不同动静载荷组合作用下盘形滚刀破岩机制

为了研究TBM盘形滚刀在不同动静载荷组合作用下切削花岗岩过程中的切削特性,在动静载荷组合作用下对盘形滚刀进行受力分析,采用颗粒离散元法建立岩石破碎全过程的二维数值模型,研究破岩过程岩石内部的裂纹扩展情况、内应力分布情况以及盘形滚刀的贯入度和破岩比能耗,分析在不同动静载荷组合作用下盘形滚刀破岩的情形,得到破岩效果最优的动静载荷组合。研究结果表明:随着静载荷和冲击动载荷增加,盘形滚刀的贯入度增加;盘形滚刀在动静载荷组合作用下破岩过程分为3个阶段,岩石内部应力基本符合J.Boussinesq应力圆规律;动静组合载荷作用下,岩石内部萌发的侧向裂纹比中间裂纹扩展得更快,以受拉破坏为主;破碎体积、贯入度和破岩效率相对于单一静载或单一动载有很大的提高;合理选取动静组合载荷能使破岩比能耗最小,破岩效果最好。     

滚刀滚动切削岩石的数值及试验研究

为了研究滚刀滚动切削岩石的性能,合理简化盘形滚刀滚压破岩过程,采用颗粒离散元法分别建立了考虑摩擦力的滚刀滚动切削有、无节理岩体模型,分析了滚动切削模拟过程中切削力、裂纹发育、岩石破碎形态的变化规律.利用滚刀回转切削试验台进行了破岩试验,得到切削力随工况变化的规律,验证了仿真模型的准确性.研究结果表明:对无节理岩体,提高贯入度会增加主干裂纹深度和破碎面积,提高切削速度会增加法向力,而对滚动力影响不大;对含节理岩体,岩体节理强度越强则主干裂纹越深,比能耗越高;岩体的节理倾向会对破岩比能耗产生一定的影响,正向倾角切削效率高于逆向倾角约12%;节理倾角越小,正、逆向节理倾角破岩比能耗差值越大;合理安排刀盘正反转可提高破岩效率.     

盘形滚刀破岩力影响因素试验研究

采用试验方法研究了盘形滚刀破岩时掘进参数贯入度、切削速度和刀间距的选择对破岩性能的影响.结果表明:贯入度、切削速度的增加,破岩力成比例增大;得到最优贯入度为76mm和最优切削速度6m/h,进而确定刀盘转速和最外径线速度,推算TBM总推力和总转矩.分析盘形滚刀切割岩石时的挤压、剪切破坏过程,前方破碎区由于挤压破坏形成粉盒区;两侧的岩石受到滚刀浸入的挤压作用,发生弹性变形,逐渐达到岩石的剪切强度极限,裂纹贯通碎裂.     

岩石温度对盘形滚刀掘进参数破岩特性的影响

为了研究在岩石温度变化条件下盘形滚刀掘进参数对破岩特性的影响,以颗粒流理论为平台,从细观角度上建立了基于岩石温度变化的盘形滚刀热力学破岩数学模型,模拟了不同工况下岩石裂纹生成、扩展和岩渣形成的全过程,并对掘进参数对破岩特性的影响规律进行了研究,从细观角度解释了不同岩石温度下滚刀的破岩机制.利用直线式TBM滚刀破岩实验台,通过实验验证在岩石温度变化条件下掘进参数对滚刀破岩的影响规律是否与数值模拟有较好的一致性.研究结果表明:1)岩石温度升高,降低了岩石硬度、强度等力学性质,破岩时裂纹数增多且微裂纹迅速扩展,降低了滚刀破岩载荷,提高了破岩效率;2)低贯入度时,岩石不容易被侵入破碎;随着岩石温度的升高,岩石越来越容易挤压破裂;随着贯入度增加,失效区域进一步扩大,破岩效率提高;3)滚刀之间的协同作用随刀间距的增加而减弱,最优刀间距随岩石温度的升高而增加,随贯入度的增大而增加;4)提高岩石温度能增强滚刀之间的协同作用,提高破岩效率.     

