TBM破岩机理及刀圈改形技术研究_李亮
复合岩层TBM滚刀破岩过程数值模拟与试验研究
复合岩层TBM滚刀破岩过程数值模拟与试验探究摘要：随着隧道工程的不息进步，越来越多的工程岩层都属于复合岩层，其岩层结构复杂，破裂机理难以理解。
目前，盾构机在岩土工程中的应用越来越广泛，特殊是对于长跨度城市隧道等大型隧道工程的施工更是必不行少的。
然而，复合岩层中的不同岩石结构不同，很难对不同的岩石进行不同的力学参数的刻画，所以在设计盾构机的刀具结构时务必有足够的能力来精通和理解复合岩层的破裂机理。
本文针对复合岩层上的盾构机滚刀破岩机理进行了数值模拟与试验探究，分别从理论计算、力学分析以及试验评判三个方面进行了探究。
通过模拟分析，模拟得出了破裂过程中盾构机滚刀对不同岩石的切削力、相应的破裂效果以及岩石剥落的形式形态。
试验结果表明，在复合岩层中，盾构机滚刀对整个岩体压力的分配匀称，削切效果明显，但对于复合岩层中的高强度岩石在滚刀破裂时出现了岩石卡在滚刀轮面的现象。
因此，我们建议在设计盾构机刀具时需要将复合岩层中不同的岩石的力学参数进行刻画，并结合试验结果进行综合评估，以保证盾构机的高质量、高效率的工作。
关键词：盾构机；滚刀破岩；复合岩层；破裂机理；数值模拟；试验探究。
1. 引言随着城市化进程的加速，地下空间的需求越来越大，隧道工程也随之快速进步。
而盾构机作为地下隧道工程中最主要的施工设备之一，其技术水平也不息提高。
然而，随着隧道越来越深、复杂岩层的出现，盾构机面临着越来越大的挑战。
尤其在复合岩层中的盾构机滚刀破岩机理方面，其破裂机理更加复杂，特殊是对岩体的力学性质要求更高。
因此，本文针对复合岩层上的盾构机滚刀破岩机理进行了数值模拟与试验探究，旨在深度精通和理解复合岩层的破裂机理，为设计高效、高质量的盾构机提供科学依据。
2. 复合岩层盾构机滚刀破岩数值模拟针对复合岩层中的盾构机滚刀破岩机理，本文接受ANSYS软件进行了数值模拟分析。
起首，通过建立复合岩层的有限元模型，分别对不同类型的岩石进行材料属性的定义。
中国水利学会国内首台高压水力耦合破岩TBM产品正式发布
中国抗癌协会
肿瘤影像专业委员会年会召开
日前 ，由中国抗癌协会肿瘤影像专业委 员会、上海市抗癌协会、上海市抗癌协会肿 瘤影像专业委员会主办 ，复旦大学附属肿瘤 医院承办的“第四届中国抗癌协会肿瘤影像 专业委员会年会暨第十三次上海市抗癌协会 肿瘤影像专业委员会年会暨肿瘤影像诊断新 进展学习班”在上海召开。会议邀请多位国 内放射诊断学、超声学、核医学领域的专家 授课 ，授课内容包括人工智能在肿瘤影像诊 断中的应用、肿瘤精准影像诊断的新进展、 常见肿瘤的诊断和鉴别诊断、功能 MR 成像 技术和超声、核医学诊疗技术在肿瘤中的应 用等。
会议期间 ，还召开了中国微量元素科学 研究会第四届第十一次常务理事会议。研 究会常务理事考察了金寨县的农业基地 ， 与当地农业部门初步达成开展以富硒农业 技术提供为主的精准农业扶贫工作框架。
金东寒长期从事新型发动机及其动力系 统研究与应用开发 ，先后主持上海市科技 攻关、国家自然科学基金、国防重点预研、 先期技术演示验证和重大型号研制等重大 科研和工程项目 20 多项 ，取得了一系列开 创性成果 ，并在重大工程中得到应用 ，是科学研究会
首届中国有机富硒产业发展峰会 举办
学会动态
中国水利学会
国内首台高压水力耦合破岩TBM产品正式发布
6 月 17 日— 18 日 ，由中国水利学会、水利部科技推广中心主办 ，黄河勘测 规划设计研究院有限公司、中铁工程装备集团有限公司承办的“TBM 成套装备 与关键技术研讨会暨高压水力耦合破岩 TBM 产品发布会”在河南省郑州市召开。 来自国内 TBM 工程技术领域的 100 多名专家、学者参加会议 ，共同探讨 TBM（全 断面硬岩隧道掘进机）工程技术应用中的新理念、新装备、新技术、新方法。 中国水利学会副秘书长吴剑出席会议并致辞。
TBM盘形滚刀破岩机理的试验与模拟研究的开题报告
TBM盘形滚刀破岩机理的试验与模拟研究的开题报告一、研究背景盘形滚刀破岩机是一种高效、快速、安全的用于岩石爆破和地下挖掘的机械设备，被广泛应用于隧道、地铁、矿山等工程领域。
然而，在实际应用中，盘形滚刀的破岩效率、破岩速度、破岩质量等指标均受到材料的物理和力学性质的影响。
因此，对盘形滚刀破岩机理的研究和优化有着重要的意义。
二、研究目的本研究旨在通过试验和模拟方法，深入探究TBM盘形滚刀破岩机理，分析滚刀与岩石之间的物理相互作用，并优化破岩效率、破岩速度和破岩质量等指标。
三、研究内容1. 破岩机理分析：研究盘形滚刀的运动规律、破岩时的作用力与破岩岩石的反应力等机理问题。
