全断面岩石掘进机滚刀最优刀间距计算公式研究

基于剪切与张拉破岩机制,提出拉剪综合失效机制假设;建立了非协同切削与协同切削体积模型,推导了协同切削模式的滚刀比能耗理论模型;通过离散元仿真得到滚刀侵入岩石裂纹长度与贯入度的映射关系;推导出滚刀最优刀间距理论公式;以全断面岩石掘进机（TBM）回转切削试验台为基础,水泥模拟料为切削对象,通过多次压痕试验得到滚刀贯入度和岩石裂纹长度的趋势曲线,验证了仿真结果;通过滚刀滚动破岩进行了12组不同贯入度与刀间距的物理切削试验,统计滚刀做功与岩石破碎体积,拟合得到比能耗关系曲线,验证了最优刀间距理论公式的结论。研究表明：TBM滚刀最优刀间距计算公式综合考虑了岩石特性与滚刀结构特性,适应性较广泛;刀间距超过滚刀协同工作距离时,滚刀破岩以剪切破碎为主;刀间距小于2倍岩石裂纹长度时,张拉破碎的影响更加明显;随着贯入度的增加,最优刀间距逐渐增大,而最优滚刀间距S与贯入度P之比（S/P）值则逐渐减小。     

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。     

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。     

复合岩层中滚刀旋转切割破岩效率试验研究

TBM掘进经常遇到复合岩层,在该地层中施工对滚刀破岩非常不利。为了提高掘进效率,降低工程造价,开展复合岩层滚刀破岩效率研究很有必要。鉴于此,采用滚刀岩机作用综合试验台对砂岩、花岗岩复合(复合比例为4(25) 6)而成的岩层进行5组刀间距下3种贯入度的3把滚刀同步旋转切割试验;试验过程中监测破岩总法向力、总扭矩,并分别收集两种岩石的岩渣进行筛分、称重;依据试验结果分析不同刀间距、贯入度下的法向力、扭矩及比能的关系。研究表明:不同刀间距时,平均法向力、平均扭矩随贯入度的增加而增大但两者的增加趋势不同,即平均法向力随着贯入度的增加几乎呈直线增大,而平均扭矩随着贯入度的增加其递增趋势减小;不同贯入度下存在不同的最优刀间距;砂岩、花岗岩切割轨迹长度比例为4:6时刀间距与贯入度的比值在14左右,破岩效率最高。     

基于MatDEM的TBM滚刀破岩机理研究

全断面隧道掘进机(TBM)以其高效、安全、环保等诸多优势被广泛地应用于隧道工程建设中,其中滚刀破岩机理是TBM设计阶段和施工阶段的核心问题。由于岩石与滚刀相互作用时会发生断裂破碎,离散元法(DEM)成为研究滚刀破岩机理的有效手段,但采用一般离散元软件构建的模型尺寸相对较小,且多简化为二维侵入问题,尺寸效应明显。采用基于离散元法的MatDEM软件构建滚刀破岩大尺寸三维模型,模拟真实滚刀破岩过程。采用团簇单元模拟刚性滚刀,实现双滚刀在不同条件下的破岩动态过程。监测破岩过程中滚刀的受力特征,计算分析不同刀间距/贯入度比(S/P)下的滚刀受力模型和比能变化。模拟结果表明,滚刀破岩时的滚刀力是一种复杂无规律的冲击荷载,其值与滚刀切割参数、岩石性质等因素有关;贯入度和刀间距的增加导致滚刀需要更大的力来破碎岩石;对于一种岩石材料,存在最优刀间距/贯入度比值,使得破岩比能最小;MatDEM软件能较好模拟滚刀的破岩过程,与室内线性切割试验相结合,有利于深入、全面地探索滚刀破岩机理。     

利用近场动力学方法模拟隧道掘进机滚刀三维贯入破岩

近场动力学方法是一种非局部无网格数值方法,在模拟固体的动力损伤断裂方面具有优势,首次提出采用近场动力学方法模拟隧道掘进机（tunnel boring mechine,简称TBM）滚刀三维贯入破岩,并模拟了7组试验来验证。通过模拟压头贯入试验,展示了近场动力学方法模拟刀具贯入破岩的可行性。同时,提出了非线性短程力接触模型,证明了该接触模型可以较好地反映TBM滚刀法向力随贯入深度的变化趋势,还能够反映滚刀在贯入过程中与岩石接触面积的变化情况。利用所提非线性短程力接触模型模拟了5组不同围压作用下的TBM滚刀三维贯入试验,并与试验结果比对。模拟结果表明,提出的接触模型能够计算滚刀峰值力随不同围压的变化,并且可以得到合理的岩石表面破坏形式。近场动力学方法使用简便,仅需要两个标定参数便可以模拟TBM滚刀三维贯入破岩,具有实际工程应用前景。     

