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TBM滚刀破岩效果及新型刀具的应用研究

刘颖超 刘波 江玉生 江华 李烃

刘颖超, 刘波, 江玉生, 江华, 李烃. TBM滚刀破岩效果及新型刀具的应用研究[J]. 矿业科学学报, 2023, 8(3): 357-369. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.009
引用本文: 刘颖超, 刘波, 江玉生, 江华, 李烃. TBM滚刀破岩效果及新型刀具的应用研究[J]. 矿业科学学报, 2023, 8(3): 357-369. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.009
Liu Yingchao, Liu Bo, Jiang Yusheng, Jiang Hua, Li Ting. Research on rock-breaking effect of TBM hob and application of new type cutter[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2023, 8(3): 357-369. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.009
Citation: Liu Yingchao, Liu Bo, Jiang Yusheng, Jiang Hua, Li Ting. Research on rock-breaking effect of TBM hob and application of new type cutter[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2023, 8(3): 357-369. doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.009

TBM滚刀破岩效果及新型刀具的应用研究

doi: 10.19606/j.cnki.jmst.2023.03.009
基金项目: 

国家自然科学基金 42172319

“十三五”国家重点研发计划 2016YFC080250504

详细信息
    作者简介:

    刘颖超(1988—),女,山东蓬莱人,博士,主要从事城市地下工程及土木工程等方面的科研及相关图书出版工作。E-mail: liuyingchao111@163.com

    通讯作者:

    刘波(1970—),男,湖南湘潭人,教授,主要从事矿山建设及城市地下工程等方面的教学与科研工作。E-mail: liub@cumtb.edu.cn

  • 中图分类号: TU455

Research on rock-breaking effect of TBM hob and application of new type cutter

  • 摘要: TBM滚刀磨损是影响TBM掘进效率和施工成本的重要因素,不同刀刃刃形的破岩效率和磨损均会有所不同。本文对楔形弧刃滚刀的破岩机理进行了分析,建立了滚刀法向切削力计算模型,分析了滚刀刀刃角对法向切削力的影响;继而设计了3种不同刀间距、3种不同刃形滚刀,并进行了室内滚刀破岩试验。试验结果表明:刀间距15 mm为合理刀间距;尖刃滚刀最易磨损,齿刃比弧刃滚刀破岩效果好,破岩效率相对较高且耐磨损。结合工程现场实际情况,研发了一种新型齿刃楔形刀具,并应用到工程现场TBM斜井掘进。应用情况表明:新型齿刃楔形刀具比两种常规刀具的磨损量减少20 %,刀具寿命有所提高。新型齿刃楔形刀具的研发和成功应用,解决了斜井TBM掘进刀具的较大磨损和频繁更换问题,为TBM长距离斜井掘进提供了技术支持,缩短了掘进工期,节约了施工成本。
  • 图  1  楔形弧刃滚刀破岩形式[23]

    F1—滚刀刃端挤压岩石产生的作用力;F2F3—刀刃两侧面在推进过程中对两侧岩石的作用力

    Figure  1.  Rock failure by arc blade wedged hob

    图  2  滚刀对岩石剪切破坏块受力分析

    OA—滚刀与岩石的接触面;OB—剪切破坏面;AB—岩石表面;θ—滚刀刀刃角的1/2;α—滚刀与岩石的摩擦角;ψ—剪切作用下破坏面与水平面的夹角,其值与岩石的破碎角有关

    Figure  2.  Force analysis of the shear failure block by hob

    图  3  挤压剪切破碎分界点

    Figure  3.  Critical point between extrusion and shear failure

    图  4  楔形弧刃滚刀侧向力分解

    Figure  4.  Lateral force decomposition of arc blade wedged hob

    图  5  楔形弧刃滚刀受力分析

    Figure  5.  Force analysis of arc blade wedged hob

    图  6  滚刀楔形弧刃端与剪切破碎块接触面积法向方向投影

    Figure  6.  Vertical direction projection on the area of arc blade wedged hob contacting with shear failure block

    图  7  法向切削力对比

    Figure  7.  Comparison of normal cutting force

    图  8  不同刀刃刃形对岩石的破碎情况

    Figure  8.  Rock fragmentation by different blade configurations

    图  9  不同刀刃形的滚刀

    Figure  9.  Hob with different cutting edges

    图  10  试验试样

    Figure  10.  Test sample

    图  11  刀间距10 mm、15 mm、20 mm完成一次破岩工作面

    Figure  11.  Rock breaking face in hob spacing 10 mm, 15 mm, 20 mm

    图  12  不同刃形滚刀破岩效果

    Figure  12.  Rock breaking of different cutting edge hob

    图  13  不同刀刃形岩石破碎区线激光3D扫描图

    Figure  13.  Laser scanning map of rock fragmentation zone in different cutting edges

