盾构机总推力反算滚刀法向破岩力探讨

5.2.3 刀具的破岩机理
5.2.3.1 硬岩的破岩机理
盾构机的切削装置由刀具（滚刀）、刀盘、刀盘驱动装置以及推进装置构成，这些组成因素对提高切削效率十分重要，滚刀破岩时，当其对岩石的挤压力超过岩石本身强度后，刀刃部分的合金刀片使岩石破碎，形成一道切削沟槽，刀刃继续挤压，岩石便产生龟裂，向周围扩散，切削沟槽两侧的岩石剥离破碎，通过刮刀刮除，快捷进入土仓。

见图5-5滚刀的破岩机理图和图5-6滚刀切削面状况图。

5.2.3.2 软岩的破岩机理
软岩的切削主要是刀具直接对土层进行剪切破坏来进行切削的， 具体详见图5-8。

图5-7 软岩切削刀具的切削原理
图5-5 滚刀的破岩机理图 图5-6 滚刀切削面状况图。

附 录 A（资料性附录）刀盘扭矩计算方法A.1 理论扭矩计算方法理论扭矩计算方法按公式（A.1）：()i i m T f F R T =⨯⨯+∑∑ …………………………(A.1)式中：T ——刀盘扭矩，单位为千牛米（kN ·m ）；f ——滚刀滚 动阻力系数, 一般取值0.1～0.15；F i ——滚刀额定承载能力，单位为千牛（kN ）；R i ——每把滚刀在刀盘上的回转半径，单位为米（m ）；T m——摩擦扭矩，单位为千牛米（kN ·m ）。

A.2 经验计算方法经验计算方法按公式（A.2）：2T S D =⨯ …………………………(A.2)式中：D ——刀盘直径，单位为米（m ）；S ——扭矩系数。

扭矩系数S 根据掘进机直径、围岩条件而异，一般取S ≈60。

附 录 B（资料性附录）掘进机推力计算方法B.1 掘进机推力理论计算方法B.1.1 掘进机辅推进系统推力掘进机辅推进系统推力理论计算方法按公式（B.1）：FT 11234()F K F F F F =⨯+++ …………………………(B.1)式中：F FT ——掘进机辅推进系统推力, 单位为千牛（kN ）；K 1——储备系数，一般取K 1 =1.1～1.5；F 1 ——岩石和护盾间的摩擦阻力，单位为千牛（kN ）；F 2 ——拖动后配套系统产生的阻力, 单位为千牛（kN ）；F 3 ——刀盘推进反力，单位为千牛（kN ）；F 4 ——盾尾刷与管片之间摩擦阻力，单位为千牛（kN ）。

B.1.2 掘进机主推进系统推力掘进机主推进系统推力理论计算方法按公式（B.2）：()ZT 135F K F F =⨯+ …………………………(B.2)式中：F ZT ——掘进机主推进系统推力, 单位为千牛（kN ）；F 5 —— 前护盾和外伸缩护盾受到的摩擦阻力之和，单位为千牛（kN ）。

B.1.3 岩石和护盾间的摩擦阻力岩石和护盾间的摩擦阻力F 1按公式（B.3）计算：111W F ⨯=μ …………………………(B.3)式中：μ1 ——围岩与护盾间的摩擦系数，一般取0.3～0.5；W 1——护盾作用在围岩上的全部竖直压力，单位为千牛（kN ）。

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。

复合型土压平衡盾构推力与刀盘扭矩计算研究朱述敏;喻涛;熊智鹏;翟美新【摘要】Based on the in-depth analysis and study of the cutting mechanism of the cutterhead of the composite EPB shield ma-chine, the calculation model of cutterhead load is established, and the corresponding calculation formulas are deduced. Compared with the data logged from engineering projects, the calculation results can meet the requirements of the practical engineering. The formulas can serve as a reference for cutterhead load calculation.%通过对复合型土压平衡盾构掘进机刀盘切削机理深入分析与研究，建立刀盘载荷计算模型，得出相应计算表达式。