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。     

楔刀作用下岩石微观劣化的试验研究

通过改装RMT-150C系统,使用不同刃角的楔形刀具对花岗岩进行贯切试验,利用DISP声发射测试系统进行声发射的定位特征分析,研究岩石在楔形刀具作用下损伤劣化破坏的全过程。试验结果表明：声发射试验是一种研究TBM滚刀破岩微观机制的有效方法,脆性岩石材料的破坏过程是内部微裂纹的萌生和扩展过程的宏观反映;在楔刃刀具匀速贯入时,声发射信号随着荷载的变化呈一定对应趋势的变化,荷载-贯入度曲线能反映试件内的损伤历程;声发射2D定位结果显示,在岩石破碎区的密实核下方存在“损伤核”,它由微震裂源增生丛聚分布形成,核内劣化程度高,是孕育密实核的场所,为TBM滚刀作用下岩石的宏观破裂现象提供了解释和依据;楔刀跃进式的挤压贯切岩板试件,钝刃刀具产生“球状”损伤核,尖刃刀具产生“水滴状”损伤核,钝刃刀具贯切试件产生更深的贯入度和更宽的损伤核,致使试件中不仅破碎深度大,而且破损范围广,破岩效果优于尖刃刀具。     

TBM滚刀破岩过程影响因素数值模拟研究

全断面岩石掘进机（TBM）的破岩效率主要受刀盘设计和岩体特征的影响。采用颗粒流方法建立了岩石试件与滚刀的数值模型,对TBM滚刀破岩过程的影响因素进行了分析。研究表明,单刃滚刀交替作用下强度较低的岩石中易形成规则的张拉裂纹而生成较大岩碴;强度较高的岩石中滚刀的侧向挤压促使形成块度较小的片状岩碴;双刃滚刀作用下岩石表面受到强烈挤压后出现较大的拉应力,使岩石更易破碎,且仅在强度较高的岩石中才易形成透镜状岩碴。滚刀破岩过程中存在能耗最小的最佳间距,该最佳间距随着岩石强度的增大而减小。滚刀破岩过程中,结构面对裂纹扩展具有显著的控制性作用,并阻隔损伤向结构面下的岩石中渗透;随着结构面与滚刀侵入方向夹角的减小,结构面将引导裂纹向岩石深部扩展,而当夹角较大时,结构面则会引导裂纹横向扩展,易导致大块岩碴的形成     

激光辅助TBM盘形滚刀压头侵岩缩尺试验研究

为了验证高能激光技术能够辅助隧道掘进机(tunnel boring machine,简称TBM)盘形滚刀（以下简称滚刀）实现高效破岩,以滚刀破岩过程中基本的运动形式——侵岩为研究对象,参照17 inch（432 mm）工程用滚刀,按1:8的比例制备了缩尺比例滚刀压头（以下引述为滚刀压头）,开展了以孔孔距（2、3、4、5 mm）、刀孔距（3、4、5、6、7 mm）为变量的激光辅助滚刀压头侵岩L20(4×5)正交试验以及无激光作用的对照组试验。试验研究结果表明：随着刀孔距的增加,滚刀压头的破岩量与岩石破碎块度均增加,而垂直力和比能耗均降低,最优刀孔距为6 mm;随着孔孔距的增加,破岩量、垂直力和岩石侵入难度系数均降低,而岩石破碎块度和比能耗均增加,最优孔孔距为3 mm。与传统滚刀回转滚压破岩方式相比,在激光辅助作用下,可促进岩石张拉裂纹的产生,提高了滚刀侵岩效率。所提出的激光辅助滚刀耦合破岩模式在未来TBM极硬岩层隧道掘进中具有一定的应用前景。     

岩石节理倾角和间距对隧道掘进机破岩特性影响的试验研究

为了研究岩体节理参数（节理间距和节理倾角）对全断面岩石掘进机（TBM）盘形滚刀破岩效果的影响,对实际条件进行简化,在改进的试验装置上进行压头作用下相似材料的变形、破坏试验。采集整个加载过程中压头的侵入深度和荷载数据,并采用相机实时拍摄,获得试件表面破坏的发展过程以及最终破坏形态。试验结果表明,当节理倾角一定时,随着节理间距增大,达到跃进点的贯入荷载值增加,侵入功以及主裂纹扩展能量也都呈增大趋势,当 =0°、90°时,抗侵入系数基本一致,当 = 30°、60°时,抗侵入系数逐渐增大。当节理间距一定时,随着 角度的增加,跃进点荷载、抗侵入系数、侵入功以及主裂纹扩展能量都呈现先减小后增大趋势,在 =30°时,各值都为最小值。根据试件破坏后形态分析发现,节理的空间特征对裂纹扩展模式有明显的控制作用,对破坏区域的形成也有明显的限制。     

