的重要性 ,与岩体由原所受地应力作用到卸荷减压致拉的 (反 )应力应变的机理 阐明卸荷过程中 ,若体抗拉强度、变形模量、泊桑比等参数不是常量 ,是随岩体分化衰变的变量及其物理基础 ;形变显现弹性恢复应变、扩容 ,扩容蠕变的演绎特性 提出卸荷节理岩体的弹 -扩 -粘形状的本构方程     

岩性因素对岩石爆破的影响

通过对岩石爆破机理的分析,认为岩石的最终破坏是由于爆炸产生的作用力超过其强度所致·进而分析了岩石的物理力学性质与岩石爆破的关系,重点阐述了岩石强度、孔隙度及密度对岩石爆破效果的影响,指出了在岩石爆破中起主要作用的是岩石的抗拉强度,阐明了岩石的空隙度越小、密度越大则越有利于岩石爆破,并探讨了水对岩石爆破效果的影响,指出水介质的存在有利于岩石的爆破·     

基于岩体质量分级的岩石力学参数研究

通过现场声波测试等快速测试手段，结合工程地质定性评价，应用BQ体系和RMR体系，对岩石边坡进行岩体质量评价，并分析了BQ体系和RMR体系的相关关系．在此基础上估算岩石力学参数，为岩石工程设计和施工提供了依据．     

岩壁变形条件下结构面法向变形特征

开展了无周边约束条件下不同岩壁厚度结构面法向变形试验,结合结构面-岩壁系统刚度与系统厚度之间关系,得到了不同岩壁厚度条件下结构面-岩壁系统整体刚度的变化特征,以及岩体结构面刚度与结构面厚度.分析了不同周边约束条件下结构面刚度与闭合量之间的关系,提出了考虑岩壁变形条件下结构面法向变形本构模型及其适用条件.进一步讨论了岩壁-结构面系统的结构和材料特征,分析了结构面法向刚度合理试验方法的重要性.本研究将有利于加深对结构面法向变形特征的理解与认识.     

节理岩体的卸荷岩体力学理论要点

节理岩体卸荷岩体力学研究成果在三峡船闸高边坡工程实施中得到检验。文章简介了中的反应力应变观点，岩体力学行性衰变的概念，求边坡卸荷中剪应力与偏应力变化规律及应力状态，以及岩体力学参数变化值，用阻力系数判定边坡稳定与处理。     

基于岩体质量Q系统的隧道围岩分级

岩体质量Q系统未考虑隧道上覆不同地质条件岩土体位置关系的相互影响。阐述了岩体质量Q系统在进行围岩分级时存在的问题,基于摩尔-库伦强度准则,提出了计算隧道围岩松动区和承载区的公式,得出当隧道围岩等级越高,即围岩稳定性越差时,松动区外半径、承载区外半径以及塑性区外半径越大;通过将理论分析方法与数值模拟方法相结合,求出了隧道围岩重要性系数,提出了一种隧道围岩分级新计算公式。     

岩石、岩体的动力强度与动力破坏准则

就岩石与岩体变形与破坏的时间特性进行了理论研究.研究了岩石及岩体的强度对于应变率的依赖关系及其机理,给出了考虑强度对于应变率依赖关系的莫尔库仑准则,确定了岩体的破坏尺寸与应变率之间的关系.讨论了若干时间性破坏准则,揭示了它们之间的内在联系.最后讨论了动力强度理论的应用.     

松散岩堆细-宏观强度关系与围岩压力

中国西南某铁路隧道围岩体为大孔隙率松散巨型岩堆体,是典型的非连续性颗粒材料,已不能用基于连续介质的经典土力学去解决其本构问题.为了从细-宏观角度研究松散岩堆的强度特性和围岩稳定性,从颗粒材料力学对致密砂土的力学分析出发,通过分析得出了松散岩堆的平面咬合模型的变形模式是点-面接触作用,推导出由岩堆内部岩块单元的摩擦角主导的宏观强度关系式;提出了松散岩堆岩体单元之间的咬合作用模型,得到松散岩堆咬合力关系,岩块单元间的细观摩擦角对宏观强度有较大影响;从适合破碎围岩的普氏理论出发,结合岩堆细观强度公式,得出了松散岩堆自然平衡拱轴线的计算方法,通过计算某铁路隧道围岩压力,验证了计算公式的合理性.     

互层状岩体及节理岩体的粘弹性模型

采用对互层岩体或节理岩体的不同介质进行“分离、集中”的方法得到了互层或节理岩体的二维和三维粘弹性模型。这个模型在互层或节理岩体的数值分析中是较实用的。     

岩石全应力-应变曲线及其与岩爆关系

提出了岩石典型全应力－应变关系曲线的数学描述,推导了岩石爆发生的能量条件,并论述了不同力学系统中岩爆发生时释放能量与系统热能的关系。