通过与工程实测数据的对比表明，计算结果能满足工程要求，可供盾构刀盘载荷计算参考。

【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2016(000)003【总页数】4页(P23-26)【关键词】复合型土压平衡盾构掘进机;刀盘;载荷;推力;扭矩【作者】朱述敏;喻涛;熊智鹏;翟美新【作者单位】南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094;南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094【正文语种】中文【中图分类】TH123盾构推力和刀盘扭矩是盾构设计、制造的关键载荷参数，也是盾构掘进过程中的重要控制参数。

硬岩地层盾构掘进滚刀磨损机制与预测方法研究
赵方彬
【期刊名称】《流体测量与控制》
【年(卷),期】2024(5)1
【摘要】硬岩地层采用盾构法全断面掘进时,常出现刀具严重磨损、偏磨、刀箱破裂、崩刃等工程问题,导致工期延长、增加维护成本。

因此,探索刀具磨损机制和科学控制,对于保证连续长距离的安全施工具有重要意义。

通过分析刀具在岩层中掘进的磨损情况,基于磨损摩擦学的原理,提出刀具磨损包括疲劳磨损、磨粒磨损及粘着磨损三机制共同作用的原理。

以徐州市某地铁线路盾构区间段工程数据为样本,对比分析了采用本方法得到的刀具磨损值、长短时记忆算法(LSTM)的机器学习预测值,以及实际磨损值的对应关系,提出了减小刀具磨损和延长刀箱寿命的施工控制措施。

结果表明,本方法与传统方法相比,极大地提升了刀具磨损预测的精度,减小开仓时间,提升了掘进效率。

【总页数】6页(P35-40)
【作者】赵方彬
【作者单位】徐州地铁集团有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TU949
【相关文献】
1.泥(砂)岩地层中盾构掘进参数变化与滚刀磨损程度的关联性探究
2.基于BP神经网络的硬岩地层盾构滚刀磨损预测
3.TBM、盾构盘形滚刀硬岩掘进的刃口磨损形状分析及优化对策
4.硬岩地层盾构正面滚刀磨损规律与预测模型
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盾构机硬岩掘进时滚刀异常损耗的控制方法分析蒋延富发布时间：2021-08-09T02:01:14.729Z 来源：《防护工程》2021年11期作者：蒋延富[导读] 硬岩地层盾构机工作条件比较特殊，对盾构机配置各方面提出了要求，采取合理地控制措施保证项目施工质量，提高施工效率。

中铁十一局集团第五工程有限公司重庆 400000摘要：复合式土压平衡盾构机在地铁项目施工中比较常见，尤其是在复合地层中的运用得到推广。

复合地层中地质条件复杂，如风化岩石、长距离基岩突出等影响施工的开展。

土压平衡盾构机一般选择使用滚刀来破岩掘进施工为地铁施工做铺垫。

但是如果岩石强度比较高，就需要控制设备的运行，合理制定滚刀参数降低滚刀的异常损耗，保证设备运行性能的同时确保施工的顺利进行。

文章针对盾构机硬岩掘进时滚刀异常损耗的控制方法分析。

关键词：盾构机；参数控制；地铁施工；参数硬岩地层盾构机工作条件比较特殊，对盾构机配置各方面提出了要求，采取合理地控制措施保证项目施工质量，提高施工效率。

硬岩地层盾构作为重要的隧道开发技术，在我国项目工程建设中起到重要作用。

改革开放后工程建设不断发展，盾构机作为挖掘隧道的专用设备，本身品质严重影响隧道建设工作和隧道最终质量。

目前我国在盾构机的研究中取得瞩目成就，目前盾构机技术能够走出国门走向世界，成为继高铁之后的又一张中国明信片。

1. 盾构机的施工难点分析针对盾构机在隧道工程中的施工，其施工难点有：①对刀具质量要求较高，因为硬岩地层地质条件的特殊性要求，对盾构机刀具质量也提出了严格要求，而且刀盘扭矩的要求也会提高，日常施工中一般使用电驱。