2种切削顺序下TBM刀具破岩机理的数值研究

为研究切削顺序对全断面岩石掘进机(TBM)刀具破岩机理的影响,基于二维离散单元法,利用离散元仿真软件建立无围压条件下2把TBM刀具同时、顺次切削节理不发育岩石的仿真模型.在此基础上设计1组数值试验,模拟TBM刀具在不同刀间距下分别以这2种方式切割岩石时,岩石裂纹生成、扩展和岩石破碎块形成的全过程.最后,利用滚刀回转实验台对顺次加载方式下岩石的破碎模式进行验证.研究结果表明:切削顺序决定了岩石的破碎模式,但并不影响最优刀间距;当刀间距大于80mm时,顺次加载方式的破岩效率不再高于同时加载方式下的破岩效率;在2种加载方式下,岩石应力场的分布基本对称;破碎块的形成与侧向裂纹的交汇密切相关.     

全断面隧道掘进机滚刀预切槽破岩数值模拟

针对现有全断面隧道掘进机(TBM)滚刀破岩研究对预切槽破岩的破坏原理阐释不深、切槽影响规律揭示不明的问题,构建了基于泰森多边形算法的等效晶质岩石材料的颗粒簇离散元模型,分析了不同预切槽辅助下滚刀贯入岩石的密实核演化、裂纹扩展和成碴破坏等过程,并进行小型刀具静压破岩试验验证了数值模型的可靠性。进行数值模拟,研究了切槽角度、位置、间距等结构参数对裂纹分布、破岩载荷和贯入比能的影响规律。仿真结果表明:基于预切槽弱化围岩和密实核传力双重机制的错缝预切槽破岩方法可极大提高硬岩破碎效率,"窄直切槽、错缝切削、滚刀中置"是最优的切槽结构及排布模式,建议预切槽开口角度为0°、滚刀贯入点和预切槽交错布置且滚刀位于相邻预切槽正中、预切槽最优间距为80 mm。该研究为TBM滚刀破岩机理研究提供了有效手段,为探究辅助滚刀破岩的预切槽合理结构提供了理论依据。     

切缝辅助滚刀破岩临界间距试验及预测模型研究

提高坚硬岩石条件下滚刀破岩能力是隧道施工的长期追求目标,而采用水射流辅助滚刀破岩可有效降低岩石开挖难度和刀具载荷,是一种很有前景的新型破岩技术。本文针对水射流切缝辅助滚刀破岩这一方式,首先采用破岩试验验证了切缝间距对切缝辅助滚刀破岩效果的影响,证明在岩石材料、贯入度、切缝深度一定条件下,切缝辅助滚刀破岩存在一个临界间距,当切缝间距小于临界间距时,切缝侧才能发生贯通破碎;然后采用岩石剪切破坏理论分析并提出了线性化临界间距计算模型,该模型表明临界间距的大小与切缝深度L和贯入度H的差值（L-H）线性线性相关。     

刃型参数对滚刀破岩影响的线性切割试验

采用北京工业大学自主研制的机械破岩试验平台,分别应用V刃、平刃和圆刃滚刀对重庆青砂岩进行线性切割破岩试验。基于破岩现象和试验数据,从滚刀力、刀刃应力、比能和岩渣等方面研究刃型参数对滚刀破岩机理和效率的影响,并讨论不同刃型滚刀的适用性。研究结果表明：刃型参数会影响岩石内部裂纹扩展模式,改变滚刀破岩机理。圆刃滚刀的破岩曲线呈线性增长趋势,刀尖接触应力较高,滚刀力较小,刀刃下方径向裂纹扩展充分,岩片多为“两侧薄、中间厚”,滚刀更容易侵入岩石,但滚刀的受力状态不好;平刃滚刀的破岩曲线呈幂函数增长趋势,刀尖接触应力小,岩石损失范围更小,破岩裂纹平直扩展并产生扁平状岩片,破岩相对较难,但刀具受力状态较好;V刃滚刀破岩性能介于圆刃与平刃滚刀之间。无论何种刃型的滚刀,随着贯入度增加,岩石内部裂纹扩展范围加大,刀刃接触应力呈降低趋势。对于重庆青砂岩而言,圆刃滚刀比能最低,破岩效率最优。     

