混合地层条件下盘形滚刀切削机理及性能研究

随着各种地下隧道工程建设规模的快速发展，对不同岩石地层条件下的钻掘设备与技术都提出了更高要求。课题组针对大量赋存的混合体地层条件下的隧道机械开挖关键问题：刀具与地层的相互作用机理开展了较系统的研究。课题主要从三方面开展工作，（1）混合体岩土层本身的结构特征与力学特性的试验研究；（2）盘形滚刀切削破岩机理研究；（3）盘形滚刀在混合体地层条件下的破岩过程与规律。其中有关地层结构特征的研究，提出了表征块石形态特征的球度、磨圆度、形态分形维数的综合指标，编制了基于数学形态学的图像处理软件，可实现块石、混合体平面特征的自动分析。根据混合体结构特征，提出了相应的数值网格模型实现方法。盘形滚刀破岩机理研究方面，主要通过PFC软件，建立了二维和三维条件下滚刀侵入、滚刀破岩的数值模型，对地层岩石强度、围压、切深、刀间距等参数开展了系统的模拟计算与分析。对于混合体材料，采用PFC中的“簇”方法进行模拟，可以较好模拟不同硬度块石与不同基质的搭配。PFC软件的模拟过程比较接近真实的破岩过程，但通常模型单元数量巨大，运算效率比较低，课题组也尝试采用CDEM方法进行试验。与数值模拟相对应，开展了足尺滚刀切削室内试验，由于整套设备为自主研制，时间方面延误，后续将大量开展室内试验，以期获得系统的复杂地层条件下的切削破岩规律，真正为工程实践中的刀具设计与选型提供支持。 2100433B

当前，我国已成为世界隧道建设的大国，近万公里的隧道规划，对未来隧道工程的建设提出了快速、经济、安全的高要求，采用隧道掘进机（TBM）技术成为发展的必然。在我国很多地区（包括城市）存在土-砂-石混合地层，其结构、力学性质完全与土层或岩层不同，已导致大量TBM刀具磨损甚至严重的工程事故。深入分析混合地层条件下盘形滚刀的切削机理及性能成为解决此难题的关键。课题通过对大量混合地层的地质调查，采用分形几何学与拓扑学等方法，研究建立混合地层的二维与三维结构特征模型；考虑混合地层特征及原位条件，制作1.5×1.1×0.6m大模型，开展全尺寸滚刀切削模型试验及三维颗粒流数值模拟，分析盘形滚刀的切削机理，并探讨滚刀切削性能与土石混合结构的内在关系，建立混合地层的可掘性评价指标及TBM刀具切削性能预测模型。研究成果可为混合地层下TBM的刀具选型与设计提供理论依据，对复杂条件下TBM技术发展具有重要实践意义。

在工地现场，盘形滚刀组装与拆卸通常是在随机提供的小型刀具维修车间内进行，为了节省运输时间，刀具车间一般布置在进洞口附近一侧。盘形滚刀的刀圈与刀体、轴承内圈与心轴是过盈配合，其组装与拆卸需要特殊工艺处理。

盘形滚刀组装

1.刀圈、轴承内圈预先分别加热，使零件内圆受热膨胀涨大后立即装配，待零件冷却后，即能达到预期的过盈配合(具体组装要求参见产品说明书)。例：罗宾斯全断面岩石掘进机19in盘形滚刀组装时，刀圈预先加温到160℃，随即装入刀体；轴承内圈加热到120℃时装人心轴；待零件冷却后，即能达到预期的过盈配合要求。

2.隔离圈的安装是根据两个圆锥滚子轴承在刀体内轴承内圈小端端面间间距而定，隔离圈的宽度，需经现场磨配，其宽度公差应小于测量宽度。例：维尔特全断面岩石掘进机17in盘形滚刀内隔离圈的安装宽度应小于测量值的0.2mm，装配后使轴承处于预紧状态，检测刀具扭矩在60-80N·m范围内为合格。

3.维尔特全断面岩石掘进机17in盘形滚刀，螺钉(在图2-20，图2-21，图2-22中编号均为12)装配时用密封胶粘结(CASCOK No．119)；刀体内腔注入80%，约730cm³润滑油（型号320），含1%异味剂(Molyvan，1．5L Mystik Jt-7 SAE90-140，1%Molyvan)，当轴承、密封受损，润滑油溢出时，就能嗅到带有刺激性的奇臭，警示刀具损坏，可及时更换。

盘形滚刀拆卸

拆卸刀圈与轴承时，磨损报废刀圈用砂轮切断卸下，轴承内圈由专用台式压力机压出。

盘形滚刀是一种可更换刀圈的刀具，通常有单刃、双刃和多刃之分，常以辐射状或螺旋状分布装在盾构机刀盘上。盾构机在千斤顶的压力下向前掘进，同时盾构机刀盘作旋转运动，安装在盾构机刀盘上的刀具在随刀盘公转同时，自己在摩擦力和压力下作自转，从而利用刀圈刃口对岩石表面产生滚动切削作用。

盘形滚刀工作时除了要承受刀圈周向的正压力之外，还受到刀圈切向的摩擦力、以及侧向方向上交变应力的作用，受力复杂，工作环境恶劣。地层以及剥落的岩石对刀圈、刀体有着磨削、冲蚀效应，极易造成刀具的早期失效，对刀具的破岩效果和刀具对工作环境的耐受性能以及刀具质量的稳定性提出了极高的要求。刀具的质量直接决定了工程的质量、成本、安全和效率，是隧道及地铁盾构法施工中的核心技术之一。