砂卵石地层微型土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究

刀盘是微型土压平衡盾构机的关键部件,刀盘刀具类型、数量及合理布置决定着盾构设备的破岩能力,直接影响刀具使用寿命、盾构设备的掘进速度和掘进距离。根据北京某砂卵石地层的地质特点,确定了刀盘刀具的选型与选材;依据刀具磨损的等寿命原则和阿基米德螺旋线布置方法确定了主切削刀和先行刀的布置曲线与刀具数量。直径为3m的微型土压平衡盾构机,在砂卵石地层中,刀盘布置主切削刀数量为38把,先行刀数量为15把,先行刀超前主切削刀的超前量为30mm。通过ANSYS软件对刀盘的力学性能进行了分析,结果表明刀盘受力与变形状况良好,满足设计要求。     

面向结构性能的砂卵石地层盾构刀盘优选

为了探究北京地铁砂卵石地层条件下最优的刀盘结构,提出了4种典型的刀盘结构型式,分析了刀盘在掘进过程中所受载荷并进行计算,针对每种结构型式分别建立了盘体厚度为350 mm、400 mm和500 mm的有限元分析模型,得出了每种刀盘的应力分布图。对结果进行分析比对,发现辐条式刀盘的辐条最大应力和云腿最大应力均低于辐板式刀盘,直云腿刀盘结构性能优于斜云腿刀盘,最后优选出砂卵石地层条件下结构性能最优的刀盘结构和尺寸为辐板式直云腿厚400m m的刀盘。     

复合地层中大直径盾构刀盘刀具的选型与优化

近年来大直径盾构施工技术飞速发展,国内各大城市大直径盾构隧道工程相继开工建设,大直径盾构施工有着很大的发展前景。在实际的施工过程中大直径盾构机刀盘刀具的选型至关重要,很多工地由于刀盘刀具的选型不适合该工程,在掘进中出现了很大的困难,带来严重的经济损失,甚至出现人身伤亡事故。本文结合广深港狮子洋隧道盾构刀盘刀具的选型与优化,说明刀盘刀具对复杂地层的适应性等方面的重要性以及刀盘刀具优化的各种方法。     

富水砂卵石地层盾构刀盘刀具配置的研究

成都的地层属于富水砂卵石地层,卵石含量达到80%以上,盾构掘进时对刀盘刀具的磨损异常严重,更换刀具带来的施工风险极大,刀盘刀盘刀具的磨损问题严重制约着地铁施工的进度。本文根据成都地铁1号线施工过程中对刀盘刀具的消耗、刀具的磨损型式进行客观的分析,提出能够适应成都地层需要的刀盘刀具配置。     

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。     

基于CFD的土压平衡盾构刀盘开口分布特征研究

土压平衡(Earth pressure balance,EPB)盾构刀盘的开口率及开口分布特征的设计是刀盘地质适应性设计的关键技术之一,直接影响开挖渣土的流动性及盾构的掘进效率。针对不同掘进地质条件下盾构刀盘开口设计的复杂性问题,利用刀盘切削渣土被改良为"塑性流变状态"的特性,运用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)理论,建立包括渣土、刀盘、土舱和螺旋输送机在内的CFD模型,利用实际工程掘进数据验证CFD模型计算结果的正确性与方法的可行性,在此基础上,分析获得给定地质条件下相同开口率不同开口分布特征的刀盘前后渣土的压力分布规律,以及刀盘开口分布特征对盾构机刀盘开挖渣土流动性能的影响作用关系,并通过回归分析,得到刀盘开口分布特征与刀盘前后渣土压力之间的映射关系。研究为高效、稳定掘进的土压平衡盾构刀盘拓扑结构优化设计提供方法。     

砂卵石地层盾构机刀盘受力计算及有限元分析

盾构机在砂卵石地层掘进过程中,盾构机刀盘驱动主要为主驱动扭矩及盾体推力,因此,需对盾构刀盘进行推力及扭矩分析。在分析盾构机刀盘扭矩及所受轴向推力的基础上,结合相关的土体力学知识,建立盾构机刀盘驱动扭矩及所受推力的计算模型。以此为依据对某工程所用刀盘进行有限元分析,分析结果显示刀盘满足设计要求。     

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.     

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。     

复合地层中掘进的盾构机刀盘动态驱动转矩研究

复合地层掘进扭矩载荷突变是造成盾构机掘进过程中堵转停机的直接原因,考虑盾构机刀盘驱动变频调速电机特性、转矩传递过程中齿轮啮合刚度及齿侧间隙等非线性因素,建立冗余驱动的盾构机刀盘切削系统机电耦合动力学模型;针对典型复合地层地质条件,对盾构机在上软下硬地层掘进过程中刀盘驱动转矩动态特性进行仿真分析。结果表明,在软土体积百分比为70%复合地层中,掘进扭矩载荷显著高于50%软土百分比复合地层;盾构机在由50%软土百分比地层掘进进入70%软土百分比地层过程中,刀盘驱动电机负荷瞬间增大,甚至超出其工作极限,电机无法稳定工作,容易导致堵转发生,该结果可以部分解释我国昆明上公山隧道施工中频繁出现堵转事故的原因,为盾构机复杂地质条件下顺应性设计提供指导。     

Deformation characteristics under variable stiffness for the propelling mechanism of EPB shield machines in mixed ground

This study aims to investigate the deformation characteristics under variable stiffness for the propelling mechanism of Earth pressure balance shield machines in mixed ground. In terms of hyperstatic compatibility, a mechanical model for the driving mechanism in composite strata is first constructed. Based on the method of regarding spatial deformation difference as measuring effect on rectifying deviation in thrust system, the deforming difference trunk for the propelling mechanism is subsequently discovered in mixed face ground. Applying deformation difference trunk to the thrust mechanism of a tunneling machine in engineering applications, the characteristics of deformation in thrust mechanism that affect the thrust system correction are finally discussed. Results could provide a theoretical foundation and support for the design of a new pushing mechanism in tunneling machines.     

