硬质花岗岩隧道TBM施工刀具磨耗及掘进性能评价研究

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全断面岩石掘进机(TBM)在掘进速度、安全和环保等多方面有着其它隧道施工方式不具备的特殊优势,因此在我国隧道和地下工程建设中应用较为普遍。在硬质花岗岩地层施工中,刀具一方面对岩石进行破坏,另一方面也受到岩石的磨损,刀具的磨损和失效将直接影响隧道TBM的掘进效率和施工安全。以在建的深圳地铁6号线6101标段大浪站~石岩站区间羊台山硬质花岗岩隧道TBM施工项目为研究背景,基于跟踪现场施工进行的数据统计和分析,对硬质花岗岩地层中TBM刀具的磨损规律和掘进性评价进行了分析和研究,主要工作及研究成果如下:(1)基于羊台山隧道工程的特点、隧道围岩条件和工程施工安排等条件,确定了硬质花岗岩地层适宜的双护盾TBM机型;基于选定的TBM机型的设计参数,确定了不同围岩条件下的TBM的掘进推力、滚刀扭矩、倾覆力矩和刀盘扭矩等硬质花岗岩地层TBM的掘进驱动参数;跟踪进行了掘进施工情况的分析,提出了羊台山隧道硬质花岗岩地层掘进中需要研究的刀盘滚刀磨损和硬质花岗岩地层TBM适应性的评估问题。(2)通过对硬质花岗岩地层TBM盘形滚刀的磨损情况进行统计分析,给出了硬质花岗岩地层TBM刀具失效三种主要形式,分析了刀盘上不同刀位的不同磨损失效形式、滚刀数量及磨损量的对应关系及其变化规律,发现硬质花岗岩地层,TBM掘进相同长度时,滚刀距离刀盘中心位置越近,其累计磨损量越小;但就单位轨迹长度产生的磨损量而言,中心滚刀的磨损量相对较大,正面滚刀、边缘滚刀的磨损量相对较小,且与其到刀盘中心的距离无关,基本保持在同一磨损水平。(3)为研究不同因素对硬质花岗岩地层TBM滚刀磨损的影响,基于羊台山隧道统计数据的分析,从围岩强度、围岩等级、隧道埋深和TBM掘进速度等四个方面进行研究,发现隧道围岩强强对双护盾TBM滚刀的磨损影响最为显著,其次是围岩等级,隧道埋深对滚刀的影响表现不明显。同时,就掘进速度对滚刀磨损的影响而言,由于施工过程中需要保持掘进速度的相对稳定,掘进速度的影响体现的相对较弱。在此基础上,提出了硬质花岗岩地层双护盾TBM刀具的机械管理及维修建议,指导了羊台山隧道的施工。(4)为研究双护盾TBM在硬质花岗岩地层中的掘进性能,以TBM的贯入度指数FPI作为参考指标,基于相关性分析,分别建立了TBM的贯入度指数与围岩的单轴抗压强度、岩体完整性系数的拟合关系式;此外,在TBM的掘进贯入度指数与TBM刀盘的推力、贯入度之间建立拟合关系式。基于建立的关系,对羊台山隧道双护盾TBM掘进性能进行了评估。
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