EPB盾构机刀盘开口模式与刀盘盘体结构耦合设计

以某地铁标段施工盾构为研究对象,针对EPB盾构机的刀盘的开口模式与盘体结构设计之间相互影响、耦合的特点,首先建立根据边界条件与三轴实验获得的岩土颗粒微观参数构建盾构刀盘与岩土相互作用的刀盘系统离散元数值模型,研究盾构刀盘开口率对刀盘挖掘过程的影响规律。在此基础上,建立基于渣土流动性的刀盘结构参数优化设计模型,在AWE下对刀盘的整体结构进行优化设计。研究结果表明:在某地质条件下,开口率为35%,中心开口占45%的刀盘挖掘效率较高且满足螺旋输送系统工作条件。     

基于PFC3D的北京砂卵石地层盾构刀盘选型及刀具布置数值模拟研究

砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层及强磨蚀性地层,盾构在该类地层中掘进通常会面临刀盘、刀具磨损严重,盾构推力与刀盘扭矩偏高且波动幅度大、地层变形不易控制等问题。砂卵石地层盾构掘进效率的高低及地层控制的好坏,刀盘选型及刀具配置是关键。以北京地铁新机场线“磁各庄站～1#风井”盾构区间为工程依托,利用PFC3D数值模拟及现场测试相结合的手段,研究刀盘开口率、刀具组合高差、先行刀刀间距等参数对盾构掘进效率及地层变形的影响。研究结果表明：相同掘进参数下大开口率辐条式刀盘比小开口率辐板式刀盘具有更好的掘进速度,小开口率辐板式刀盘掘进时引起的地表变形更小,对周围地层的扰动范围也更小;先行刀与切削刀的组合高差为70 mm时盾构掘进效率较高且扭矩较低;先行刀刀间距设定为300 mm时,盾构有较好的掘进效率和较低的刀盘扭矩。工程实践表明;要实现砂卵石地层盾构长距离高效掘进,大开口率辐条式刀盘设计及大高差梯次化刀具布置是基础,高贯入度、低转速的掘进控制是关键。研究结果可为类似工程的盾构刀盘选型与刀具布设提供借鉴。     

微型土压平衡盾构机刀盘的设计

为了满足微型土压平衡盾构机在不同地质条件下的正常掘进,设计制造了开口率可变的0.92m微型土压平衡盾构机刀盘。对微型盾构机刀盘的结构设计与刀具的布置方法进行了详细说明,并结合地质和岩土工程方面的知识,对微型土压平衡盾构机刀盘所受载荷进行了计算。利用CATIA软件对所建立的刀盘三维模型进行了有限元分析,结果表明刀盘的结构设计完全满足使用要求。     

土压平衡盾构地层适应性设计理论和方法研究

为了探讨盾构机工作参数与土体的相互关系,针对土压平衡盾构的特点在模拟试验台上进行了掘进试验.分析了盾构总推力、刀盘扭矩和土仓土压力的变化关系及其影响因素,同时还研究了刀盘开口率对刀盘扭矩的影响规律.试验结果表明:在土压平衡的情况下,刀盘扭矩和盾构总推力有良好的线性关系,并且盾构总推力随着推进距离的增加而缓慢地增加.     

土压平衡盾构地层适应性设计理论和方法研究

为了探讨盾构机工作参数与土体的相互关系,针对土压平衡盾构的特点在模拟试验台上进行了掘进试验。分析了盾构总推力、刀盘扭矩和土仓土压力的变化关系及其影响因素,同时还研究了刀盘开口率对刀盘扭矩的影响规律。试验结果表明：在土压平衡的情况下,刀盘扭矩和盾构总推力有良好的线性关系,并且盾构总推力随着推进距离的增加而缓慢地增加。     

微型土压平衡盾构机刀盘开口率对排土率的影响

刀盘开口率是刀盘设计的关键参数,是决定盾构机是否稳定掘进的关键参数之一.在充分理解刀盘与开挖面相互作用的基础上,分析了开口率对排土率的影响,并推导出最大排土率与最小排土率的计算方法.根据该计算方法,研究了不同直径的刀盘在砂砾石地层掘进时,排土率随开口率变化的情况.分析结果表明:在砂砾石地层中直径为3m的刀盘开口率取值为70%~85%时有利于开挖面的稳定.     