不同围压下刀宽对滚刀破岩特性的影响规律

在考虑围压这一真实地质因素条件下,基于颗粒流离散元法,建立不同围压与不同刀宽下滚刀侵入破岩模型,模拟滚刀作用岩石下裂纹的扩展以及破岩阻力变化等规律,并利用真三轴实验台进行试验验证.研究结果表明:滚刀侵入破岩时,随围压增加,裂纹扩展由垂直方向向水平方向和自由面转变,当围压增加到20MPa后裂纹沿垂直方向和水平方向的扩展均受到抑制;随刀宽增加裂纹扩展能力增强,但高围压会限制刀宽对裂纹扩展的影响;围压和刀宽增加均会增加滚刀破岩阻力;当围压小于5MPa时,随刀宽增加比能耗减小,而当围压大于20MPa时,随刀宽增加比能耗增加;实验中所得到的不同围压下裂纹扩展以及滚刀破岩阻力等变化趋势与数值模拟结果一致.     

滚刀-高移速水射流耦合切削极硬花岗岩试验与模拟研究

目前,全断面隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀与高压水射流耦合破岩研究中,水射流切槽大多由低移速水射流切割而成,这与实际情况下耦合在TBM刀盘上的高移速水射流所制备的切槽不同,进而影响滚刀-水射流耦合破岩结果的可靠性。针对上述问题,采用2种喷嘴直径(0.5 mm和0.7 mm)、3种移速(1.8,2.4和3.0 m/s)的高移速水射流,耦合小尺度TBM滚刀(刃宽为2.3 mm和直径为43.2 mm),对极硬花岗岩进行切削试验,研究不同切削模式下的岩石破碎效果、滚刀法向力以及破岩比能的变化规律,同时开展全尺度滚刀与高移速水射流切槽耦合破岩的数值模拟,作为小尺度破岩试验的补充。研究结果表明：高移速水射流切槽的底长和高度随喷嘴直径的增大而增大,随喷嘴移速的增大而减小;在共轨破岩试验中,小滚刀下方岩石被高移速水射流部分移除,导致破岩载荷和破岩效率降低;在错轨破岩试验中,当小滚刀与水射流切槽间距大于15 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果趋于消失,当间距为12 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果最显著,破岩比能比纯滚刀切削降低68%;由于高移速水射流切槽小、滚刀...     

静载与冲击加载方式下滚刀破岩特性

为了研究在单一恒定静载荷和冲击动载荷这2种情况下盘形滚刀破岩机制,使用颗粒离散元法建立滚刀破岩的二维数值模型。通过控制破岩的垂直载荷,对滚刀破岩动态过程进行分析并研究静载荷、冲击动载荷和冲击次数对滚刀破岩特性的影响,最后通过实验对静载荷下滚刀破岩情形进行验证。研究结果表明:在单一恒定静载荷下,滚刀破岩效果随着静载荷增大而提高;当静载荷达到一定值后,破岩效果提升不明显,存在1个最佳静载荷使破岩效果最优;在冲击动载荷作用下,岩石裂纹扩展情况与静载荷的扩展情况相似,但岩石内部以剪切破坏为主;随着循环冲击动载荷以及施加次数增大,岩石内部产生的裂纹数增大并且有向水平贯穿的趋势,破岩比能耗先减少后变化不大;滚刀在动静载荷作用下比能耗的变化趋势基本一致,冲击动载荷破岩的比能耗比静载荷作用下的比能耗高,大约是静载荷破岩比能耗的1.4倍。     

围压作用下TBM双刃中心滚刀破岩特性研究

为了研究不同围压作用下双刃中心滚刀破岩规律,运用颗粒离散元建立其破岩数值模型,分析不同围压与刀间距对双刃中心滚刀破岩过程中裂纹扩展、比能耗等规律的影响.研究结果表明:双刃中心滚刀侵入破岩时,围压增加会抑制裂纹沿岩体垂直方向扩展.刀间距不同,围压增加对双刃之间的裂纹扩展影响不同;岩石破碎存在三种破碎模式且刀间距适中时,围压增加会促进破碎模式转变;存在最优刀间距使比能耗最小且最优刀间距随围压增加而增加;实验观测不同围压下双刃中心滚刀破岩过程裂纹扩展、破碎模式转变规律与数值模拟结果具有很好的一致性.     