2. 试验研究：通过搭建实验台架和破岩试验装置，分析盘形滚刀的破岩效率、破岩速度、破岩质量等指标，并对试验结果进行数据处理和分析。
3. 模拟计算：建立基于有限元法的盘形滚刀破岩模型，模拟盘形滚刀在不同岩石中的破岩情况，分析破岩效果并优化滚刀结构设计。
四、研究方法1. 文献资料法：搜集、整理TBM盘形滚刀破岩相关文献资料，了解研究背景和现状，明晰研究目标。
2. 实验法：设计盘形滚刀破岩试验装置，选用不同材质的岩石进行实验，研究滚刀与岩石之间的物理相互作用，获得试验数据并进行分析。
3. 数值模拟法：借助有限元软件建立盘形滚刀破岩模型，采用数值模拟方法分析盘形滚刀在不同材料中的破岩情况，为优化滚刀设计提供依据。
五、研究意义本研究对TBM盘形滚刀破岩机理的深入探究和优化具有重要意义，不仅可以提高盘形滚刀破岩效率和质量，还可以为岩石爆破和地下挖掘工程的实际应用提供技术支撑和参考。
TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟
TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟杨圣奇;黄彦华【摘要】采用颗粒流再现了锦屏大理岩脆—延—塑性转化特征,利用获得的细观参数建立TBM滚刀破岩离散元模型,模拟了单个TBM滚刀侵入断续单裂隙岩体过程,分析了裂隙倾角和围压对滚刀破岩效果的影响规律,最后从细观层面探讨了滚刀破岩机理.结果表明:含单裂隙岩体在单刀作用下,总体上表现为压缩性破坏、规则裂纹萌生与扩展、粉核区形成和主裂纹贯通4个阶段;当裂隙水平时翼裂纹萌生于裂隙中部,裂隙倾角较小时翼裂纹萌生于距尖端一定距离处,随着裂隙倾角的增大翼裂纹在裂隙尖端萌生.随着围压的增大,粉核区的范围逐渐变大,在高围压作用下出现侧向裂纹向自由面扩展;裂隙岩体比完整岩石更容易发生破坏,而且不同倾角裂隙岩体破坏难易程度也有所不同,总体上表现为:15°＜45°＜60°＜0°＜30°＜90°＜75°破岩由易到难.有围压条件下破岩难于无围压条件,且困难程度随着围压的提高而增大.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2015(040)006【总页数】10页(P1235-1244)【关键词】TBM;滚刀破岩;颗粒流模拟;细观机理;大理岩【作者】杨圣奇;黄彦华【作者单位】中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116【正文语种】中文【中图分类】U451.2杨圣奇,黄彦华. TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟[J].煤炭学报,2015,40(6):1235-1244. doi:10. 13225/ j. cnki. jccs. 2014. 3036Yang Shengqi,Huang Yanhua. Particle flow simulation on rock fragmentation process and meso-mechanism by a single TBM cutter[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(6):1235-1244. doi:10. 13225/ j. cnki. jccs. 2014. 3036全断面岩石掘进机(tunnel boring machine,TBM)具有施工快、质量高和操作环境好等优点,已被应用与公路隧道、水利隧洞等岩石工程中。
TBM盘形滚刀破碎岩石机理及影响破岩力因素的研究共3篇
TBM盘形滚刀破碎岩石机理及影响破岩力因素的研究共3篇TBM盘形滚刀破碎岩石机理及影响破岩力因素的研究1TBM盘形滚刀破碎岩石机理及影响破岩力因素的研究随着基础设施建设需要和城市地下空间利用需求的日益增长，地下工程的规模和复杂度不断提高。
作为地下工程中重要的、高效的、安全的施工方法，盾构掘进技术已经成为地下工程中的常见施工方法，其中，TBM（盾构机）作为盾构掘进技术的重要设备，在世界各地得到了广泛的运用。
TBM是把土（岩石）通过旋转机械工具开展撕裂或挤压形成碎块的机械设备。
其中，盘形滚刀是TBM中的一个重要破岩装置。
盘形滚刀的破岩效果很大程度上决定了TBM的施工效果，因此研究盘形滚刀的破岩机制和影响破岩力因素对于提高TBM的施工效率和安全性具有重要的意义。
在TBM施工中，盘形滚刀通过对岩石的撕拉和挤压，产生破碎效果，从而将岩石破碎成所需要的颗粒大小。
