土岩转换地层盾构隧道滚刀磨损机理及预测模型研究
发布时间：2022-01-16 12:24
本研究针对上软下硬、软硬交替等复杂地层中（本文中简称为土岩转换地层）盾构刀具易于磨损的问题,特别是盾构掘进时滚刀磨损问题,致力于探索如下几个方面的滚刀磨损相关科学与工程问题:1)滚刀磨损破坏的特点、影响因素以及分类问题;2)滚刀正面连续磨损预测问题;3)滚刀侧向连续磨损过程中摩擦能与磨损质量的转化关系问题;4)滚刀刀圈侧向受力情况与侧向力预测问题。研究中采用理论分析、数值模拟、现场数据验证等方法对上述问题展开了深入的研究。基于研究成果,提出了土岩转换地层滚刀磨损新分类方法;提出了基于摩擦能计算的滚刀正面连续磨损预测模型;提出了基于质能转换的滚刀侧向连续磨损质量预测模型;提出了适应于滚刀侧向脆性破坏分析的刀圈侧向力计算方法。具体的创新成果如下:（1）分析了各类磨损的发生机理并提出了滚刀磨损新分类方法。分析不同类型滚刀磨损的出现位置与破坏特点,建立了由刀圈、刀轴以及岩样组成的颗粒模型,并对滚刀切割磨损过程进行模拟分析。模拟结果表明:（1）正面连续磨损是由刀圈与岩样间的滑动摩擦和滚动摩擦引起的、发生在刀圈正面的刀圈材料连续剥落现象;（2）正面脆性磨损是由刀圈与岩样间冲击荷载引起的、发生在刀圈...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：227 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
盾构刀盘滚刀布置图
上海交通大学博士学位论文第2章土岩转换地层滚刀磨损研究现状综述12图2-2均匀分布于刀圈正面的滚刀磨损现象Fig.2-2Phenomenonofwearuniformlyoccurringonnormalsideofcutterring容易引起滚刀均磨的硬岩地层较多的是在东南、华南沿海以及西北秦岭等地。下穿秦岭隧道由于隧道埋深较大，开挖面多为级或级围岩，单轴饱和抗压强度可达100MPa以上。赵战欣[42]对兰渝线西秦岭特长隧道打下坡段盾构施工过程中的滚刀磨损进行了统计，如表2-1所示。其中，总的换刀数平均值为33.1把，产生均磨的滚刀平均数为22.5把，占滚刀磨损总数接近70%。表2-1西秦岭特长隧道平均滚刀磨损统计Tab.2-1StatisticsofaveragecutterwearinXiqinlintunnel滚刀位置编号均磨(把)非正常磨损刀圈断裂(把)偏磨(把)1-420.700.443-571.80.10.558-68200.88.8国外记录均磨较多的盾构工程多为在硬岩地层施工的输水隧洞，常见于挪威、新加坡、伊朗等国。Macias[49]研究了位于挪威的一处输水隧洞盾构施工项目。盾构开挖面地层以花岗石、石英岩以及大理石岩为主，强度最高可达264MPa，且石英含量最高可达61%。在长达7.0km的盾构掘进过程中，滚刀磨损数据统计如图2-3所示。因磨损而更换的滚刀总数达1068把，其中均磨为575把，占滚刀磨损总数的54%。
上海交通大学博士学位论文第2章土岩转换地层滚刀磨损研究现状综述13051015202530354045020406080100滚刀换刀数(把)滚刀编号所有磨损均磨图2-3挪威输水隧洞盾构滚刀均磨数据统计[49]Fig.2-3StatisticsofdisccutterwearinNorwaywaterconveyortunnel[49]2.2.2偏磨偏磨与均磨最大的区别在于偏磨的磨损仅发生在刀圈的局部位置，而非沿刀圈外边缘均匀分布，如图2-4所示。偏磨多出现在开挖面强度较低的松散地层。尽管盾构刀盘在设计刀具布局时通常不考虑布置滚刀，但随着盾构掘进距离的增加，盾构掘进地层难以保持均匀不变，导致盾构施工过程中可能会先后遇到松散地层和硬岩地层。为提高盾构机的地层适应性，现代盾构刀盘在设计时多采用滚刀与切刀同时布置的复合刀盘形式[50,51]。但由于松散地层强度较低，开挖面与滚刀间的接触摩擦无法提供足够的转动力驱使滚刀进行绕轴自转，导致磨损容易出现在刀圈的特定部位，并最终形成局部的滚刀磨损现象。图2-4集中于局部刀圈的滚刀磨损现象Fig.2-4Phenomenonofwearoccurringonlocalregionofcutterring
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于遗传规划的复杂地层中盾构滚刀磨损寿命预测[J]. 乔金丽,孟秋杰,刘建琴,金建星. 工矿自动化. 2018(09)