基于ABAQUS的滚刀破岩参数对滚动力及比能的影响

目的研究滚刀破岩过程中,贯入度与滚刀所受平均滚动力之间的相应关系,分析刀间距、贯入度以及线速度三因素对比能的影响.方法利用ABAQUS有限元仿真软件,建立双滚刀直线切割大理岩的运动模型,模拟5种不同贯入度的滚刀破岩过程,得出不同贯入度条件下滚刀所受平均滚动力的大小;基于正交试验法,选出具有代表性的三因素三水平的参数组合进行仿真,通过极差分析找出不同因素变化对比能的影响规律.结果贯入度由4 mm增加到8 mm,滚刀所受平均滚动力近似线性增长,变化平缓;贯入度由8 mm增加到12 mm,滚刀所受平均滚动力增长幅度大,变化明显.正交试验中,刀间距对比能的均值极差为0.96 MJ/m~3;贯入度对比能的均值极差为0.41 MJ/m~3;线速度对比能的均值极差为0.26 MJ/m~3.结论在刀间距和线速度保持不变的条件下,滚刀所受平均滚动力与贯入度呈正比,而与s/p比值呈反比.通过分析刀间距、贯入度以及线速度变化对比能影响的主次性,得出刀间距影响最大,其次是贯入度,线速度影响最小.研究结果为提高滚刀破岩效率提供了参考.     

盾构刀具破岩过程及其切削特性

采用数值模拟技术并借助于大型有限元软件,选择在Ottosen四参数破坏准则基础上引入损伤因子的非线性弹塑性本构模型作为软岩的材料模型,建立盾构刀具切削软岩的二维简化模型,模拟破岩过程中裂纹的生成和扩展;建立三维有限元模型,分析切削力在整个切削过程中的变化,并通过试验验证仿真过程的可行性和有效性.研究结果表明;岩石的破碎过程和切屑的形成过程是由拉伸裂纹和剪切裂纹延伸而成;刀具的切削力与切削时间之间遵循波动变化关系,能够较真实地反映盾构刀具破岩过程中岩石的破碎动态响应过程;采用该方法研究刀具几何参数和切削参数对切削力的影响程度和趋势,为盾构刀具的最优化设计提供了参考依据.     

盘形滚刀破岩力影响因素研究

盘形滚刀破岩力是决定滚刀使用性能的关键因素,论文采用有限元软件LS-DYNA模拟盘形滚刀破碎岩石过程,研究盘形滚刀结构参数与工作参数等对破岩力的影响特性,并在100T盾构刀具回转切削性能测试实验台上进行实验,通过仿真及实验研究表明:贯入度与切削速度对盘形滚刀破岩力的影响十分显著,而刀刃宽度影响最小,对比转速为3.6r/min与转速为1.0r/min时滚刀切削力,其中垂直力增大了29.2%、侧向力增大了51.3%、滚动力增大了21.9%.     

基于ABAQUS的岩石节理特征对滚刀破岩影响研究

目的研究岩石节理特征对全断面硬岩掘进机(TBM)滚刀破岩的影响,提高滚刀破岩效率.方法利用ABAQUS对含有不同节理特征的岩石进行建模仿真,模拟TBM滚刀切割含有不同节理特征岩石的过程,并观察分析其破碎效果.结果节理岩石破碎后的塑性应变在节理面处向岩石内部延伸;岩石的节理间距越大,岩石的破碎量越小;在节理间距相同的条件下,节理倾角为60°时,岩石破碎效率最高,而在节理倾角为90°时,岩石破碎效率最低.结论岩石的节理倾角对节理岩石裂纹的扩展有影响,而节理间距为150 mm时对其裂纹的扩展基本没有影响;当节理间距在80~100 mm范围内变化时,节理间距对岩石破碎效率影响较大.研究结果对于理解滚刀破岩机理,优化滚刀布置和提高掘进机刀具破岩效率具有重要意义.     

