盘形滚刀破岩过程的数值研究

为了研究全断面岩石掘进机盘形滚刀的破岩过程以及盘形滚刀的结构参数（刀刃宽、刀刃角）对滚刀破岩特性的影响,利用离散元方法建立岩石与盘形滚刀的二维数值模型,研究了滚刀侵入岩石过程中贯入度、切削力以及裂纹数三者的关系,在此基础上通过仿真得到滚刀结构参数与岩石破碎特性的规律。研究结果表明：裂纹的扩展与滚刀受到的切削力密切相关;破岩过程中切削力先增大后减小的循环模式,证实了岩石跃进破碎特性。在盘形滚刀作用下,岩石中的应力是向下、向四周无限扩展的对称的应力泡。滚刀刀刃作用区域,应力值最高,随着滚刀贯入度增加,最大应力减小;远离滚刀刀刃区域,应力呈应力泡形式逐层降低至0。选择滚刀刀刃宽在10～15 mm之间,既避免滚刀受到的推力过大,又能提高滚刀的破岩效率;岩石破碎以滚刀刀刃下方向下发展裂纹的扩展为主,刀刃角在10°～20°之间,既能减少滚刀的磨损又能提高破岩效率。     

基于UDEC的隧道掘进机滚刀破岩数值模拟研究

现今全断面隧道掘进机（TBM）施工方法在长大深埋隧道工程中已被广泛采用,对滚刀破岩关键技术的进一步认识具有重要的工程价值。为了研究滚刀破岩机制,分析刀圈断面形态、岩石强度和节理角度对其的影响,运用UDEC方法建立了滚刀贯切岩石的二维数值系列模型,对TBM滚刀破岩过程进行了仿真。分析表明：滚刀破岩是滚刀下岩石拉破坏和剪破坏的综合反映,拉破坏是裂纹萌生与扩展的主要驱动机制;刃宽较大的平刀与刃角较大的楔刀破岩效果较好;平刀与楔刀在软岩中破岩效果相近,平刀在硬岩施工中比楔刀的破岩效果好;滚刀对节理角度为30°～60°的岩石破坏效果较好,由于楔刀的“劈裂”作用,楔刀比平刀更适合用于贯切含有节理的岩石。     

苏通GIL综合管廊工程泥水盾构穿越致密复合砂层磨蚀性预测分析

高磨蚀性致密砂层中盾构刀具磨损严重制约施工效率。为准确预测大直径泥水盾构刮刀的磨损量与削掘距离寿命,本文采用隧道断面面积统计分析法和分段体积统计分析法对苏通GIL综合管廊工程DK0+~DK1+780段隧道所穿越的密实复合砂层进行统计分析。结合典型断面各地层面积权重,分段各地层体积权重及单一地层磨耗系数K得到了隧道穿越密实复合砂层各典型截面和分段上加权平均磨耗系数K'及其变化规律。根据加权平均磨耗系数K'及相应刀具磨损模型,对大直径泥水盾构在密实复合砂层中刀具磨损量及削掘距离寿命进行预测。并将预测结果与类似工程地质条件下南京长江隧道大直径泥水盾构实际施工过程中刀具磨损量及削掘距离寿命进行比较。研究结果表明:加权平均磨耗系数K'随掘进里程增加整体呈逐渐增大趋势,在1778m处取得最大值K'_max=18.36×10-3mm·km-1;刀具最严重磨损发生在安装直径D=12.07m处。取限定磨损量δ=5mm,对应的削掘距离寿命分别为L₁=1063m和L₂=453m,因此需要进行两次刀具更换。与南京长江隧道泥水盾构刀具实际磨损情况的对比表明预测结果具有较高的可靠性。该研究成果为苏通GIL综合管廊工程及类似地层条件下越江隧道盾构刀具磨损预测及更换提供了一定的理论依据。     

基于断裂力学的岩石切削数值分析探讨

为研究岩石切削过程中刀具的力学特性以及刀具平均峰值作用力的预测,基于断裂力学和有限元理论建立了岩石切削的数值模型。模拟分析岩石对刀具的反作用过程,得到不同力学特性岩石和刀具作用条件下刀具所受的反作用力,结果表明,冲击速度在一定范围内对刀具平均峰值作用力影响较小;岩石体积呈阶跃性递减,刀具作用力大小与崩落岩石碎片体积变化一致。对模拟、实验以及已有理论计算得到的刀具平均峰值作用力进行线性回归分析,研究结果表明,数值方法计算结果与实验结果、Goktan[1]理论计算结果的线性相关系数分别为0.812、0.930,相关性较好,表明所建数值模型用于模拟岩石切削是正确和可靠的。     