盘形滚刀的破岩机理包括机械原理和岩石物理学原理两个方面。
在机械原理方面，盘形滚刀的破岩作用主要是基于滚刀锋利的锋角和高转速的运动形成的撕裂和挤压作用。
在岩石物理学原理方面，盘形滚刀的破岩作用主要受到岩石物理参数的影响，如强度、韧性、断裂、岩石结构及质地。
影响盘形滚刀破岩力的因素包括滚刀结构参数、盘形滚刀集合模式、岩石物理参数、工作参数等。
滚刀结构参数包括滚刀角度、轮廓线、长度、钻头方向及排列方式等。
盘形滚刀集合模式包括盘形滚刀的数量、密度、形状及布局等。
岩石物理参数包括岩石的强度、韧性、断裂、岩石结构及质地。
工作参数包括盾构机的推进速度、转速、切削压力、刀盘压力、卸载器压力及进给速度等。
自上世纪80年代以来，许多学者对TBM盘形滚刀的破碎机理和影响因素进行了深入研究，并对其适用范围和技术性能进行了总结。
随着科技水平的不断提高，TBM盘形滚刀的结构设计和应用技术也不断创新，使得其施工效率和安全性得到更好的提高。
综上所述，TBM盘形滚刀作为TBM中的重要破岩装置，其破岩机理和影响因素的研究对于提高TBM的施工效率和安全性具有重要意义。
tbm原理
tbm原理TBM原理。
TBM（Tunnel Boring Machine）是隧道掘进机的英文缩写，是一种专门用于隧道掘进的机械设备。
它采用了一种先进的隧道掘进技术，能够在地下快速、高效地开凿隧道，广泛应用于地铁、水利、交通等领域。
那么，TBM是如何实现隧道掘进的呢？下面我们就来详细介绍一下TBM的工作原理。
首先，TBM的主要部件包括刀盘、推进装置、支撑系统和排土系统。
刀盘是TBM的核心部件，它由大量的刀具组成，可以在地下岩石中进行切削。
推进装置则负责推动TBM向前行进，同时支持和稳定刀盘的工作。
支撑系统用于加固隧道壁，防止地下岩石的坍塌。
排土系统则负责将切削后的岩石颗粒输送到地面。
TBM的工作原理是通过刀盘的旋转和推进装置的推动来实现的。
当TBM开始工作时，刀盘开始旋转，刀具与地下岩石接触并进行切削。
同时，推进装置向前推动TBM，使刀盘能够持续地进行切削。
切削后的岩石颗粒被排土系统输送到地面，随着TBM的推进，隧道逐渐形成。
在TBM工作过程中，支撑系统起着非常重要的作用。
它能够及时加固隧道壁，防止岩石坍塌，确保隧道的稳定和安全。
同时，支撑系统还可以为TBM提供足够的工作空间，保证刀盘和排土系统的正常运行。
除了上述的主要部件和工作原理外，TBM还具有自动化控制系统。
这个系统可以监测和控制TBM的工作状态，保证其在隧道掘进过程中的稳定性和安全性。
同时，自动化控制系统还能够对TBM进行故障诊断和维护，延长设备的使用寿命。
总的来说，TBM是一种高效、快速的隧道掘进设备，其工作原理主要包括刀盘的切削、推进装置的推动、支撑系统的加固和排土系统的输送。
通过这些部件和工作原理的协同作用，TBM能够在地下开凿出稳定、安全的隧道，为城市的发展和建设提供了重要的技术支持。
TBM滚刀破岩机理与影响因素数值模拟研究
TBM滚刀破岩机理与影响因素数值模拟研究刘立鹏;汪小刚;刘海舰;孙兴松【摘要】为研究全断面岩石掘进机(TBM)滚刀破岩机理与破岩效果影响因素,采用颗粒流程序(PFC)建立滚刀破岩模型,通过单轴压缩与巴西劈裂试验结果,标定PFC 程序参数,模拟滚刀破岩过程并对岩石强度、围压等破岩效果影响进行研究分析.结果表明:滚刀破岩历经前期压密、中期挤压剪切、后期挤压张拉破坏的组合破岩模式,整个破岩过程中滚刀出现反复加-卸荷交替及跃进破岩现象.岩石强度过高难以产生径向裂纹、强度过低侧向裂纹扩展不明显,破岩效果均不佳,TBM滚刀只对于中等强度范围内岩石较为合适.围压影响裂纹生成与扩展,较高时将抑制径向裂纹发育,降低破岩整体效果.研究成果可为TBM选型及滚刀设计提供一定参考.%In order to study the rock breakage mechanism and influence of the full-face Tunnel Boring Machine (TBM) cutters,the rock breakage model of cutter was established by the Particle Flow Code(PFC).Parameters of the PFC program were calibrated by uniaxial compression and Brazilian test.The rock breakage mechanism and the influence of rock strength and confining pressure on rock