    图  14  不同刀刃破岩体积实测值

    Figure  14.  Different blade rock breaking volume values

    图  15  不同刀刃滚刀磨损3D扫描图

    Figure  15.  3D scanning of different hob wear

    图  16  不同刀刃破碎块

    Figure  16.  Average crushing block of different blad

    图  17  不同刀刃刃形刀盘法向推力

    Figure  17.  Normal thrust of different cutting blade

    图  18  3类刀具在刀盘上的布置

    Figure  18.  Layout of three kinds of cutters on the cutterhead

    图  19  刀刃结构图

    Figure  19.  Blade structure

    图  20  正面刀累计磨损量图

    Figure  20.  Frontal hob cumulative wear graph

    表  1  现场某区间段岩石力学参数

    Table  1.   Mechanical parameters of in-situ rock

    密度/(kg·m-3) 抗压强度/MPa 抗拉强度/MPa 弹性模量/GPa 黏聚力/MPa 泊松比 内摩擦角φb/(°)
    2 550 20 1.4 18 5.8 0.22 37
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    表  2  不同刀刃线激光3D扫描测量岩石破碎区相关参数

    Table  2.   Parameters of rock crushing area measured by laser scanning with different cutting edges

    刀刃形 破碎位置 1/4区域 2/4区域 3/4区域 4/4区域 3D扫描计算值
    尖刃 贯入深度/mm 6.02 6.05 5.98 5.97 6.01
    破碎面积/mm2 28 083.28 28 206.29 26 614.73 26 353.80 109 258.11
    破碎体积/mm3 138 384.64 114 038.53 79 671.64 66 359.87 398 454.69
    齿刃 贯入深度/mm 7.96 8.08 8.06 7.95 8.01
    破碎面积/mm2 26 515.11 27 261.89 28 936.07 22 296.18 105 009.24
    破碎体积/mm3 90 842.75 148 923.72 136 914.77 60 500.62 437 181.84
    弧刃 贯入深度/mm 8.02 7.99 8.06 8.03 8.03
    破碎面积/mm2 26 512.64 26 490.84 26 268.14 25 578.76 104 850.39
    破碎体积/mm3 99 613.48 77 646.25 102 378.37 98 282.80 377 920.89
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    表  3  不同刀刃形破岩比能耗

    Table  3.   Rock breaking energy consumption of different blade types

    刀刃形 贯入度/mm 刀盘平均法向力/kN 刀盘平均切向力/kN 破岩体积/cm3 比能耗/(MJ·m-3)
    尖刃 6 4.2 1.37 398.46 68.69
    弧刃 8 7.41 2.78 377.92 121.00
    齿刃 8 6.69 2.51 437.18 94.43
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    表  4  3类刀具主要参数

    Table  4.   Main parameters of three kinds of cutters

    刀具类别 直径/mm 刀刃宽度/mm 屈服强度/MPa 刀具编号(正面刀)
    A刀 457 30 1 815 14,19,22,23,28,29,34,35
    B刀 432 19 1 494 15,18,20,25,26,31,32,37
    C刀 432 19 1 494 13,16,17,21,24,27,30,33,36
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    表  5  区间单位滚动路径磨损值

    Table  5.   Wear value per unit cutting distance

    A刀 B刀 C刀
    编号 磨损量/mm 刀具位置 单位磨损值/(mm·m-1) 编号 磨损量/mm 刀具位置 单位磨损值/(mm·m-1) 编号 磨损量/mm 刀具位置 单位磨损值/(mm·m-1)
    14号 74 1 240 6.0 15号 102 1 330 7.7 13号 96 1 150 8.3
    19号 91 1 690 5.4 18号 120 1 600 7.5 16号 116 1 420 8.2
    22号 117 1 960 6.0 20号 134 1 780 7.5 17号 118 1 510 7.8
    23号 112 2 050 5.5 25号 139 2 230 6.2 21号 144 1 870 7.7
    28号 115 2 500 4.6 26号 141 2 320 6.1 24号 147 2 140 6.9
    29号 116 2 590 4.5 31号 160 2 770 5.8 27号 147 2 410 6.1
    34号 131 3 040 4.3 32号 161 2 860 5.6 30号 155 2 680 5.8
    35号 123 3 130 3.9 37号 180 3 300 5.5 33号 168 2 950 5.7
    36号 170 3 220 5.3
    平均 109.9 5.0 平均 142.1 6.5 平均 140.1 6.9
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  • [1] Hansen A. Boreability testing, in Norwegian TBM tunnelling, chapter 2[M]. Trondheim: Norwegian Tunnelling Society, 1998: 21-26.
    [2] 王旭, 赵羽, 张宝刚, 等. TBM滚刀刀圈磨损机理研究[J]. 现代隧道技术, 2010, 47(5): 15-19. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XDSD201005004.htm