复合式土压平衡盾构刀盘失效风险分析

通过对复合式土压平衡盾构刀盘失效的事故种类及原因的分析与总结,应用故障树分析（FTA）方法对刀盘失效风险进行了研究,建立了刀盘面板、刀具和其他刀盘体系的故障树系统模型。通过定性与定量分析,讨论了各项风险事故的潜在失效模式和影响因素。结合具体工程进行了应用,并提出了针对性的控制措施。研究有助于复合式土压平衡盾构刀盘的设计、施工的决策与控制。     

Parameter Study on Prediction Methods for TBM Penetration Rate

Penetration rate prediction of Tunnel Boring Machine (TBM) is the first step to advance prediction process of mechanized tunnelling. In this research, influence of effective parameters on TBM penetration rate is investigated by sensitivity analysis of three main TBM performance prediction methods; Norwegian University of Science and Technology (NTNU), rock mass index (RMi) and Q_TBM. Based on these analyses, it is shown that applied thrust per disc and joint spacing in NTNU and RMi models have more influence on penetration rate. In Q_TBM model, Q value, applied thrust per disc and induced biaxial stress are more effective.     

水力切缝上方TBM滚刀贯入破坏机制模拟研究

为了提高坚硬岩层隧道掘进机（tunnel boring machine, TBM）贯入度和降低滚刀受力,高压水射流辅助TBM滚刀破岩已在工业界初步应用。为了揭示水力切缝滚刀破岩机制,基于水力切缝岩石滚刀贯入试验进行了三维颗粒流模拟,研究了滚刀贯入力和贯入刚度随切缝深度的变化规律,揭示了不同切缝深度滚刀纵横剖面内的裂纹扩展和力链演化过程,分析了拉裂纹和剪裂纹随切缝深度的变化规律,明确了不同切缝岩石滚刀贯入的破坏模式和破坏机制。结果表明,第1次贯入的贯入刚度和贯入力随切缝深度的增加大致呈线性降低,第2次贯入的峰值力和贯入刚度小于第1次。而且,50～80 mm刀间距的变化对峰值贯入力的影响并不显著。随着切缝深度的增加,滚刀下方力链集中区边缘的倾角变大。由此导致破坏倾向于倾斜向下发展,当刀间距增加时,破坏由切缝一侧倾斜破坏向两切缝中间岩脊倾斜破坏转变,研究结果可为TBM滚刀与水射流布置和切缝深度的选取提供一定参考。     

基于Drucker-Prager准则的扩孔器单齿正交切削岩土三维力学模型

扩孔器是定向穿越扩孔钻进阶段进行岩土切削的主要工具,合理的结构设计是提高扩孔时效、降低工程复杂问题出现几率的主要手段,且由于扩孔阶段是决定定向穿越工程工期的最主要阶段,因此,对扩孔器切削齿的切削效率进行深入研究是非常必要的。从单齿正交切削岩土的机制入手,综合考虑岩土与切削齿面之间的接触摩擦及岩土剪切区的剪切作用,分析了单齿正交切削岩土的力学特征,基于能够考虑中间主应力对岩土破坏影响的Drucker-Prager强度准则,推导了单齿正交切削岩土的主切削力与主切削力矩计算公式;在利用有限元计算程序对所推导公式进行验证的基础上,优选了剪切角计算模型,获得了不同岩土材料时的主切削力解析解,并分析了不同齿前角对主切削力的影响规律,从而获得单齿正交切削岩土的最优齿前角,为进一步研究扩孔器整体结构设计并针对不同岩土介质设计出适应性更强的扩孔器结构奠定基础。     

过江通道大直径盾构带压进仓查/换刀技术

大直径气垫式泥水平衡盾构机在不同地质条件长距离掘进中,都会对盾构机刀具产生不同程度的磨损,尤其在砂卵石为主的地层、石英含量超高岩层及上软下硬地层,盾构机刀盘、刀具更易磨损。为保证盾构机刀盘使用安全,需经常带压进仓进行刀具检查,对边滚刀、中心滚刀按不同磨耗标准进行更换。通过某过江通道带压进仓查/换刀工程实例,对大直径盾构带压进仓查/换刀施工工艺和方法进行总结。     

