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原文传递 TBM掘进滚刀磨损规律及增效方法研究

论文题名：	TBM掘进滚刀磨损规律及增效方法研究
关键词：	全断面岩石隧道掘进机;TBM滚刀;正常磨损;异常磨损;预测模型;激光熔覆技术;掘进参数
摘要：	全断面岩石隧道掘进机(TBM)以其掘进速度快，施工环境安全和环保等优势，在隧道建设中得到了广泛应用。盘形滚刀作为TBM破碎岩石的主要工具，其工作环境极为恶劣，尤其在TBM施工遭遇高磨蚀性或软硬不均复合岩层时，往往会导致滚刀消耗加剧，异常损坏时有发生，甚至会造成刀盘损毁和卡机等严重工程事故，降低掘进效率，工程成本和施工风险急剧增加，成为制约TBM掘进水平的重要因素。因此，开展TBM滚刀磨损研究对保障TBM安全高效掘进具有重要意义。　　TBM盘形滚刀磨损主要受TBM掘进参数与开挖围岩之间复杂岩机相互作用的影响，由于TBM掘进参数和岩体性质的改变，滚刀磨损表现形式也有所不同，主要包括正常磨损和异常磨损两种类型。针对滚刀磨损问题，本文通过室内试验、数值模拟和数据挖掘等方法对两种磨损形式下滚刀与岩石之间的作用关系开展了研究，分别揭示了滚刀正常磨损和异常磨损滚刀破岩物理规律，构建了滚刀磨损过程的岩机映射关系，并依托实际工程对所构建的滚刀磨损预测方法进行了验证，取得了较好的效果。此外，本文基于激光熔覆技术开展了滚刀耐磨预处理和修复再加工，揭示了熔覆滚刀磨损规律，提出了基于激光熔覆的滚刀磨损增效方法，为实际工程提供了借鉴和支撑。　　本文的主要研究工作及成果如下: 　　(1)滚刀正常磨损规律及理论预测方法研究。依托中南大学缩尺滚刀磨损试验平台，开展了在不同岩体强度和滚刀转速条件下的滚刀磨损试验，测试得到了磨损过程中滚刀荷载、振动变化及试验后的滚刀磨损量、刀刃磨痕样貌和磨屑形态等磨损信息，揭示了滚刀正常磨损规律，并基于试验数据回归分析，提出了以岩体强度和刀岩相对滑动速度为自变量的滚刀磨损量理论预测方法。　　(2)基于物理规律和数据挖掘的双驱动滚刀寿命预测模型的构建。依托广东珠三角水资源配置工程实测岩机数据，构建了深度神经网络模型，并将试验所得滚刀磨损物理规律作为约束项引入到模型损失函数中，构建了双驱动滚刀寿命预测模型，进一步降低了训练数据过拟合的风险。双驱动模型预测平均百分比误差(MAPE)仅为7.75％，而未引入物理规律的纯经验模型的MAPE为15.9％，预测精度大幅提升。而将工程另一段落的实测数据代入双驱动模型验证的MAPE为11.6％，预测精度较高，证明该模型具有良好的工程实用性和普适性。　　(3)异常磨损滚刀破岩规律及预测研究。自行设计了不同偏磨量的缩尺滚刀，并开展了在不同强度岩体和贯入度条件下的滚刀破岩试验，得到了偏磨滚刀在破岩时的荷载及振动变化特征，并基于此进一步开展了颗粒流离散元数值模拟试验，利用离散元方法可以监测滚刀表面应力和岩石裂纹开展情况的优势，揭示了异常刀破岩机理;进一步地，分析了异常刀力学行为特征，以滚刀法向力降幅、贯入度作为自变量，建立了滚刀偏磨量预测方程，其与实际数据拟合度为0.8l，在测试集上的MAPE为16.87％，可以较准确地判别滚刀的异常偏磨状态，并基于吉林引松四标段工程滚刀发生偏磨时的岩机数据进行了可行性验证。　　(4)激光熔覆预处理与修复滚刀的增效规律及实现方法研究。采用了高速激光熔覆技术分别在普通滚刀表面熔覆了3mm耐磨性材料及对异常损坏刀圈进行了修复再加工，并分别通过磨损和破岩试验对比分析了熔覆滚刀与普通滚刀的性能差异，试验结果表明:熔覆预处理滚刀耐磨性能明显提高，磨损量显著降低;断裂滚刀无法修复，偏磨修复滚刀的破岩性能较好，而崩刃修复刀破岩时的平均受力下降而且试验后产生了变形。最后，基于熔覆滚刀增效规律与滚刀磨损特点，提出了滚刀激光熔覆增效方法，以期对减少TBM滚刀损耗，降低施工成本带来实际工程意义。
作者：	王滨
专业：	岩土工程
导师：	李术才;刘斌
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022