fragmentation by TBM cutters are successfully studied by using numerical simulation.The results show a composite rock breaking model of the rock breaking mechanism by TBM cutters through a process of the pre-compaction,the medium-time extrusion shear failure and the late extrusion tension failure.Loading and unloading alternately occurs throughout the process of the cutter.At the same time,the cutter shows the phenomenon of jumping.It is difficult for high rock strength to produce radial cracks,and there is no obvious lateral crack expansion with low rockstrength.In both cases,the effect of rock breaking of TBM cutters is not obvious,only for a certain strength range of rock is more appropriate.The confining pressure affects the formation and expansion of the crack,the higher confining pressure will inhibit the radial crack development to reduce the rock breaking effect.The research results can provide some reference for TBM selection and cutter design.【期刊名称】《中国水利水电科学研究院学报》【年(卷),期】2017(015)005【总页数】9页(P346-353,359)【关键词】隧道工程;滚刀破岩机理;颗粒流程序;影响因素【作者】刘立鹏;汪小刚;刘海舰;孙兴松【作者单位】中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038;中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京100038;北京城建设计发展集团股份有限公司,北京 100037;中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038【正文语种】中文【中图分类】TU4521 研究背景1856年，美国约翰·威尔森制造出世界上第一台全断面岩石掘进机（Full Face Rock Tunnel Bor⁃ing Machine，TBM），并在马萨诸塞州Hoosac铁路隧道中进行了掘进试验。
一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘及破岩方法[发明专利]
![一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘及破岩方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/74274b9b02768e9950e73817.png)
专利名称：一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘及破岩方法专利类型：发明专利
发明人：李建斌,夏毅敏,贺飞,齐志冲
申请号：CN201911198710.9
申请日：20191129
公开号：CN110924971A
公开日：
20200327
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种空化射流辅助破岩的TBM刀盘及破岩方法，以提高TBM刀盘破岩效率。
本发明包括刀盘本体，刀盘本体上设有中心滚刀和正滚刀，还包括空化射流机构，空化射流机构的空化射流喷头设置在刀盘本体上且与中心滚刀和正滚刀相对应。
