《高磨蚀地层盾构TBM刀具磨损预测关键技术及应用》

该项目属于土木建筑工程施工(56045)和土木工程机械与设备(56050)研究方向,先后得到了中国中铁股份有限公司、中铁隧道局集团有限公司等单位立项资助。盾构TBM是国家铁路、公路、市政、水利和国防等隧道及地下工程建设急需的重大装备,刀盘刀具作为盾构TBM破岩的关键零部件,在高磨蚀地层下存在刀具消耗大、换刀作业时间长的难题。该项目实施之前,盾构TBM仍然不能完全满足高磨蚀地层隧道快速施工的需求,造成隧道施工工期延误、成本失控,亟需研发盾构TBM刀具磨损预测技术、提升刀具使用寿命。

针对高磨蚀地层盾构TBM刀具使用寿命无法准确预测的难题,研制了一种滚刀磨损检测实验平台,完善了基于实验方法的滚刀磨损预测理论体系,发明了一种可指导现场施工的刀具定量磨损预测方法,攻克了盘形滚刀磨损精准预测难题,主要创新如下:

(1)研制了具备载荷及位移电液伺服控制的滚刀磨损实验平台,发明了基于位移传感器的滚刀磨损检测方法,提出了镶嵌带状荧光纳米纤维滚刀磨损检测技术,实现了滚刀材料微磨损的快速精准测量,解决了不同材质、不同形式刀圈耐磨性评价困难难题,指导了不同岩层滚刀的适应性设计。

(2)揭示了基于塑性去除机制和脆性断裂去除机制的滚刀刀刃磨粒磨损机理,揭示了基于单轴抗压强度、等效石英含量的岩石磨蚀性影响规律;建立了以磨粒磨损系数与能量磨损率为主变量的滚刀磨损预测模型,构建了盾构TBM滚刀材料宏细观磨损预测理论体系。

(3)建立了滚刀耐磨性与岩石地层特性、盾构TBM掘进参数的定量关系,建立了滚刀耐磨性分级标准;发明了减小滚刀冲击载荷方法,开发了滚刀磨损数据分析平台,提高了刀具使用寿命;基于滚刀磨损预测模型及现场应用反馈,开发了刀具磨损评估系统,解决了盾构TBM刀具寿命精准预测难题。

项目获发明专利4项、软件著作权4项、实用新型专利2项;发表论文8篇,其中2篇SCI,1篇EI;获河南省工程建设特等奖、中国铁路工程总公司科学技术一等奖。

该项目通过了中国机械工程学会组织的成果鉴定会。以中国工程院院士陈湘生为组长、知名专家龙伟民为副组长的专家组一致认为该项目研究成果现场适用性强,创新程度高,综合效益显著,在高磨蚀地层盾构TBM刀具磨损实验平台研制及预测方法等方面达到了国际领先水平,所建立的刀具定量磨损预测方法,提高了滚刀磨损预测准确性,预测结果误差可控制在10%以内;基于滚刀磨损检测实验平台试制的圆角刃刀圈,较常规滚刀寿命提高了约20%。

项目成果除在中铁隧道局集团有限公司推广应用外,自2016年起已应用至多家盾构TBM设计、制造及施工单位,2016年至2018年间,在中铁隧道局集团有限公司、中铁隧道股份有限公司、山东瑞钻工程装备有限公司、洛阳九久机械制造有限公司等单位累计新增销售额45606.43万元,新增利润4619万元,取得了显著的经济效益。

成果说明

课题研究成果已在中铁隧道局集团有限公司、中铁隧道股份有限公司、核工业北京地质研究院、中铁工程装备集团有限公司等十余家单位,引汉济渭引水隧洞、高黎贡山铁路隧道等4个TBM工程和厦门轨道交通2号线等22个盾构工程进行了推广应用。在中铁隧道局集团有限公司、中铁隧道股份有限公司、山东瑞钻工程装备有限公司、洛阳九久机械制造有限公司、核工业北京地质研究院、中铁工程装备集团有限公司等单位应用效果良好,应用情况如下: 中铁隧道局集团有限公司应用研究成果,掌握了硬岩地层刀具磨损规律,提高了标前成本预算准确性;掌握了刀具选

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