硬质岩层中刀具配置单刃滚刀的情况比较常见，这一类刀刃具备很强的破岩能力，而且更换也更简单，在重量上占据优势。

双刃滚刀的更换有一定难度，在实际运用过程中刀盘布置道间距的时候单刃更能够适应更多情况。

除此之外刀具如果遇到的岩层过硬更容易崩坏，而单刀刃更换方便的同时成本也得到了有效控制。

通　用2　闭式土压平衡模式推力计算围岩松软而不能自稳时，盾构在闭式土压平衡模式下工作。

盾构推进阻力主要包括：推进时的正面阻2.1　盾构推进时的正面阻力F 1盾构推进时的正面阻力主要是由上部松动地层导致的侧向土压力 F 11 和掘进岩土阻力 F 12 组成。

， (3)式中：D 为盾构直径；K 为侧向土压力系数；γ体重力密度；h 为盾构埋深，取地层松动高度 h ， (4)为刀盘开口率。

2.1.2　掘进岩土的阻力F ， (5)= (cos α1 - μ0 sin α1) (sin θ + μ cos (cos θ- μsin θ)(sin α- μcos 2，A 1 为剪切破裂面的面积；滚刀和切刀所受推力相当，一把刮刀承受相当 把切刀的推力[6]。

则掘进岩土的阻力F 12 = (n 1+ n 2 + 6n 3) F n 。

(6)2.2　盾构壳体与周围地层的摩擦阻力 图 2　围岩松软时盾构受力Fig. 2 Force diagram of shield machine in softrock surrounding(b) 敞开式 TBM 模式主机构造图 1　双模盾构主机构造Fig. 1 Structural of dual-mode shield machine图 3　切刀切削示意Fig. 3 Cutting diagram of cutter(a) 闭式土压平衡模式主机构造通　用F 2 = F 21 + F 22 + μ1 W cos α， (7)式中：μ1 为盾构壳体与周围地层的摩擦因数。

， (8)对于斜井隧道，当斜井轴线与水平面所成的夹角 < 45°时，垂直土压力要乘以 cos α；侧向土压力和水平隧道相同[8]，则垂直及侧向土压力产生的摩擦力F = 4 μ(N cos α + N )。

(10)[9]。

土体弹性抗力产生的摩擦力(11)其中，k 为地层抗力系数；L 为主机长度；R 为实际变形量；W 为主机质量；E 为盾构壳(a) 垂直土压力 (b) 侧向土压力图 5　盾构壳体垂直和侧向土压力计算Fig. 5 Diagram of earth pressure on shell of shield machine atvertical and lateral direction(a) 垂直及侧向土压力 (b) 土体弹性抗力 (c) 主机重力引起的土压力图 4　盾构壳体表面土压力分布Fig. 4 Distribution of earth pressure on shell of shield machine算，浅埋隧道一般采用全土柱理论计算；深埋隧道采(16)其中 ，，a1 = D/2 + H t tan (45°-ϕ/2)，为围岩重力密度；H为隧道埋深，指隧道顶部至地表面的垂直距离；D为盾构开挖直径；为岩土黏聚力；H t 为断面高度；， (18)式中：n1为滚刀数目；d为滚刀直径；p为贯入度； 岩土抗压强度；τ 为岩土抗剪强度；α 为盘形滚刀通用(a) 地层松动高度随隧道埋深变化1—闭式土压平衡模式　2—敞开式 TBM 模式(b) 盾构推力随隧道埋深变化图 6　计算结果Fig. 6 Calculation results。

盾构穿越半断面硬岩段掘进刀具磨损控制技术作者：李强摘要：杭州地铁2号线沿线隧道主要穿越地层为粉砂、粉土、淤泥质地层，但受隧道线形、周边环境等因素，杭州地铁2号线杭发厂站~人民路站上行线盾构于市心中路（靠近萧绍路）交通繁忙区域成功穿越了50m半断面岩层。