盾构刀盘多目标优化设计

盾构刀盘设计的时候应该充分考虑到整个刀盘的刀盘开口率、刀具的布置、结构形式等对刀盘的影响，必须适合使用条件，确保使用过程中在保持稳定的前提下提高掘进速度。刀盘设计是盾构机的主要零部件，其结构设计的合理性直接影响到盾构机的性能。为了提高设备的使用效率，需要合理优化刀盘结构。文章主要从盾构机刀盘的结构形式、结构设计和优化设计目标三个方面进行简要分析。优化后的盾构刀盘应力分布更加均匀、刀盘结构的强度增加，为盾构机刀盘今后的设计与发展提供参考。     

TBM刀盘地质适应性设计方法及其应用

刀盘是全断面硬岩掘进机(TBM)的核心部件,其结构的地质适应性是决定TBM掘进效率的关键因素。根据TBM刀盘制造企业设计的实际需要,制定了刀盘设计基本流程,结合掘进地质条件、刀盘结构参数和掘进参数,建立了刀具布置、开口、盘体设计等关键参数计算模型,提出相应的TBM刀盘地质适应性设计方法。将TBM刀盘设计方法应用于某供水工程,对该工程所用TBM的刀具布置参数、刀盘驱动性能与掘进参数以及刀盘结构参数进行地质适应性设计,并对设计方案进行了力学性能和出渣性能仿真分析。研究结果表明,刀盘设计方法能有效实现刀盘结构、刀具布置以及相关掘进参数地质适应性设计,所设计的刀盘力学性能满足施工要求。目前该刀盘在引水工程中累计已掘进12 km,工作状态良好。     

复合地层的盾构机刀盘设计

针对土压平衡式盾构机的复合式刀盘设计,从刀盘结构、刀具类型和布置、开口率和搅拌翼、泡沫注入口及耐磨性设计等方面分别进行分析,新设计的刀盘不仅提高了刀具的耐磨性,满足了刀具的强度要求,还提高了刀盘的掘进效率.     

基于数值仿真的盾构刀盘载荷影响因素分析

盾构刀盘在掘进过程中受到周围环境的影响工作状态随时改变,文章通过将盾构刀盘掘进过程简化为刀盘刀具掘土作用,采用数值方法对刀盘掘进过程进行了全物理过程仿真,分析了地质参数、施工参数以及结构参数等影响因素对处于稳定工作状态的盾构刀盘切削力及扭矩等动态掘进载荷分布的影响。     

一种盾构刀盘的有限元分析

刀盘是盾构机的关键部件之一,主要用来完成对掌子面岩土的破碎剥离。根据某盾构刀盘的结构特点,建立其三维实体模型,并建立了刀盘相应的有限元计算模型,对刀盘在土压不平衡工况和土压平衡工况下的受力特性进行分析,得到了刀盘在各工况下的应力应变分布规律。分析结果表明,最大等效应力出现在牛腿与面板的交界处,同时牛腿与法兰盘以及面板与辅梁的连接处有较大的应力。最大应力为230 MPa,最大变形为2.098 mm。研究结果可为刀盘的结构设计和工程施工维护提供基础数据。     

复合式土压平衡盾构机刀盘性能综合评价方法

复合式土压平衡盾构机刀盘对复合地层的适应性决定了施工的安全性和经济性。由于刀盘结构的多样性以及施工环境的复杂多变性,不同类型的刀盘在应对不同地层时,其综合性能表现不一,目前仍缺少对其综合性能进行评价的有效方法。在考虑刀盘性能影响因素多层次、多方面和相关联性的基础上,从刀盘的结构性能、刀具布置性能、力学性能、经济性、安全可靠性和环境适应性等方面,建立刀盘性能评价指标体系。根据刀盘递阶层次结构评价模型特点,提出一种基于模糊数学与评价理论,以模糊层次分析法计算刀盘指标权重,通过模糊综合评价和模糊优劣解距离决策法对刀盘进行综合性能评价的方法。结合长沙某地铁施工标段地质条件,选取四种常见的复合式土压平衡盾构机刀盘方案,进行评价确定最终方案,并通过工程实例验证本方法的合理性和有效性,为施工过程中的刀盘方案选型决策提供一种新方法。     

Deviation correction strategy for the earth pressure balance shield based on shield–soil interactions

The control system presently used in shield posture rectification is based on driver experience, which is marginally reliable. The study of the related theory is flawed. Therefore, a decision-making approach for the deviation correction trajectory and posture rectification load for an earth pressure balance (EPB) shield is proposed. A calculation model of posture rectification load of an EPB shield is developed by considering the interactions among the cutter head, shield shell, and ground. The additional position change during the shield attitude correction is highlighted. The posture rectification loads and shield behaviors results can be solved by the proposed method. The influences of the stratum distribution (i.e., bedrock height in the upper-soft and lower-hard strata) on shield behaviors and posture rectification loads are analyzed. Results indicated that the increase of pitch angle in the upper-soft and lower-hard strata causes a sharp rise in vertical displacement. The bedrock height increases the magnitudes of the required posture rectification moments when h_r/D > 0.5. For a tunnel with h_r/D ≤ 0.5, the variation of h_r/D has little effect on the posture rectification moments. Finally, the posture rectifying curves based on the theoretical model are compared with the target ones based on the double circular arc interpolation method. The required results can be obtained regardless of the soil–rock compound stratum distribution. The maximum rectification moment in the rock layer is almost 12.6 times that in the soil layer. Overall, this study provides a valuable reference for moment determination and the trajectory prediction of posture rectification in compound strata.     