    Wang Xu, Zhao Yu, Zhang Baogang, et al. Research on the ring wear mechanism of TBM disc cutter[J]. Modern Tunnelling Technology, 2010, 47(5): 15-19. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XDSD201005004.htm
    [3] 张照煌, 李福田. 全断面隧道掘进机施工技术[M]. 北京: 中国水利水电出版社, 2006.
    [4] 王旭, 李晓, 廖秋林. 岩石可掘进性研究的试验方法述评[J]. 地下空间与工程学报, 2009, 5(1): 67-73. doi: 10.3969/j.issn.1673-0836.2009.01.013

    Wang Xu, Li Xiao, Liao Qiulin. A review of rock boreability testing for TBM tunnelling[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2009, 5(1): 67-73. doi: 10.3969/j.issn.1673-0836.2009.01.013
    [5] 祝和意, 杨延栋, 陈馈. 盾构滚刀破岩力及磨损速率预测模型推导[J]. 现代隧道技术, 2016, 53(5): 131-136, 144. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XDSD201605019.htm

    Zhu Heyi, Yang Yandong, Chen Kui. Breaking force derivation and wear rate forecast of shield disc cutters[J]. Modern Tunnelling Technology, 2016, 53(5): 131-136, 144. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XDSD201605019.htm
    [6] 张厚美. TBM盘形滚刀磨损与滚刀滑动距离关系研究[J]. 隧道建设, 2017, 37(3): 369-374. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSSD201703021.htm

    Zhang Houmei. Research on relationship between TBM disc cutter abrasion and disc cutter slipping distance[J]. Tunnel Construction, 2017, 37(3): 369-374. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSSD201703021.htm
    [7] 杜志国, 巩亚东. 基于破岩弧长的全断面掘进机滚刀磨损的研究[J]. 建筑机械, 2012(9): 73-76. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JZJX201209044.htm

    Du Zhiguo, Gong Yadong. Research on the wear of TBM disc cutters based on the arc of the rock breakage[J]. Construction Machinery, 2012(9): 73-76. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JZJX201209044.htm
    [8] 张照煌. 全断面岩石掘进机平面刀盘上盘形滚刀磨损研究[J]. 现代隧道技术, 2007, 44(6): 32-36. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XDSD200706006.htm

    Zhang Zhaohuang. Study on the abrasion of disc cutters on full face rock tunnel boring machine[J]. Modern Tunnelling Technology, 2007, 44(6): 32-36. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XDSD200706006.htm
    [9] 刘海龙, 曲传咏, 秦庆华. TBM滚刀刀圈与岩石的滑动磨损实验研究[J]. 实验力学, 2015, 30(3): 289-298. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYLX201503005.htm

    Liu Hailong, Qu Chuanyong, Qin Qinghua. Experimental investigation on skimming wear mechanism between TBM cutter ring and rock[J]. Journal of Experimental Mechanics, 2015, 30(3): 289-298. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SYLX201503005.htm
    [10] 王贺, 吴玉厚, 孙健, 等. 双滚刀岩石综合试验台分析与破岩试验研究[J]. 机械设计与制造, 2017(1): 182-185. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSYZ201701049.htm

    Wang He, Wu Yuhou, Sun Jian, et al. Analysis and experimental research on rock breaking test bed with double disc cutters[J]. Machinery Design & Manufacture, 2017(1): 182-185. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSYZ201701049.htm
    [11] 龚秋明, 董贵良, 殷丽君, 等. 线性和旋转切割方式滚刀破岩试验对比研究[J]. 施工技术, 2017, 46(11): 61-66. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SGJS201711015.htm

