摘要：为提高盘形滚刀破岩性能与使用寿命,基于滚刀刀圈结构设计要求与原则,提出一种滚刀刀圈结构地质适应性设计方法。以滚刀破岩能力、破岩能耗、轴承受载以及磨损性能为优化目标,建立滚刀刀圈结构多目标优化设计模型。采用模糊层次分析法计算不同地质条件下目标函数权重值,并通过遗传算法对模型进行求解。将滚刀刀圈结构地质适应性设计方法应用于某供水工程TBM项目滚刀优化设计,结果表明:不同地质条件下刀圈结构参数设计需要具有针对性,滚刀刀圈优化设计方法通过专家评判合理设置优化目标权重系数可实现刀圈结构地质适应性设计与选型,有效提高了滚刀破岩性能与使用寿命。

摘要：为了研究刀盘出碴槽结构参数对全断面岩石掘进机(TBM)出碴特性的影响规律,本文以某供水隧道工程为背景,考虑掘进过程中岩碴产生、下落以及与滚刀碰撞等因素,建立TBM刀盘(含滚刀)出碴过程数值计算模型,探究出碴槽长宽比、开口角度对刀盘出碴性能的影响规律。仿真结果表明:排碴过程中,岩碴颗粒数量的增长速率先快后慢,最后趋于平稳;TBM刀盘开口面积一定时,随着出碴槽长宽比增大,排碴量加速下降43%;随着出碴槽开口角度的增大,排碴量呈现先增大后减小趋势;当开口角度为35°时,出碴效率最高。设计出碴槽时,在控制开口宽度尽量大的前提下,开口角度优化范围为20°~35°。设计的针对该供水工程的TBM刀盘开口,经过两年多的工程掘进,效果良好。

摘要：Geological adaptability matching design of a disc cutter is the prerequisite of cutter head design for tunnel boring machines(TBMs)and plays an important role in improving the tunneling efficiency of *** main purpose of the cutter matching design is to evaluate the cutter performance and select the appropriate cutter *** this paper,a novel evaluation method based on multicriteria decision making(MCDM)techniques was developed to help TBM designers in the process of determining the cutter *** analytic hierarchy process(AHP)and matter element analysis were applied to obtaining the weights of the cutter evaluation criteria,and the fuzzy comprehensive evaluation and technique for order performance by similarity to ideal solution(TOPSIS)approaches were employed to determine the ranking of the cutters.A case application was offered to illustrate and validate the proposed *** results of the project case demonstrate that this method is reasonable and feasible for disc cutter size selection in cutter head design.

摘要：综合考虑刀盘重力、刀具位置和倾角以及刀盘旋转角度因子,建立单把滚刀受载产生的力矩模型;基于单、双螺旋线刀具布置特征,建立不同刀具布置形式下的刀盘倾覆力矩模型,为刀具优化布置提供理论依据;分析3个直径为8 m级刀盘的刀具布置规律,计算中心滚刀、正滚刀、边滚刀这3个布刀区域的倾覆力矩,对比3个刀区倾覆力矩产生差异的原因。研究结果表明:对称双螺旋线起始位置相差角度对滚刀布置引起的倾覆力矩有影响;调整8把边滚刀的安装角度,刀具布置引起的倾覆力矩相应减少0.64 MN∙m,总倾覆力矩减少21.4%,验证了TBM滚刀布置方法的正确性。

摘要：The layout of the buckets for tunnel boring machine(TBM)directly affects the muck removal efficiency of cutterhead during *** order to improve the muck removal performance for TBM,the optimal design of bucket layout was *** whole muck transfer process was simulated by discrete-element method(DEM),including the muck falling,colliding,pilling up,shoveling and transferring into the *** muck model was established based on size distribution analysis of muck samples from the water-supply tunnel project in Jilin Province,***,the influence of the bucket number and the interval angle between buckets on muck removal performance was *** results indicated that,as the number of buckets increased from four to eight,the removed muck increased by 29%and the residual volume decreased by 40.5%,and the process became *** interval angles between buckets were corresponding to different removed muck irregularly,but the residual muck number increased generally with the *** optimal layout of buckets for the cutterhead in this tunnel project was obtained based on the simulation results,and the muck removal performance of the TBM was verified by the actual data in the engineering construction.