由于该段岩层强度较大、地质较复杂，并且沿线隧道呈倒“V”形，盾构穿越半断面硬岩期间，出现刀盘刀具偏磨现象，在进行相关施工参数的优化及各项辅助措施下，盾构顺利穿越了50m半断面岩层。

关键词：盾构掘进半断面岩层引言：随着杭州地铁1号线工程的完工和2号线工程施工的开展，盾构法施工在杭州地区软土掘进领域积累了大量的施工经验，但对于盾构半断面硬岩段掘进施工缺乏相关的经验。

目前，盾构在半断面硬岩段掘进施工是一项重大难题，如何合理配置刀盘刀具，在穿越半断面岩层过程中如何克服刀盘刀具磨损严重，并解决刀具磨损检测等问题是盾构施工需解决的核心问题。

正文1、工程概况杭发厂站～民路站区间地质纵剖面图杭州地铁2号线杭发厂站～人民路站区间盾构上行线由杭发厂站上行线始发推至人民路站，并在人民路站调头后返回杭发厂站。

上行线掘进过程中，盾构由杭发厂站始发后先后穿越了425m粉砂性土层、50m半断面硬岩段、627m 淤泥质土层，硬岩段表层0.5m为强风化石英砂岩、其余为中风化石英砂岩、中风化凝灰质岩，岩石侵入隧道最高处为5m,岩层强度等级为50Mpa。

岩层取芯如下所示：中风化石英砂岩芯样图（岩层存在细微裂隙、纹理）2、适合软土、半断面硬岩段掘进的盾构刀盘、刀具配置设计鉴于软土区间盾构将局部区域穿越半断面硬岩段，盾构刀盘必须配置适合软土及硬岩掘进的刀盘、刀具。

在盾构设计过程中进行了针对性进行研究分析，对刀盘结构进行有限元分析，使刀盘构架满足盾构硬岩掘进受力要求。

刀盘为辐条式，挖掘直径为6510mm，面板开口率为48%。

刀盘硬岩掘进受力有限元分析在进行刀具选用时，根据半断面岩层强度等级进行刀具配置，刀盘刀具由滚刀、仿形刀、齿刀、外周保护刀组成。

专利名称：复合盾构在岩土混合地质中掘进总推力的计算方法专利类型：发明专利
发明人：张茜,齐文聪,亢一澜,周思阳
申请号：CN201711498786.4
申请日：20171229
公开号：CN108268709A
公开日：
20180710
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：一种复合土压平衡盾构在岩土混合地质掘进中总推力的计算方法，计算复合土压平衡盾构在掘进过程中的各种分力：刀盘上滚刀的破岩力、刀盘面板与软土层接触部分的掘进挤压力、刀盘面板与软土层接触部分由覆土埋深引起的静土压力、刀盘开口部分的密封舱压力、护盾与软土间的摩阻力、护盾与岩石间的摩阻力和后续设备的牵引力；然后根据所计算的各种分力，计算掘进总推力。

本发明对于复合土压平衡盾构在岩土混合地质掘进过程中总推力的计算快速准确。

能随时根据地质条件与掘进速度的改变灵活调整推力参数，为复合土压平衡盾构装备动力系统的设计以及施工过程中推力参数的设定与实时调整提供了可靠的数据依据。

时调整提供了可靠的数据依据。

申请人：天津大学
地址：300350 天津市津南区海河教育园雅观路135号天津大学北洋园校区
国籍：CN
代理机构：天津市北洋有限责任专利代理事务所
代理人：杜文茹
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大直径盾构穿越基岩凸起滚刀受力分析摘要：随着社会的发展，交通运输需求不断增加，大跨度隧道的数量也迅速增加。

盾构法由于具有安全性好、周边环境影响小等优点，在大断面隧道施工中得到广泛应用，尤其是在实施穿越江河湖海等的水下隧道施工中，盾构法占大多数。

关键词：超大直径盾构；滚刀；穿越基岩；数值模拟；受力分析引言在隧道工程开挖断面范围内或在隧道开挖的延伸方向上，由2种或2种以上不同地层组成，且这些地层的物理力学、工程和水文地质等特征具有很大差别的组合地层，被称为复合地层。