切槽对TBM刀具破岩机制的影响研究

高压水射流与机械滚刀相联合破岩技术的出现,改变了传统隧道掘进机（tunnel boring machine,简称TBM）的作业方式。以高压水射流在滚刀两侧岩体切槽的破岩模式为研究对象,开展常截面滚刀压头贯入不同预切槽深度白砂岩板状试样的试验和数值模拟计算分析,对破裂后图像进行DIC分析,研究发现：切槽的存在,阻断了刀具贯入裂纹的拓展,使能量能够更加集中于压头下方的局部岩石块体,有利于形成“八”字形贯通裂纹,促进岩石的破碎;随着槽深增加,压头下方岩石内部的应力状态和力学响应分区逐渐过渡改变。槽深较大时,压头下方的力学响应区域在原有裂纹扩展区、弹性区之间增加了破坏过渡区,该区域内微裂纹被压密,区域内岩石存在较大变形,但未出现明显破坏;切槽后,滚刀压头下方的岩体破坏机制由无切槽试样挤压剪切为主导的径向裂纹拓展,演变为由刀具和切槽共同控制作用—拉伸剪切为主导的主裂纹扩展。     

锥形聚晶金刚石复合片齿破岩特征与机制研究

锥形聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)齿是一种具有较强抗冲击性和耐磨性的新型PDC齿,在坚硬、强研磨性和软硬交错地层中取得了非常好的钻井提速效果。为了揭示锥形齿破碎硬岩机制,开展锥形齿破碎花岗岩试验与数值模拟研究,分析了切削深度和前倾角对锥形齿切削力和破岩比能的影响规律,采用高速摄像机和透明K9玻璃观测了锥形齿作用下岩屑形成过程及微裂纹萌生与扩展过程,通过数值模拟分析了破岩过程中岩石应力响应与损伤演化特性,结合对切削槽和大尺寸块体岩屑表面形貌及断口微观特征分析,建立了锥形齿破碎花岗岩机制模型。结果表明,锥形齿破碎花岗岩的过程可以分为挤压成核和块体崩裂两个阶段,前倾角对岩石破碎过程影响较小,切削深度的影响显著;锥形齿周围的裂纹主要由压实核、纵向裂纹和横向裂纹组成,纵向裂纹和横向裂纹扩展的最大深度分别为切削深度的6.69倍和4.53倍;齿尖周围压应力集中,岩石发生压剪破坏,压应力区外围形成弧形条带状拉应力区,并在齿尖及压应力区边界处诱导出拉伸微裂纹;微裂纹向齿前扩展形成弧形拉伸主裂纹,发生块体岩屑崩裂,提高破岩效率,向岩石内部扩展劣化...     

Improvement of Disc Cutter Performance by Water Jet Assistance

This article deals with the problem of assisting disc cutters by means of high-velocity jets of water, with the aim of increasing the excavation rate while improving the working conditions, with particular reference to wear. The results of an experimental research undertaken at the Waterjet Laboratory of the University of Cagliari on a medium–hard abrasive rock clearly show that a higher removal rate is achieved owing to the weakening action of a jet directed on one side of the disc, causing deeper penetration. This outcome is interpreted on the basis of the scale formation model, which explains why smaller scales are obtained on the water jet’s side of the groove. Accordingly, it is suggested that the results can be further improved if the jet is directed ahead of the tool along the same path, since, in this way, larger scales can be produced on both sides.     

PDC破岩条件下的岩石研磨性评价

岩石的研磨性是钻井过程中钻头的磨损预测及优化的重要因素。为了预测钻遇地层岩石的研磨性,建立了钻井过程中PDC复合片的磨损计算模型,从而得到了岩石研磨性的预测方法。首先,通过复合片与地层之间的受力分析并结合岩石的破碎条件,建立了不同钻压条件下地层对复合片的作用力计算模型。根据石英含量的概率密度分布情况,获得了岩石中参与磨损的颗粒与复合片底部的真实作用力。然后,根据PDC复合片磨损的几何原理,建立了地层对钻头复合片的磨损计算模型。通过室内实验对模型进行修正,分析了岩石各种属性对复合片磨损的影响规律,揭示了各参数影响复合片磨损的主次顺序依次为：弹性模量>石英含量>内摩擦角>表面粗糙度>泊松比>内聚力。基于该磨损模型建立了岩石研磨性评价指标,对制定了岩石研磨性的分级标准具有一定的借鉴意义。     

Full-scale linear cutting test in Chongqing Sandstone and the comparison with field TBM excavation performance

In this study, determination of some machine parameters and performance prediction for tunnel boring machine (TBM) are conducted based on laboratory rock cutting test. Firstly, laboratory full-scale linear cutting test is carried out using 432-mm CCS (constant cross section) disc cutter in Chongqing Sandstone. Then, the input parameters for TBM cutterhead design are extracted; some TBM specifications are determined and then compared to the manufactured values. Finally, laboratory full-scale linear cutting test results are compared with the field TBM excavation performance data collected in Chongqing Yangtze River Tunnel. Results show that laboratory full-scale linear cutting test results, combined with some engineering considerations, can be used for the preliminary and rough design of TBM machine capacity. Meanwhile, combined with some modification factors, it can also well predict the field TBM excavation performance.