摘要：为了提高TBM刀具在不同地质工况下的适应能力以及破岩效率,针对岩土介质在刀具载荷作用下呈现的复杂应力场,考虑岩土介质的裂隙、节理及围压的耦合作用,基于离散元法,依次建立了单一特定地层下单刀切割含倾斜节理岩石、双刀切割节理不发育岩石以及含水平节理岩石的2D离散单元模型,观察到岩石在不同围压、节理参数、刀间距和切割顺序下微裂纹的演化过程,并根据裂纹扩展方向和破碎块的形成规则的不同,归纳出TBM刀具切割岩土时12种不同典型破碎形式,最终获得了破碎模式与具体工况的对应关系。通过分析比较可知,大部分破碎形态与文献试验观察到的宏观破碎现象具有良好的一致性。

摘要：根据目前常见复合式土压平衡盾构的结构特性,以刀盘开口特征为依据,对复合式土压平衡盾构进行分类并归纳出2种类型滚刀布置区域,建立其约束模型。通过分析盾构掘进时滚刀的受力情况,提出滚刀布置基本原则,在此基础上建立以滚刀极径与极角为设计变量的非线性多目标滚刀布置优化模型,分析模型的目标函数与约束条件,给出模型求解策略,并采用遗传算法求解得到滚刀布置参数。应用该优化设计方法对深圳地铁某施工标段所用盾构滚刀进行布置优化。研究结果表明:优化后刀盘的径向不平衡力下降10.1%,倾覆力矩下降9.4%,破岩量方差下降15.9%,表明所建立的数学模型及所使用的优化算法是正确、可行的。

摘要：为研究全断面岩石掘进机(TBM)边缘滚刀布置规律,文章根据刀盘实际破岩情况和刀盘设计技术要求,提出了边缘滚刀布置的基本原则,确定了边缘滚刀布置的优化目标和约束条件,建立了TBM边缘滚刀多目标优化布置数学模型,分析其目标函数及约束条件函数,并利用遗传算法进行求解。文章以伊朗NASOUND隧道某施工标段所用刀盘边缘滚刀布置为例,对所建立的模型和所采用的优化算法进行验证,并与原TBM边缘滚刀布置方案进行了对比分析。结果表明:优化后的刀盘径向不平衡力下降19.4%,倾覆力矩下降20.6%;刀盘布置优化后强度和刚度有所改良,刀盘最大应力减小了36.6%,最大变形量减小了30.3%。工程实例验证了优化布置数学模型的正确性和可行性,研究内容与方法可为TBM刀盘设计和改进提供理论基础。

摘要：为了研究节理岩石的破碎模式,文章建立了TBM刀具侵入节理岩石的2D离散单元模型,设计出两组0~15 MPa围压下切削仿真试验,其中一组用于双刀切割水平节理岩石,节理间距js取80 mm,100 mm,150 mm和200mm;另一组用于单刀切割倾斜节理岩石,节理倾角α为15°,30°,45°和60°。仿真结果表明,由于围压及节理对裂纹扩展的明显控制作用,切削过程中共观察到8种典型破碎模式。通过对破碎临界应力、标准切入率及裂纹扩展能力等指标进行定量分析发现,TBM刀具在有围压下的破岩效率较无围压的低,且随着节理间距的增加,破岩效率先增加后减少,而破岩效率随节理倾角的增加总体趋于增加。当节理间距为150 mm及节理角度为45°~60°时,切削效率相对较高。仿真获得的大部分破碎模式与文献试验观察到的宏观破碎现象具有良好的一致性。

摘要：破岩效率是衡量滚刀破岩性能的关键指标。文章基于离散单元法建立边缘滚刀破岩仿真模型,采用多因素正交设计法进行了边缘滚刀破岩过程试验,以破岩效率为边缘滚刀破岩性能的评价指标,研究了刀刃角、刀刃宽、安装倾角与刀盘过渡圆弧半径对滚刀破岩效率的影响规律,并针对大理岩和混凝土两种不同切削对象分析了各因素单独作用对边缘滚刀破岩效率的影响规律。试验结果表明:倾角对边缘滚刀破岩效率的影响十分显著,圆弧半径和刀刃角的影响次之,刀刃宽的影响最小;各因素对不同岩石的破岩效率影响规律不同,安装倾角和刀盘过渡圆弧半径对大理岩和混凝土的破岩效率影响相同,而刀刃角和刀刃宽对两者的影响则相反。最后,通过实验发现安装倾角为4°时的破岩效率约为8°时的1.8倍,验证了安装倾角对边缘滚刀破岩效率影响很大的规律。