[2]厦门轨道交通3号线跨海段盾构滚刀磨损预测[J]. 杨育. 隧道建设(中英文). 2018(S1)
[3]TBM滚刀破岩的广义粒子动力学数值模拟[J]. 翟淑芳,周小平,毕靖. 岩土力学. 2018(07)
[4]基于复合磨蚀试验台的滚刀磨损试验研究[J]. 王凯,陈馈,孙振川,杨延栋,赵海雷,李星. 隧道建设(中英文). 2018(01)
[5]关于复合地层中盾构机刀具磨损的优化研究[J]. 张伟森. 铁道建筑技术. 2018(01)
[6]粗粒径砂卵石地层中泥水平衡盾构下穿黄河掘进参数控制研究[J]. 李承辉,贺少辉,刘夏冰. 土木工程学报. 2017(S2)
[7]TBM滚刀破岩试验台设计与分析[J]. 王贺,吴玉厚,孙健,孙红,安冬,赵凯军. 沈阳建筑大学学报(自然科学版). 2017(04)
[8]复合地层下盾构掘进速度模型的建立与优化[J]. 李杰,付柯,郭京波,张增强,徐明新. 现代隧道技术. 2017(03)
[9]TBM盘形滚刀破岩最优贯入度的数值模拟[J]. 程永亮. 中南大学学报(自然科学版). 2017(04)
[10]全断面岩石隧道掘进机滚刀磨损影响因素分析[J]. 杨延栋,陈馈,郭璐,李星. 隧道建设. 2016(11)
博士论文
[1]广州地铁隐伏型岩溶地基稳定性分析及充填处理技术研究[D]. 雷金山.中南大学 2014
[2]TBM盘形滚刀破碎岩石机理及影响破岩力因素的研究[D]. 王召迁.东北大学 2014
[3]西安地铁盾构施工安全风险评估及施工灾害防控技术[D]. 曹振.西安科技大学 2013
[4]城市高密度地区地下空间开发策略研究[D]. 万汉斌.天津大学 2013
[5]基于钛合金高速铣削刀具失效演变的硬质合金涂层刀具设计与制造[D]. 李安海.山东大学 2013
[6]全断面岩石掘进机刀具磨损状态的分析与识别[D]. 王立辉.天津大学 2012
[7]复合地层中盾构机滚刀破岩力学分析[D]. 吴起星.暨南大学 2011
[8]全断面岩石掘进机盘形滚刀寿命管理理论及技术研究[D]. 张照煌.华北电力大学（北京） 2008
[9]盾构施工参数的地层适应性模型试验及其理论研究[D]. 徐前卫.同济大学 2006
硕士论文
[1]TBM盘形滚刀刀圈材料热处理工艺研究[D]. 陈欢.郑州大学 2017
[2]基于颗粒流模型的TBM滚刀破岩过程细观特征规律研究[D]. 李涛.西南交通大学 2017
[3]TBM盘形滚刀热处理工艺的数值模拟与刀圈材料性能研究[D]. 江志强.郑州大学 2016
[4]盾构滚刀磨损无线监测系统[D]. 赵晓云.河南科技大学 2014
[5]高韧性TBM滚刀刀圈材料及工艺的开发与应用[D]. 张占杰.太原科技大学 2013
[6]复杂地层盾构刀具磨损控制技术研究[D]. 彭钧.北京交通大学 2013
[7]基于颗粒流离散元的尾矿库坝体稳定性分析[D]. 陈宜楷.中南大学 2012
[8]基于接触力学的盘形滚刀磨损量估算方法[D]. 李丰华.天津大学 2012
[9]盾构机盘形滚刀及切刀磨损预测模型研究[D]. 王凯.中南大学 2011
[10]城市地下空间分层开发模式研究[D]. 李春.同济大学 2007
本文编号：3592652
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：227 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
盾构刀盘滚刀布置图
上海交通大学博士学位论文第2章土岩转换地层滚刀磨损研究现状综述12图2-2均匀分布于刀圈正面的滚刀磨损现象Fig.2-2Phenomenonofwearuniformlyoccurringonnormalsideofcutterring容易引起滚刀均磨的硬岩地层较多的是在东南、华南沿海以及西北秦岭等地。下穿秦岭隧道由于隧道埋深较大，开挖面多为级或级围岩，单轴饱和抗压强度可达100MPa以上。赵战欣[42]对兰渝线西秦岭特长隧道打下坡段盾构施工过程中的滚刀磨损进行了统计，如表2-1所示。其中，总的换刀数平均值为33.1把，产生均磨的滚刀平均数为22.5把，占滚刀磨损总数接近70%。表2-1西秦岭特长隧道平均滚刀磨损统计Tab.2-1StatisticsofaveragecutterwearinXiqinlintunnel滚刀位置编号均磨(把)非正常磨损刀圈断裂(把)偏磨(把)1-420.700.443-571.80.10.558-68200.88.8国外记录均磨较多的盾构工程多为在硬岩地层施工的输水隧洞，常见于挪威、新加坡、伊朗等国。Macias[49]研究了位于挪威的一处输水隧洞盾构施工项目。盾构开挖面地层以花岗石、石英岩以及大理石岩为主，强度最高可达264MPa，且石英含量最高可达61%。在长达7.0km的盾构掘进过程中，滚刀磨损数据统计如图2-3所示。因磨损而更换的滚刀总数达1068把，其中均磨为575把，占滚刀磨损总数的54%。