基于动力稳定性的全断面岩石隧道掘进机刀盘临界推进速度研究

推进速度是全断面岩石隧道掘进机(Tunnel boring machine,TBM)的重要设计参数。其值过小将降低机械的掘进效率;过大将引起刀盘的大幅振动,导致联接螺栓超常松动、引起主轴承塑性变形与断裂,严重影响施工安全。为确定推进速度的临界值,引入非线性弹簧单元模拟破岩过程中滚刀与岩石的相互作用,采用有限元法对刀盘掘进过程进行动态仿真,得到了在不同岩层中掘进时保证刀盘动力稳定性的推进速度临界值。所得结果可为合理设计TBM推进速度,有效控制刀盘振动,减少振动破坏,提升TBM的地质适应性和施工安全性提供参考。     

基于滇池沉积层特征的昆明地铁液压盾构机选型及盾构参数研究

基于昆明滇池沉积层结构特征多元化、软硬不均、渗透性多样、含水丰富且规律预见性差等特点,提出土压平衡式液压盾构机的选型及盾构参数。提出了管片尺寸及盾构直径的合理取值。在此基础上,提出了最大掘进速率、平均掘进速率等掘进参数取值,提出了较完善的液压盾构机机械性能参数取值,包括刀盘驱动参数、盾构机千斤顶参数、螺旋机出渣驱动参数。特别提出了液压驱动装备动力。结合昆明地层特点及所提参数,总结了昆明地铁施工中每环实际出土体积和注浆量,保证了正常盾构施工。     

隧道掘进机刀群与盘体支撑筋耦合布置设计

刀盘是全断面隧道掘进机(Tunnel boring machine,TBM)的关键部件,TBM刀盘系统设计直接关系掘进效率和可靠性。刀盘系统设计的关键是复杂岩石边界下刀群布置设计与刀盘盘体结构设计,二者相互耦合,相互影响。分析刀群与盘体支撑结构之间空间位置耦合以及支撑结构与刀盘强度刚度之间的非线性耦合关系,建立刀群与盘体支撑结构耦合布置优化模型,提出多子系统协同进化的刀具适应性布置与盘体结构耦合设计方法。以引洮工程为例进行验证,结果表明：支撑筋初始安装角与刀盘强度、刚度之间存在非线性函数关系,多子系统协同进化方法求解出的刀群与支撑筋耦合布置方案的最大等效应力、最大变形量、不平衡力矩、不平衡力、顺次角度等指标相比原方案降低了30%以上,以此证明提出的耦合优化模型及其求解方法的可行性和有效性,可为TBM刀盘系统设计提供一定的借鉴与方法支撑。     

新型盾构机刀盘设计与有限元分析

为满足盾构机在复合型地层下掘进的需要,设计了一种新盾构机刀盘。刀盘主要由刀盘框架、滚刀、刮刀和泡沫管组成,可替代进口刀盘或可与其他进口装置组合使用。运用有限元软件对该刀盘在实际工况下的受力情况进行了分析,结果表明,刀盘能够满足实际工作要求,结构可靠性高。     

A New System to Evaluate Comprehensive Performance of Hard-Rock Tunnel Boring Machine Cutterheads

The accurate performance evaluation of a cutterhead is essential to improving cutterhead structure design and predicting project cost. Through extensive research, this paper evaluates the performance of a tunnel boring machine(TBM) cutterhead for cutting ability and slagging ability. This paper propose cutting efficiency, stability, and continuity of slagging as the evaluation indexes of comprehensive cutterhead performance. On the basis of research of true TBM engineering applications, this paper proposes a calculation method for each index. A slagging efficiency index with a ratio of the maximum di erence between the slagging amount and average slagging is established. And a slagging stability index with a ratio of the maximum slagging fluctuation and average slagging is presented. Meanwhile, a cutting efficiency index by the weighed average value of multistage rock fragmentation of a cutter's specific energy is established. The Robbins and China Railway Construction Corporation(CRCC) cutterheads are evaluated. The results show that under the same thrust and torque, the slagging stability of the CRCC scheme is worse, but the slagging continuity of the CRCC scheme is better. The cutting ability index shows that the CRCC cutterhead is more efficient.     

盾构刀盘液压驱动系统

刀盘驱动液压系统是盾构液压系统的重要组成部分。本文简要介绍电比例功率自适应控制和变频驱动控制两种刀盘液压系统及其工作原理和特点。该驱动系统与阀控系统相比，具有结构简单、技术先进、性能可靠等特点，特别是节能效果明显。     

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.