盾构机在复合地层中掘进，刀具受到较大的冲击，极易导致刀具异常损坏。

超大直径盾构由于开挖直径大，刀盘转动时，位于刀盘外圈的滚刀线速度快，在复合地层中掘进时受到的冲击作用也更强。

同时，为应对高水压、复合地层，超大直径盾构多选用常压刀盘。

常压刀盘受空间限制，其滚刀布置间距相对常规刀盘偏大，因此掘进效率有所降低，而单个滚刀的受力情况也更加复杂。

鉴于此，笔者依托汕头市海湾隧道施工，对超大直径盾构穿越基岩凸起段时不同安装位置的滚刀受力情况进行分析，以便为今后的类似工程施工提供参考和借鉴。

1主要问题分析1.1盾构选型盾构机长距离穿越富水高密砂层，部分地段砂层标贯值超过120击，最大泥水压力达6bar，施工难点多，对盾尾密封要求高，刀盘刀具磨损大，泥水长距离输送管路磨损严重，进排浆泵站、管路磨损后需频繁更换，设备可靠性要求高，风险高，拟采用间接控制式泥水平衡盾构机。

（1）工程地质特点。

密实度高、石英含量高的富水密实砂层对刀具的磨损大，对刀盘外援流动磨损快，需多次换刀，刀盘应具有尽可能大开口率。

（2）泥水压力控制模式。

掌子面结构松软且下穿建构筑物，地面沉降控制要求高，故采用带气垫的间接泥水压力控制模式。

（3）设备选型针对性设计。

盾构机选型，以地质为基础，在开挖直径、耐压能力、基本功能满足要求前提下，应重点关注一头一尾。

刀盘设计应解决大直径、长距离、砂层掘进，刀盘、刀具磨损，安全有效换刀、常压刀盘中心易结泥饼、盾构机姿态调整及刀具状态监测等难题。

盾构装备掘进总推力的反演识别与力学建模郑峥;张茜;亢一澜【期刊名称】《机械工程学报》【年(卷),期】2014(50)21【摘要】盾构掘进载荷与装备地质适应性密切相关,有效地控制掘进推力载荷是保证装备安全施工与提高掘进效率的关键环节。

分析盾构掘进中总推力的特点,以及掘进参数、地质参数与装备构型参数等对掘进总推力的影响,利用力学分析与量纲分析的方法,建立掘进总推力力学模型。

采用多元回归的方法,处理工程实测数据,对掘进总推力力学模型中的系数进行反演识别。

结合天津地铁九号线十一经路站至大直沽西路站施工段的工程实测数据,采用统计学分析方法,讨论掘进总推力力学模型的计算残差。

通过海量工程实测数据与力学模型预估结果比较,讨论掘进总推力力学模型的适用性。

分析表明,所建立的总推力力学模型能够反映掘进总推力与掘进速度以及地质参数等主要影响因素间的相互影响规律,可以为施工中总推力的合理选取与控制提供参考。

【总页数】7页(P31-37)【关键词】海量工程数据;盾构总推力;力学建模;量纲分析;残差分析【作者】郑峥;张茜;亢一澜【作者单位】天津大学机械工程学院;天津大学天津市现代工程力学重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TH11;U451【相关文献】1.黏性矿物中刀盘扭矩及掘进总推力建模与试验研究 [J], 刘飞飞;张满军;刘宗来2.土压平衡盾构掘进总推力的计算与试验研究 [J], 苏健行;龚国芳;杨华勇3.TBM装备掘进载荷的力学分析与功率建模 [J], 成志飞;王立辉;苏翠侠;周思阳;张茜4.大纵坡隧道复合式隧道掘进机掘进推力对管片结构的力学响应分析 [J], 邓尤东; 李桂; 刘湛; 张博阳; 曾宪坤; 于广明5.基于力学分析的TBM掘进总推力预测模型研究 [J], 周思阳;亢一澜;苏翠侠;张茜因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。