上海交通大学博士学位论文第2章土岩转换地层滚刀磨损研究现状综述13051015202530354045020406080100滚刀换刀数(把)滚刀编号所有磨损均磨图2-3挪威输水隧洞盾构滚刀均磨数据统计[49]Fig.2-3StatisticsofdisccutterwearinNorwaywaterconveyortunnel[49]2.2.2偏磨偏磨与均磨最大的区别在于偏磨的磨损仅发生在刀圈的局部位置，而非沿刀圈外边缘均匀分布，如图2-4所示。偏磨多出现在开挖面强度较低的松散地层。尽管盾构刀盘在设计刀具布局时通常不考虑布置滚刀，但随着盾构掘进距离的增加，盾构掘进地层难以保持均匀不变，导致盾构施工过程中可能会先后遇到松散地层和硬岩地层。为提高盾构机的地层适应性，现代盾构刀盘在设计时多采用滚刀与切刀同时布置的复合刀盘形式[50,51]。但由于松散地层强度较低，开挖面与滚刀间的接触摩擦无法提供足够的转动力驱使滚刀进行绕轴自转，导致磨损容易出现在刀圈的特定部位，并最终形成局部的滚刀磨损现象。图2-4集中于局部刀圈的滚刀磨损现象Fig.2-4Phenomenonofwearoccurringonlocalregionofcutterring
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于遗传规划的复杂地层中盾构滚刀磨损寿命预测[J]. 乔金丽,孟秋杰,刘建琴,金建星. 工矿自动化. 2018(09)
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[9]TBM盘形滚刀破岩最优贯入度的数值模拟[J]. 程永亮. 中南大学学报(自然科学版). 2017(04)
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博士论文
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[4]城市高密度地区地下空间开发策略研究[D]. 万汉斌.天津大学 2013
[5]基于钛合金高速铣削刀具失效演变的硬质合金涂层刀具设计与制造[D]. 李安海.山东大学 2013
[6]全断面岩石掘进机刀具磨损状态的分析与识别[D]. 王立辉.天津大学 2012
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[8]全断面岩石掘进机盘形滚刀寿命管理理论及技术研究[D]. 张照煌.华北电力大学（北京） 2008
[9]盾构施工参数的地层适应性模型试验及其理论研究[D]. 徐前卫.同济大学 2006
硕士论文
[1]TBM盘形滚刀刀圈材料热处理工艺研究[D]. 陈欢.郑州大学 2017
[2]基于颗粒流模型的TBM滚刀破岩过程细观特征规律研究[D]. 李涛.西南交通大学 2017
[3]TBM盘形滚刀热处理工艺的数值模拟与刀圈材料性能研究[D]. 江志强.郑州大学 2016
[4]盾构滚刀磨损无线监测系统[D]. 赵晓云.河南科技大学 2014
[5]高韧性TBM滚刀刀圈材料及工艺的开发与应用[D]. 张占杰.太原科技大学 2013
[6]复杂地层盾构刀具磨损控制技术研究[D]. 彭钧.北京交通大学 2013
[7]基于颗粒流离散元的尾矿库坝体稳定性分析[D]. 陈宜楷.中南大学 2012
[8]基于接触力学的盘形滚刀磨损量估算方法[D]. 李丰华.天津大学 2012
[9]盾构机盘形滚刀及切刀磨损预测模型研究[D]. 王凯.中南大学 2011
[10]城市地下空间分层开发模式研究[D]. 李春.同济大学 2007
本文编号：3592652
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