     

Wear Performance of Saw Blades in Processing of Granitic Rocks and Development of Models for Wear Estimation

This study investigates the wear performance of diamond circular saw blades in cutting of granitic rocks. An alternative wear measuring method is developed to measure the reduced blade radius without taking the blade off the machine. The effect on and contribution to the specific wear rate (SWR) of each operating variable are determined, and the SWR is correlated with rock properties. Morphologies of wearing surfaces of segments and rocks are also evaluated using scanning electron microscopy (SEM). Depending on both operating variables and rock properties, prediction models are developed for estimation of the SWR. Results show that the SWR increases with an increase in the peripheral speed and the traverse speed, while it decreases with an increase in the cutting depth and the flow rate of the cooling fluid. The peripheral speed, and the microhardness and proportions of minerals such as quartz, plagioclase, and feldspar are statistically determined as the significant variables affecting the SWR. Finally, it is disclosed that models developed for estimation of SWR have great potential for practical applications.     

基于颗粒流模型的TBM滚刀破岩过程数值模拟研究

为了研究全断面岩石掘进机（TBM）盘型滚刀的破岩机制及其影响因素,采用颗粒流方法建立了岩石与滚刀的二维数值模型,实现了对TBM滚刀破岩过程的模拟。分析表明,滚刀的破岩过程可分为冲击挤压破碎、大量微裂纹生成、张拉性主裂纹扩展3个阶段,证实了滚刀破岩的挤压-张拉破坏理论。在滚刀侵入深度相同的前提下,随着刀圈刃角以及刃宽的增加,滚刀下的压碎区也相应增大,张拉性主裂纹数目增多,滚刀的破岩能力提高;与平刃刀圈相比,楔刃刀圈的“楔块劈裂”作用更加显著,使径向裂纹扩展得更快且更深入岩石内部。TBM滚刀对强度较高或较低岩石的破坏损伤较小,而对中等强度的岩石破坏损伤最为显著。     

沟床起动型泥石流的10 min降雨预报模型

针对沟床起动型泥石流的诱发因素为高强度短历时的降雨,提出10 min降雨强度是这类泥石流暴发的关键。在1 h预报模型的基础上,基于云南蒋家沟的多年泥石流观测资料,修正了1 h预报模型的降雨参数,并得到了10 min降雨预报模型。10 min降雨预报模型在中国西部的其他流域,如云南浑水沟、贵州望谟县打易区域泥石流沟、四川三滩沟、四川雅安陆王沟和干溪沟、甘肃柳湾沟、甘肃马槽沟等流域的验证中,取得了较好的结果。10 min降雨预报模型是部分建立在泥石流的形成机理上的模型,并不是完全的统计模型,因此该模型也可以用于其他地区的沟床起动类型泥石流预报。     

岩体不连续面迹长与直径间的概率关系模型分析

由于“随机”概念的模糊性,在假定不连续面为薄圆盘及弦长作为迹长的前提下,基于迹线端点在圆周上均匀分布、迹线中点在直径上均匀分布、迹线中点在圆面域内均匀分布这3种明确而又不同的“随机”含义,可以得到3种合理的迹长 与直径 间的概率关系模型。通过对这3种模型进行分析认为：其在各自的“随机”含义下都是正确的,只是适用条件各异;野外实际可行的条件是介于模型2 和模型3之间的,合理地分析应该同时考虑这两种模型。在实际应用中,应该首先对所有取样面产状之间的关系进行分析,根据其结果来分配给模型2和模型3以某种权重,这样得到的迹长与不连续面直径之间概率关系更具合理性,其结果弥补了目前国内外进行的相关研究仅仅考虑到第2类模型的不足。     

基于PSONN的大坝监控实时预报模型

将粒子群算法（PSO）引入大坝监测领域,提出一种基于粒子群神经网络（PSONN）的大坝监控预报模型。该模型充分发挥PSO的全局寻优能力和BP神经网络局部细致搜索优势,给BP神经网络提供了良好的初始权值。对逐一粒子群（SPSONN）、整体粒子群（WPSONN）、逐一BP（SBPNN）及整体BP（WBPNN）4种预报模型的对比分析表明：逐一预报模型（SPSONN和SBPNN）的预报精度明显高于对应的整体预报模型（WPSONN和WBPNN）的预报精度;与BP神经网络模型相比,PSONN模型不仅收敛速度明显加快,而且预报精度也有较大提高,尤其是SPSONN模型,其高精度和短历时性完全满足实时预报的需要,可以准确、有效地应用于大坝监测量的实时预报。