不同间距和倾角的岩石节理对TBM滚刀破岩的影响

在隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)开挖过程中会遇到表面节理条件不同的围岩,影响TBM操作参数的选取和施工效率。为研究节理条件对滚刀力的影响,设置了3种岩面切缝方案模拟不同间距和角度的节理岩石进行线性切割试验,观察岩面破坏情况,收集岩渣并记录滚刀破岩的三向力和振动信号,从岩体破坏、刀具振动情况分析贯入度、切缝的间距和角度对滚刀破岩效果的影响。结果表明：滚刀法向力和滚动力均随着贯入度的增大而增大;切缝间距400 mm比间距200 mm的岩样所需的破岩力更大,但是破岩效果较差;斜切缝岩样相比平行切缝岩样所需破岩力更低而破岩效果较好。在此基础上利用多元线性回归方法建立了滚刀力预测模型,具有较高的预测精度。     

不同地应力下TBM盘形滚刀破岩特性

根据Mohr-Coulomb准则分析岩石强度与地应力的变化关系,对不同地应力下盘形滚刀破岩载荷模型进行修正;以锦屏二级水电站TBM掘进现场实测的数据为依据,建立有初始地应力和无初始地应力下盘形滚刀破岩仿真模型,并进行无初始应力滚刀破岩试验,研究盘形滚刀破岩载荷特性及岩石破碎特征。研究结果表明:随着地应力的增大,三向力载荷增大;在各个贯入度下,初始应力为28~36 MPa时与0 MPa时相比,垂直力和滚动力的增加幅度较大,增大幅度可达到70%以上,侧向力增加幅度最小;随着初始地应力的增加,滚刀总破岩量减少,破岩能耗上升;三向力理论计算值与仿真值吻合较好,相对误差范围在10%~21%之间;无初始应力下的破岩试验在一定程度上验证力学模型和仿真结果的正确性。     

盾构机双滚刀在复合地层中破岩机理的

针对华南地区广泛存在的复合地层地质条件,本文着重研究了盾构机双滚刀在该地层中的破岩机理。主要包括两方面的研究,其一是研究在复合地层中双滚刀的最优刀间距;其二是不同岩层之间夹角的大小对破岩的影响。结果表明：(1)随着刀间距从88 mm增大到112 mm,滚刀所受到平均法向力和平均滚动力均呈现先增大后减小再增大的趋势,平均法向力与平均滚动力的比值在10~15之间;并且比能会先迅速减小,然后缓缓增大,刀间距/贯入度的值在25附近时比能值达到最小。(2)双滚刀所受到的平均法向力与平均滚动力,会随着岩层夹角从15°到90°的增大,呈现先减小后迅速增大的趋势;在45°左右夹角时,滚刀受到的力会减小到最小。这些结果对复合地层中盾构机的破岩掘进有一定的指导意义。     

前倾安装和传统安装盘形滚刀破岩前锋点位移量和弧长的对比分析

全断面岩石掘进机盘形滚刀与岩石的相互作用一直是领域学者研究的热点和难题.代表性研究成果是Ozdemir等学者通过盘形滚刀线性滚压破碎岩石的试验建立的盘形滚刀破岩力——推压力和滚动力计算公式,这与实际破岩过程中盘形滚刀和岩石的相互作用有较大差异,为此,本文通过建立盘形滚刀实际破岩运动模型,应用微位移矢量分析方法,导出了前倾安装盘形滚刀、传统安装盘形滚刀实际破岩运动中破岩点的位移,尤其是侧向位移和破岩点弧长的解析式.通过某实际工程用全断面岩石掘进机盘形滚刀算例发现:在盘形滚刀贯入度相同的条件下,前倾安装盘形滚刀破岩点侧向位移和破岩点弧长均小于传统安装盘形滚刀破岩点侧向位移和破岩点弧长,从而揭示了前倾安装盘形滚刀破岩力对岩石的作用效果明显好于传统安装盘形滚刀破岩力对岩石的作用效果.