基于新表面理论的TBM破岩效率评价指标

岩碴是岩-机作用的直接产物,也是评价隧道掘进机（TBM）破岩效率和优化TBM掘进参数的有效指标。依托兰州水源地建设工程和龙岩万安溪引水工程,开展不同岩性条件下TBM岩碴筛分试验,得到了岩碴粒径分布规律。基于新表面理论,从滚刀破岩能量转化角度出发,提出了一种新的TBM破岩效率评价指标。基于岩碴粒径分布规律和TBM掘进参数统计,探讨了新表面理论指标与比能、岩碴粗糙度指数之间的关系,指出了新表面理论指标在反映岩碴破碎程度和评价TBM破岩效率方面的优势。对新表面理论指标与TBM掘进推力以及刀间距s与贯入度p的比值进行回归分析,得到了硬岩（围岩等级为Ⅱ级）和软岩（围岩等级为III级）掘进条件下的TBM最优掘进推力和s/p取值区间。研究表明：（1）新表面理论指标符合岩石破碎学原理,可准确评价TBM破岩效率。岩碴越是破碎,新表面理论指标越大,掘进能耗越高,此时TBM破岩效率相对较低。（2）新表面理论指标与比能、岩碴粗糙度指数均具有良好的线性相关关系。岩碴越是破碎,破碎单位体积岩石的能量消耗越大,新表面理论指标越大,对应的粗糙度指数越小。软岩掘进条件下TBM掘进比能低于硬岩,而岩碴破碎程度高于硬岩。（...     

Discrete element modeling of tool‐rock interaction I: rock cutting

Tool‐rock interaction processes can be classified as indentation or cutting depending on the direction of motion of the tool with respect to the rock surface. The modes of failure induced in the rock by an indenting or a cutting tool can be ductile and/or brittle. The ductile mode is associated with the development of a damage zone, whereas the brittle mode involves the growth of macrocracks. This is the first part of a series of two papers concerned with an analysis of the cutting and the indentation processes based on using the discrete element method. In this paper, numerical simulations of the cutting process are conducted to reproduce the transition from a ductile to a brittle failure mode with increasing depth of cut, which is observed in experiments. The numerical results provide evidence that the critical depth of cut d _* controlling the failure mode transition is related to the characteristic length ? = (K_Ic ∕ σ_c)² with K_Ic denoting the material toughness and σ_c its unconfined compressive strength. The nature of frictional contact between the cutter face and the rock in the ductile failure mode is also examined. It is shown that the inclination of the total cutting force is controlled by a multi‐directional flow mechanism ahead of the cutter that is related to the formation of a wedge of failed material, intermittently adhering to the cutter. As a result, the inclination of the total cutting force varies with the rake angle of the cutter and cannot be considered an intrinsic measure of the interfacial friction between the cutter and the rock. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

The Derivation and Validation of TBM Disc Cutter Wear Prediction Model

The problem of disc cutter wear is inevitable when shield or TBM excavating hard rock for a long distance, thus, the study of disc cutter wear model has an important project value on predicting its service life and replacement opportunity. It is put forward by analyzing disc cutter wear mechanism that the main wear form is abrasive wear, which is based on plastic removal mechanism. Then, disc cutter wear rate and linear wear rate prediction models are obtained by approximate calculation and mathematical deduction, which are based on Rabinowicz equation and CSM model. At last, the two models are verified through field test data from three projects, and the results show that the prediction model can accurately reflect the real wear situation of disc cutter.     

截齿破岩机制及截线间距优化试验研究

根据截齿侵入岩石的断裂特征和相关试验数据,分析了破岩机制及不同截线间距对破岩效果的影响。在单刀旋转截割试验平台上,以不同切削深度和截线间距进行组合试验,并结合比能耗、粗度指数及截割载荷3个评价指标,对截线间距进行优化,研究截割该类型砂岩时截线间距与切削深度的最佳比值。试验结果表明,岩石在单齿旋转截割作用下的破碎过程大致可以分为初始压碎区细粒岩屑生成、密实核形成并储能、各向裂纹的扩展与连通、断裂体崩落、二次压碎区细粒岩屑生成5个阶段,且岩屑的断裂是以拉伸为主并伴随着挤压和剪切的共同作用;在最佳截割条件下,粗度指数较高,岩屑成块率增加,且比能耗低。通过分析岩石破碎过程及对截线间距的优化,可为掘进机破岩机制研究及截齿布置提供参考。