所述空化射流机构包括空化射流喷头和空化装置，空化射流喷头垂直设置在刀盘本体的前面板上，且空化射流喷头通过高压水管道与空化装置相连接。
本发明在常规刀盘上增加了用于辅助切削硬岩的空化射流破岩装置；通过对空化射流喷头与滚刀的配合，利用空化射流对极硬岩有较强的破坏性，能削弱岩石的各项性能，对岩石进行双重破碎，提高刀盘的破岩效率。
申请人：中铁工程装备集团有限公司
地址：450016 河南省郑州市经济技术开发区第六大街99号
国籍：CN
代理机构：郑州优盾知识产权代理有限公司
代理人：高园
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铁路隧道TBM破碎岩石机理及破岩力影响因素研究
铁路隧道TBM破碎岩石机理及破岩力影响因素研究
黄仟
【期刊名称】《江苏建筑职业技术学院学报》
【年(卷),期】2024(24)1
【摘要】为了解决TBM盘形滚刀破碎的问题,提高滚刀的破岩效率,以新建兰州至
重庆铁路西秦岭隧道作为研究案例,通过数学物理方法求解滚刀在岩体受压破坏阶
段和剪切破坏阶段的破岩力,并分析滚刀几何参数和岩体力学参数对破岩力的影响。
研究结果表明,不同刀刃半角的盘形滚刀破岩力随贯入度均呈现明显的非线性增加
后趋于收敛的趋势,盘形滚刀破岩力随着刀刃半角的增加而增加,刀刃半角超过12°时,滚刀破岩力急剧增加;在刀盘每转贯入度<2 mm时,盘形滚刀的破岩力随贯入度
增加呈非线性增加,而刀盘每转贯入度≥2 mm后,则呈线性增加;内聚力对盘形滚刀
破岩力的影响与内摩擦角规律一致。
【总页数】6页(P26-31)
【作者】黄仟
【作者单位】中铁十八局集团隧道工程有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TU45
【相关文献】
1.节理倾角对岩石隧道掘进机破岩特性影响的数值研究
2.TBM滚刀破岩机理与影
响因素数值模拟研究3.复合岩层中隧道轴线和岩层走向平行、垂直时TBM滚刀破
岩机理研究4.地应力对TBM滚刀破岩力影响室内试验研究5.巷道掘进运动过程破岩力影响因素研究分析
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TBM破岩机理及刀圈改形技术研究_李亮
文章编号:1001-8360(2000)S0-0008-03T BM破岩机理及刀圈改形技术研究李 亮, 傅鹤林(长沙铁道学院科学研究处,长沙 410075)摘 要:通过地应力对破岩影响的分析,对T BM破岩机理进行了研究,着重考虑了岩石破裂角对破岩效果的影响。
在刀圈荷载一定的条件下,为提高破岩效果可以针对不同的岩石采用不同的刀圈外形。
结合秦岭隧道的工程实际,提出了提高工作效率的刀圈改形方案。
关键词:T BM;破岩机理;刀圈改形中图分类号:U455.6 文献标识码:ARock breaking mechanism by TBM and modification to pan knife ringLI Liang, FU He-lin(Science Research Dep t.,Changs ha Railway Univer sity,C han gsha410075,Chin a)Abstract:T he effect o f earth pressur e to r ock breaking is studied.T he principle of rock breaking mechanism by TBM is discussed and the action o f ro ck breaking angle is emphasized.Efficiency of rock breaking can be increased by using proper pan knife for differ ent rock sedim entary w hen the thrust of machine is a constant.A modification o f pan knife is pr ovided for using in Qinling tunnel.Keywords:TBM;ro ck breaking mechanism;modification of pan knife 为了提高我国铁路隧道的装备水平和参与国际竞争的能力,铁道部从德国Wir th公司引进了两台TBM 掘进机在中国最长的秦岭隧道(18.4km)投入使用。
TBM破岩实验及数值研究1
在刀具侵入破岩研究的基础上，开展动载冲击破岩实验研究，并 对冲击载荷下预制裂纹扩展模式以及破坏形式进行研究。
谢谢各位!
