摘要：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。

摘要：针对现有盾构刀盘轻量化设计计算成本高、多依赖经验的不足,提出一种基于聚合代理模型的土压平衡盾构刀盘轻量化设计方法。通过熵权TOPSIS综合贡献度分析筛选出对刀盘质量、最大变形和最大应力影响显著的结构参数作为设计变量,采用加权径向基函数模型、Kriging模型和支持向量回归模型的聚合代理模型来拟合设计变量与最大变形和最大应力约束响应间的隐式关系。在上述基础上构建了土压平衡盾构刀盘轻量化设计模型,并以序列二次规划算法进行优化求解。有限元仿真实验结果表明,所提出的轻量化设计方法实现土压平衡盾构刀盘减重7.44%,且能满足刀盘应力和变形要求,轻量化效果良好。

摘要：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。

摘要：针对全断面掘进机刀具布置规律问题,分析了全断面掘进机刀盘的破岩机理,建立了全断面掘进机工作时的刀具受力模型并提出了如何提高刀盘破岩性能的方案.构建了带复杂约束的多变量非线性目标数学模型,并采用智能算法开发了一种针对盾构刀盘上刀具布置规律的优化程序.以EPB6.28型全断面掘进机刀盘为例进行了优化设计,建立了刀盘数字化样机并对其进行了力平衡仿真验证.对两种刀盘在刀具磨损和力平衡性能比较分析,结果表明与原刀盘相比新设计的刀盘具有更加良好的实用性.

摘要：针对土压平衡盾构掘进过程中土体、刀盘及土舱控制等复杂的耦合作用关系,利用经改良的切削渣土的"塑性流变状态",建立了包括土体、刀盘、土舱和螺旋输送机在内的CFD模型,研究了刀盘开口率和埋深等因素对刀盘开挖面土体压力及速度分布规律的影响.建立了土体压力及其速度分布的拟合数学模型,揭示了刀盘拓扑结构特征对掘进过程的重要影响.利用实际工程掘进数据对比验证了CFD模型计算结果的正确性与方法的可行性,可对高效、稳定掘进的刀盘拓扑结构的优化设计提供分析支持.

摘要：提出一种复合地层中刀盘极限冲击载荷计算新方法,对此类不良地质中刀盘的安全设计进行分析并提出改进思路。由于盘形滚刀和切刀在上软下硬地层中受周期性冲击载荷作用,通过对刀具进行受力分析并建立力学模型,得到刀具沿隧道轴线方向受到的交变载荷最大值与刀具贯入度以及硬岩高度的关系。刀具受到的最大载荷传递到刀盘上,通过计算刀盘所受载荷,对比软硬不同地层中刀盘上部和下部载荷的差值,计算并分析刀盘所受沿隧道轴线方向的力和倾覆力矩。计算结果表明,该方法对上软下硬复合地层中刀盘的极限载荷计算和安全分析有较好的效果。

摘要：盾构刀盘开口率是决定刀盘拓扑结构的关键参数,在刀盘的设计中具有重要的作用.为研究盾构刀盘开口率的设计问题,将切削渣土-盾构刀盘作为一体,构建了包括刀盘前部已经切削下来的渣土、刀盘本体、泥土舱和螺旋输送机4部分在内的四联体计算模型,在此基础上,应用流体力学方法模拟了土体-盾构刀盘系统流场静压力和流场速度分布,并与施工数据比较,验证了模型的正确性.应用该模型,研究了不同开口率对刀盘前后压差变化的影响.研究表明:刀盘前后压差随着开口率增大而逐渐减小,在保持掌子面稳定的情况下,螺旋输送机排土速度也随着开口率增大而逐渐减小.对文中所涉及的地质条件,刀盘开口率在30%和50%时,刀盘的支护压力与该地质所对应的地应力较为接近,对掌子面支护比较有利.

摘要：根据土压平衡式盾构机辐条式刀盘的工作原理,基于经典结构力学原理,采用逆向思维逻辑,研究提出刀盘结构强度验算的逆向直接法。该方法将盾构机系统施加于刀盘结构上的推力和扭矩的作用点视为刀盘结构的支承点,将掌子面上岩土抵抗刀盘推进和旋削的反作用力视为施加于刀盘结构的外载荷;在此基础上,将刀盘的格栅梁结构整体模型等效地离散化为具有不同约束条件的若干种梁系结构计算模型,以此作为验算刀盘结构的抗推力和抗扭矩强度的计算模型;采用经典结构力学的方法求解模型,完成刀盘结构强度验算。该方法在我国最大直径的土压平衡式盾构机的设计、制造和使用的实践中经受了考验,证明了该方法的实用性、先进性和创造性。

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：全断面岩石掘进机(TBM)刀盘支撑筋兼具溜碴与支撑的作用,设计了一种L形的刀盘支撑筋结构,建立了基于出碴性能的刀盘支撑筋结构理论计算模型。该模型根据具体复杂围岩边界条件和掘进控制参数来确定刀盘支撑筋的主要结构参数。以某型号TBM刀盘溜碴板处支撑筋设计问题为例,将改进的刀盘模型与传统刀盘结构进行对比,分析了刀盘的静、动态特性。结果表明:改进后的刀盘结构可以有效地降低刀盘盘面最大应力、变形和振动,改善振动特性,其中刀盘盘面总变形减小了3.23%,应力降低了3.5%,刀盘整体振动减小了12.35%。