    Gong Qiuming, Dong Guiliang, Yin Lijun, et al. Comparison study on the rock linear and rotating cutting test by TBM cutter[J]. Construction Technology, 2017, 46(11): 61-66. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SGJS201711015.htm
    [12] Chang S H, Choi S W, Bae G J, et al. Performance prediction of TBM disc cutting on granitic rock by the linear cutting test[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2006, 21(3/4): 271.
    [13] Wang H, Wu Y H, Sun H, et al. Analysis of rock comprehensive test bed with double disc cutters[J]. Advanced Science Letters, 2011, 4(8): 2747-2751.
    [14] Liu B, Li T, Han Y H, et al. DEM-continuum mechanics coupling simulation of cutting reinforced concrete pile by shield machine[J]. Computers and Geotechnics, 2022, 152: 105036.
    [15] 苏利军, 孙金山, 卢文波. 基于颗粒流模型的TBM滚刀破岩过程数值模拟研究[J]. 岩土力学, 2009, 30(9): 2823-2829. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX200909050.htm

    Su Lijun, Sun Jinshan, Lu Wenbo. Research on numerical simulation of rock fragmentation by TBM cutters using particle flow method[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(9): 2823-2829. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX200909050.htm
    [16] 谭青, 李建芳, 夏毅敏, 等. 盘形滚刀破岩过程的数值研究[J]. 岩土力学, 2013, 34(9): 2707-2714. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201309044.htm

    Tan Qing, Li Jianfang, Xia Yimin, et al. Numerical research on rock fragmentation process by disc cutter[J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34(9): 2707-2714. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YTLX201309044.htm
    [17] Liu B, Li T, Chang W, et al. Mechanical response of horseshoe-shaped tunnel lining to undercrossing construction of a new subway station[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2022, 128: 104652.
    [18] Li T, Zhang Z Y, Jia C T, et al. Investigating the cutting force of disc cutter in multi-cutter rotary cutting of sandstone: Simulations and experiments[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2022, 152: 105069.
    [19] 刘高峰, 宋天田. 成都地铁盾构刀具磨损分析研究[J]. 隧道建设, 2007, 27(6): 89-93. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSSD200706026.htm

    Liu Gaofeng, Song Tiantian. Analysis and study on wearing of cutting tools of shield machines used in Chengdu metro construction[J]. Tunnel Construction, 2007, 27(6): 89-93. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSSD200706026.htm
    [20] Liu B, Yu Z W, Zhang R H, et al. Effects of undercrossing tunneling on existing shield tunnels[J]. International Journal of Geomechanics, 2021, 21(8): 04021131.
    [21] 杨延栋, 陈馈, 郭璐, 等. 全断面岩石隧道掘进机滚刀磨损影响因素分析[J]. 隧道建设, 2016, 36(11): 1394-1400. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSSD201611018.htm

    Yang Yandong, Chen Kui, Guo Lu, et al. Analysis of influencing factors of wear of disc cutter of full-face hard rock tunnel boring machine[J]. Tunnel Construction, 2016, 36(11): 1394-1400. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSSD201611018.htm
    [22] 金艳秋, 刘志华, 杨亮, 等. 引洮工程9号隧洞TBM滚刀磨损原因分析[J]. 建筑机械化, 2011, 32(6): 79-81. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JZJH201106028.htm

    Jin Yanqiu, Liu Zhihua, Yang Liang, et al. Analyzing the cause of TBM disc cutter worn in Tao River diversion project No. 9 tunnel[J]. Construction Mechanization, 2011, 32(6): 79-81. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JZJH201106028.htm
    [23] 刘颖超. 斜井TBM滚刀破岩机理及刀具磨损研究[D]. 北京: 中国矿业大学(北京), 2018.
    [24] 张照煌. 盘形滚刀与岩石相互作用理论研究现状及分析(二)[J]. 工程机械, 2009, 40(10): 18-22. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCJA200910007.htm

    Zhang Zhaohuang. Present situation and analysis of theoretical research on interaction between disc hob and rock (2)[J]. Construction Machinery and Equipment, 2009, 40(10): 18-22. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GCJA200910007.htm
    [25] 陶龙光, 刘波. 城市地下工程模拟试验系统: CN1696417A[P]. 2009-09-02.
    [26] 张彪, 张志强, 孙飞, 等. 基于三维颗粒流模型的TBM滚刀顺次破岩的研究[J]. 中国铁道科学, 2017, 38(4): 70-76. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGTK201704010.htm

    Zhang Biao, Zhang Zhiqiang, Sun Fei, et al. Study on rock cutting sequentially by TBM disc cutter based on three-dimensional particle flow model[J]. China Railway Science, 2017, 38(4): 70-76. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZGTK201704010.htm
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-22
  • 修回日期:  2023-02-20
  • 刊出日期:  2023-06-30

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