22.1
21.2
90 23.3
29.6
60 22.7
29.3
45 21.9
32.5
30 22.3
33.2
0
22.1
27.7
长度 （mm）
31.5
[(cocso(s)*)2(cossi( n))2
36.9
2sin()(cocso(s)*)(1cossi( n))]12(3)
23.2
式中：为主裂纹长度； *
本课题拟采用室内实验与数值模拟相结合的方式，研究不同围压 下，动静载荷对完整岩体与预制裂纹岩体破岩效果的影响。
研究内容
1.室内试验研究 1.1 TBM冲击破岩装置的改造
针对TBM的冲击破岩方式， 设计与其破岩过程相适应的实 验装置。基于中南大学自主研 发的TRW-3000真三轴试验机 （如图1所示），设计TBM冲 击破岩实验平台。
80
A=0.2mm/s A=0.4mm/s A=0.6mm/s
中间裂纹长度(mm) 侧向裂纹长度(mm)
70 60
60 40
50 20
40
0
1
2
3
4
5
频率(Hz)
图25 动静载荷对中间 裂纹发育的影响
0
0
1
2
3
4
5
频率(Hz)
图26 动静载荷对侧向 裂纹发育的影响
3 研究成果及进一步工作
3.1 研究成果：
切削能 (KJ) 比能(J per crack)
切削能
《2024年双护盾TBM撑靴液压系统及刀盘驱动系统的研究》范文
《双护盾TBM撑靴液压系统及刀盘驱动系统的研究》篇一一、引言随着地下工程建设的快速发展，隧道掘进机（TBM）作为高效、安全的施工设备，在岩土隧道施工中得到了广泛应用。
双护盾TBM作为一种具有土压与岩石掘进双重能力的先进设备，其工作性能的优劣直接关系到工程建设的效率和安全性。
本文着重研究双护盾TBM的撑靴液压系统及刀盘驱动系统，探讨其工作原理、性能特点及优化措施，旨在为TBM的进一步研发与应用提供理论支持。
二、双护盾TBM撑靴液压系统研究1. 撑靴液压系统的工作原理双护盾TBM的撑靴液压系统是用于支撑和稳定机器的重要部件。
该系统通过液压泵提供动力，驱动撑靴油缸伸缩，从而实现TBM的稳定支撑。
在掘进过程中，撑靴液压系统能够根据地质条件和施工要求，自动调整撑靴的支撑力度和位置，保证TBM 的稳定性和工作效率。
2. 撑靴液压系统的性能特点双护盾TBM的撑靴液压系统具有以下性能特点：（1）高稳定性：系统采用先进的液压控制技术，能够实时监测和调整撑靴的支撑力度和位置，保证TBM在各种地质条件下的稳定性。
（2）高效率：系统具有快速响应和高效能的特点，能够根据施工要求快速调整撑靴的位置和力度，提高施工效率。
（3）低能耗：系统采用节能型液压泵和油缸，降低能耗，减少设备运行成本。
3. 撑靴液压系统的优化措施为进一步提高双护盾TBM的撑靴液压系统性能，可以采取以下优化措施：（1）优化液压泵和油缸的设计和制造工艺，提高系统的可靠性和耐用性。
（2）引入智能控制系统，实现撑靴液压系统的自动化和智能化，提高施工效率和安全性。
（3）加强系统的维护和保养，定期检查和更换液压油、滤清器等易损件，保证系统的正常运行。
三、刀盘驱动系统研究1. 刀盘驱动系统的工作原理双护盾TBM的刀盘驱动系统是用于驱动刀盘旋转和推进的重要部件。
该系统通过电机或液压马达提供动力，驱动刀盘旋转，同时通过推进油缸实现刀盘的推进。
在掘进过程中，刀盘驱动系统能够根据地质条件和施工要求，自动调整刀盘的转速和推进力，保证掘进效率和隧道成型质量。
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文章编号:1001-8360(2000)S0-0008-03T BM破岩机理及刀圈改形技术研究李 亮, 傅鹤林(长沙铁道学院科学研究处,长沙 410075)摘 要:通过地应力对破岩影响的分析,对T BM破岩机理进行了研究,着重考虑了岩石破裂角对破岩效果的影响。
在刀圈荷载一定的条件下,为提高破岩效果可以针对不同的岩石采用不同的刀圈外形。
结合秦岭隧道的工程实际,提出了提高工作效率的刀圈改形方案。
