TBM滚刀破岩的广义粒子动力学数值模拟

提出了一种新的无网格数值模拟计算方法--广义粒子动力学法(GPD),并在GPD算法中引入了粒子损伤理论。运用GPD方法,建立了TBM单滚刀、双滚刀作用下的完整岩体破岩模型,成功模拟了TBM滚刀破岩过程。通过与数值模拟结果及室内试验结果的对比分析,验证了GPD法模拟TBM滚刀破岩过程的有效性。同时,运用GPD方法建立了含节理岩体及高围压条件下岩体的TBM滚刀破岩模型,研究了节理及围压条件下TBM滚动破岩过程。得到了节理对TBM滚刀破岩效率的影响,既可能是促进作用又可能是抑制作用,高围压对TBM滚刀破岩过程中裂纹的起裂及扩展和破岩深度有较大的影响。     

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     

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。     

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。     

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。     

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。（...     

钢粒子迟滞重复冲击破岩硬岩损伤破裂特征研究

粒子冲击辅助破岩技术凭借其快速、高效等优点,对硬质岩体有着较好的破岩效果。通过粒子冲击试验和离散元模拟相结合的方法研究单、双粒子冲击速度、双粒子间距等因素对高强度花岗岩表面、三维及剖面形貌特征的影响,探寻冲击坑深度、冲击坑体积及冲击坑表面面积随冲击参数的变化规律,统计粒子冲击破岩裂纹的分布规律,并且从能量吸收率的角度评价双粒子迟滞冲击破岩的效能。结果表明：冲击坑深度与冲击速度呈正相关;随着粒子间距的增大,冲击坑由相交逐渐相离,形貌随之变化,冲击坑体积随之减小,而冲击坑表面面积增大;通过模拟发现,裂纹主要分布在斜长石与钾长石的晶界处,以拉伸破坏为主;当选用5 mm直径的钢粒子破碎强度200 MPa左右的极坚硬花岗岩时,双粒子迟滞冲击破岩的能量吸收率曲线随粒子冲击速度增大趋于平缓,在双粒子迟滞冲击破岩的粒子间距为8～10 mm且冲击速度400 m/s左右时能达到最佳的冲击辅助破岩效果。     

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。     

岩体强度对牙轮单齿作用下破碎坑的体积及形态影响研究

借助连续-非连续单元法(CDEM),对牙轮钻单齿压入破岩的机制进行了探讨,研究了加载过程中破碎体积及破碎坑的演化规律,分析了岩体凝聚力和内摩擦角对单齿破岩体积及破碎坑形态的影响。数值计算结果表明,破碎坑基本上呈半椭球体,其宽深比仅受内摩擦角控制,随着内摩擦角的增加,破碎坑的宽深比减小。破碎坑的宽度、深度及单齿破岩体积可用齿压F、钻齿半径r、凝聚力c及内摩擦角? 表征,基于数值计算结果给出了破碎坑的宽度、深度及单齿破岩体积定量表述的公式;基于相关理论公式,考虑各个同时与岩石接触的几个齿轮对岩石的损伤是相互影响的,引入单齿破岩体积的修正系数,建立了牙轮钻的工作参数（轴压、转速、进尺速度等）与岩体凝聚力及内摩擦角的函数关系。在鞍千矿南采区进行了牙轮钻随钻测试的现场试验,获得了不同岩性下的单齿破岩体积,并就近取样测试了岩体的凝聚力及内摩擦角。当修正系数取0.363时,现场测试结果与基于数值计算得到的单齿破岩体积基本一致,从而证明了数值计算及相关理论推导的正确性。研究成果可以为岩体强度的动态测试提供依据。     

单齿冲击作用下破岩机制分析

研究牙齿冲击下破岩机制是提高冲旋破岩效率的理论基础,目前对牙齿低速冲击下的岩石力学研究主要集中在仿真和试验,因此,有必要研究牙齿低速冲击下的破岩机制。首先分析了单齿冲击下岩石破碎坑的形貌,提出了分区建立物理模型和力学模型。考虑到单齿冲击的低速条件和岩石围压效应,得到修正的球形空腔膨胀理论,推导了岩石破碎坑的密实区、开裂区、弹性区3个区域的应力与位移解析解。利用Matlab对各区域解析解进行数值求解,得到了围压、质点运动速度以及岩石物理性质参数等对破碎坑各区域无量纲应力和位移变化的影响,采用仿真试验验证结果的正确性。该模型不仅解释了岩石破碎坑的形成,而且也提供了一种分析牙齿冲击破岩力学模型。