盾构刀盘的数值模拟

盾构法是一项复杂的技术,在隧道施工中,通过位于盾构机最前端刀盘上刀具对前方的土体进行切削来完成掘进开挖的任务,因此盾构刀盘的强度设计十分重要。利用有限元软件ANSYS建立了盾构刀盘和刀具的有限元模型进行数值模拟,模拟了在不同工况及不同设计方案下刀盘和刀具的受力状态,包括:改变刀盘钢板的厚度、改变刀盘和牛腿之间的夹角以及在刀盘上施加偏载等。通过以上情况的模拟为盾构刀盘刀具优化结构设计提供参考依据。     

土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究

研究土压平衡(Earth pressure balanced,EPB)盾构机刀盘刀具的布置方法,目的是为了确保刀具结构布置的合理性和实用性。依据刀具磨损的等寿命原则,提出确定刀具数量的磨损系数法和掘进系数法;针对具体施工问题,可预测盾构在开挖区间,刀具的磨损量以及许用磨损情况下刀具的掘进距离,为保障工程的安全顺利进行提供参考。基于阿基米德螺旋线布置方法,计算以刀具磨损的等寿命原则下,主切削刀的布置曲线;提出刀具平面对称布局原则,分析刀具的切削过程,得到单把刀具的实际切深;建立EPB盾构刀盘上先行刀的立体布局方法,计算得到先行刀的超前量;结合南京地铁二号线TA07标段,验证了刀具布置方法的正确性。研究内容和研究方法可为EPB盾构机刀盘的选型和设计奠定理论基础。     

大直径盾构刀盘结构整体强度分析

盾构掘进机是一种广泛应用于隧道工程施工的大型机械设备。刀盘刀具是盾构掘进机的关键部件,因此盾构刀盘的强度设计十分重要。文中利用有限元软件建立盾构刀盘的有限元模型进行数值模拟,分析了在不同工况及不同设计方案下刀盘的受力状态,为盾构刀盘刀具优化结构设计提供参考依据。     

基于多系统协调的密封舱压力智能化控制

掘进面地层水土压力和密封舱压力相平衡是盾构机安全掘进的关键,密封舱压力控制是当前盾构研究的热点。研究根据场切深指数(Field penetration index, FPI)及扭矩切深指数(Torque penetration index, TPI)指标判断土体参数,实现地质的在线识别,为盾构机推力、扭矩和推进速度的设定提供依据。根据质量守恒定律并考虑盾构密封舱渣土的可松性,建立土压平衡盾构密封舱压力控制机理模型,并通过模型预测控制器进行多系统协调控制。对比常规比例-积分-微分(Proportion- integration-differentiation, PID)控制器,多系统协调控制具有更优的控制性能,使盾构机处于工况稳定,掘进快速,节能高效的理想状态。     

基于压力动态平衡的盾构密封舱压力控制方法

针对盾构密封舱压力系统缺乏机理模型,无法实现快速准确地压力控制问题,在密封舱压力控制机理分析基础上建立了密封舱压力动态平衡的数学模型。采用离散元法对密封舱压力场进行仿真,研究刀盘开口率、埋深等因素对密封舱压力传递关系的影响,分析了密封舱隔板压力与测点压力的映射关系,定义了密封舱压力传递系数,并在此基础上提出了密封舱压力控制的参考压力值设定过程。考虑密封舱压力系统机理模型的非线性与时变特点,提出密封舱压力的双变量最优控制策略。基于土压平衡盾构密封舱压力控制试验台对所提控制方法进行试验验证,研究结果表明：控制精度与速度均能满足适应地质变化的密封舱压力系统控制要求。     

基于AMESim的盾构刀盘负载敏感系统仿真研究

盾构机刀盘驱动系统的核心是液压系统。针对盾构施工中不同区域的地层差异性，为使盾构刀盘液压驱动系统节能减耗，采用负载敏感泵作为主驱动液压系统的动力源，利用AMESim软件搭建系统模型，并通过某型盾构机在软土和砂土两种不同地层下负载随机变化的情况，分别模拟系统全功率运行、80%功率运行和60%功率运行下，系统效率及能耗的变化情况。结论证明，软土地层为提高系统效率，减小能耗，宜在全功率模式下运行，而砂土地层宜在60%功率模式下运行。     

液压锥阀内部流场的三维仿真计算及可视化分析

计算机技术的不断发展和各种计算流体动力学(CFD)计算方法的广泛应用,为深入了解液压阀内部流体的流动状态提供了方便。运用CFD通用软件F luent,以实际液压锥阀为模型,对阀芯在不同开口度、不同半锥角以及不同流量下的流动特性进行了三维仿真计算,并对可视化图形进行了分析。对锥阀的流量系数及阀芯上的压强分布和液动力的计算表明仿真结果与理论计算结果基本一致,为锥阀的优化设计提供了理论依据。