关键词:T BM;破岩机理;刀圈改形中图分类号:U455.6 文献标识码:ARock breaking mechanism by TBM and modification to pan knife ringLI Liang, FU He-lin(Science Research Dep t.,Changs ha Railway Univer sity,C han gsha410075,Chin a)Abstract:T he effect o f earth pressur e to r ock breaking is studied.T he principle of rock breaking mechanism by TBM is discussed and the action o f ro ck breaking angle is emphasized.Efficiency of rock breaking can be increased by using proper pan knife for differ ent rock sedim entary w hen the thrust of machine is a constant.A modification o f pan knife is pr ovided for using in Qinling tunnel.Keywords:TBM;ro ck breaking mechanism;modification of pan knife 为了提高我国铁路隧道的装备水平和参与国际竞争的能力,铁道部从德国Wir th公司引进了两台TBM 掘进机在中国最长的秦岭隧道(18.4km)投入使用。
由装有刀圈的刀盘、刀盘旋转驱动装置和刀盘纵向推进装置组成的凿进挖掘系统(boring or excavating sy stem)是整个机器中的最重要部分,其性能和质量的好坏直接影响着掘进机的整个工作效率。
该系统中的碟形刀圈,在整个掘进过程中始终与掌子面上的岩石接触,是挤压破岩凿进的刀具,因而是整个掘进机的关键零件。
由于秦岭的岩体属于多重变质体,地质条件极其复杂,岩体坚硬而且岩性变化大,导致T BM刀圈出现卷刀、崩口、断裂、刀圈移位磨蚀度偏大及空磨刀等现象,严重影响掘进速度。
为了使刀圈适应秦岭的复杂地质条件,有必要对T BM破岩机理进行研究,在给定的机械条件下,提出适合不同地质环境的刀圈方案。
1 地应力场对破岩的影响由于掌子面岩体在刀圈挤压力作用下,岩体处于三向受力状态,按摩尔-库仑定理,要使岩体发生挤压破收稿日期:1999-10-11;修回日期:2000-03-07基金项目:铁道部T BM刀具攻关技术研究课题(95G48B)作者简介:李 亮(1962—),男,江苏泰兴人,副教授,硕士坏,所受压力R必须满足R>R y+1+sin<1-sin<R3=R y+1-LL R3(1)式中,R y为岩体单轴抗压强度;<,L分别为岩体内摩擦角和泊松比;R3为地应力场的某一方向的主应力。
秦岭隧道北口岩体为混合变质片麻岩。
由于岩体发生变质的因素主要为高温、高压和化学性质活泼的流体所致。
高压的作用导致大的断裂结构及高地应力场存在,根据勘测结果发现的F4等大断层及地应力场测试结果,说明秦岭北口变质岩形成的原因与高压作用有关。
由已有的测试结果可知,秦岭隧道岩体的裂隙系数为0.6～0.8,岩体的单轴抗压强度为100～320 M Pa,岩体泊松比为0.20～0.25,岩体的取样通常是完整性比较好的岩体,室内单轴抗压强度代表了现场完整性比较好的岩体强度,假定工作面岩体的地应力场按理想自重应力场为主计算,当工作面深度约400m 时,取C=27.5kN/m3,则R3=11M Pa,在式(1)中,令L=0.25,则由计算可知,要使完整性较好的岩体发生挤压破坏,R必须大于133～353M Pa。
而对节理裂隙发育的岩体,地应力场在岩体开挖过程中就已经转移到了完整性较好的岩体上,因而在开挖节理裂隙发育的第22卷增刊铁 道 学 报V ol.22 Supple. 2000年5月JOU RN AL O F T HE CHIN A RA IL W AY SO CI ET Y M ay 2000岩体过程中受地应力场影响不大,可以忽略,故要使岩体发生挤压破坏之R应大于60～256M Pa(取折减系数为0.6)。
2 T BM滚压破岩机理盘形刀在掌子面的岩面上连续滚压造成岩体破碎,机器施加给刀圈的外荷载为轴压力(推力)和滚动力(扭矩)。
轴压力使刀圈压入岩体,滚动使刀圈滚压岩石。
这是T BM破岩的特点。
2.1 冲击压碎岩石岩石与钢材及混凝土材料不同,它是由各种不同强度的矿物组成,各向异性和不均质性是它的特征,而且随着成因不同表现出不同的脆性和塑性。
刀圈在岩面上滚动时,就象大车在软硬不同的路面上行驶一样,软的地方压入深,硬的地方压入浅,使刀体作上下往复运动,造成对岩体的冲击。
根据前苏联的有关研究成果,同样条件下,脆性岩体冲击破碎所需的时间比塑性岩体小8倍。
2.2 剪切和碾碎岩石TBM刀圈在破岩中剪切和破碎岩石来源于如下三个方面:(1)刀圈与岩石接触界面上的摩擦力,它对接触面的岩石表面产生碾碎作用;(2)刀圈作圆周运动的向心力,它对刀圈内侧岩石产生剪切作用:(3)人为地造成滚刀的滑动。
从摩擦角度而言,滑动是有害的,但对塑性类的岩石,滑动有助于扩大岩石破碎面积,提高破碎效率。
这种破碎岩石的过程类似切削,它与切削的区别是在冲击使岩石压碎成许多漏斗的条件下,刀圈通过滑移而使岩石破碎。
综上所述,滚压破岩既有冲击压碎,又有剪切碾碎作用的复合运动,给滚压破岩机理的研究带来许多困难。
前苏联对滚刀压入岩石的应力状态和破岩机理进行了研究。
研究表明,在其它条件相同时,刀韧外形为抛物线形的刀圈可承受较高的剪切力,更适合于破碎坚硬和塑性的岩石。
3 岩石破裂角对破岩效果的影响分析在滚压推力一定的条件下,由刀圈形成的拉槽之间有一个临界间距B k,它表示两拉槽之间的最大间距。
如果两拉槽之间间距大于临界间距,两拉槽之间相互不影响,破岩效果与单刀相同。
如果小于临界间距,槽间破坏区相连。
破碎岩块的大小与刀间距密切相关。
在选定的推力条件下,每一种岩石和刀都有一个破碎量最多、块度最大的刀间距离,称为最优槽间距。
如果刀间距大于或小于最优间距,破碎岩石量都要随间距的变化而减少,图1所示为东北大学试验资料。
图1 布刀间距与破岩量之间的关系研究表明,T BM破碎岩石分为压碎和剪切两个过程:第一个过程是压碎,所需推力P1,P1与岩石接触面上有两个分力,只有垂直分力起压碎作用;第二个过程是剪切岩石,假设刀体排出压碎的破碎体后,吻合地作用于拉槽坑内,所需推力为P2,因此盘形刀破岩所需的总推力[2]为P=P1+P2=D0.5h1.5[43R y+2S y(Bh-2tan H)]tan H(2)式中,D为盘刀直径;R y,S y分别为岩石的单轴抗压强度和抗剪强度;其它符号见图2。
图2 盘形刀剪切岩石示意图在P、D、B、R y、S y一定的条件下,h与tan H几乎成反比,B与h成正比,与tan H成反比。
对于特定岩石,在P1、D、B、R y、S y确定的条件下,其贯入度h也确定,B与tan H之间成反比例关系,即岩石破裂角越大时,则B要求可小。
见图2。
对于秦岭隧道北口,由于花岗岩和变质片麻岩的成因不同,导致其受力性能有明显不同,即变质片麻岩呈现出很大韧性,T BM破岩效果不理想,而花岗岩呈现很大脆性,TBM破岩效果较好,究其原因是因为在相同条件下,花岗岩的破裂角大于变质片麻岩的破裂角。
在P1、D、B、R y、S y确定的条件下,破碎花岗岩时的刀间距B比较理想,破岩为有效破岩,而破碎变质片麻9增 刊T BM破岩机理及刀圈改形技术研究 岩时的刀间距B偏大,破岩为研磨破岩或疲劳破岩。
4 刀圈改形的分析对于特定TBM机型和特定岩石,根据上述滚刀推力与岩石强度之间的关系,可以看出在P1、D、B、R y、S y 确定的条件下,要提高破岩效果,实现有效破岩,可以改变刀圈的外形。
对盘形刀圈,当刀圈边缘半径R=8m m和R=7 m m时,令刀圈磨蚀量为t,贯入度为h,刀圈与岩体接触面水平投影面积为A,当刀圈荷载为250kN这一定值时,由计算可以得到贯入度h与刀圈对岩体的挤压力之间的关系见表1。
表1 贯入度h与刀圈对岩体的挤压力R之间的关系R=8mm R=7mm磨蚀量t/m m贯入度h/mm A/mm2R/M Pa磨蚀量t/mm贯入度h/mm A/mm2R/M Pa0123456252.6487.0703.8900.61076.51230.3990.0513.4355.2277.6232.2203.2123456235.2451.3647.4822.1973.81040.41062.6553.6386.1304.0256.7240.16.6123456658.5950.61187.31398.61593.91779.0397.6263.0210.0210.5178.8156.9140.55.78123456579.2838.51050.71240.51417.51585.7431.6298.0237.9201.5176.4157.710123456701.51011.31261.71483.61688.51882.2356.4247.2198.1168.5148.1132.810123456633.7913.61144.31348.21537.31716.7394.0273.6218.0185.0162.6145.615123456763.71098.61368.21606.01824.82030.8327.4227.6182.7155.7137.0123.115123456696.51003.71252.21472.31675.21867.3358.9249.0199.6169.8149.2133.9 注:刀圈磨蚀度小于6.6mm时,刀圈与岩体接触面水平投影为椭圆;当刀圈磨蚀度大于或等于6.6m m时,刀圈与岩体接触面水平投影为矩形。