TBM双滚刀间距及入岩次序对破岩效果影响研究

TBM滚刀位置布置对于TBM掘进效率极为重要,为研究TBM双滚刀间距及入岩次序对破岩效果的影响,利用二维离散元颗粒流软件(PFC2D)建立TBM双滚刀破岩模型,对TBM破岩过程中裂纹的扩展、岩石破坏形式、岩片面积、破岩比能、滚刀推力等变化进行了模拟分析。结果表明:(1)滚刀间距对于破岩效果具有较为明显的影响。间距过小时,滚刀间形成的岩片过于粉碎,滚刀间距过大,相邻滚刀形成的裂纹无法贯通,滚刀之间形成岩脊。间距不同破岩比能不同,存在最优滚刀间距现象。(2)滚刀入岩次序影响破岩效果。前后滚刀对于岩石的损伤深度和范围不同,同时破岩时左右滚刀所需垂直力较为接近,顺次破岩时后滚刀所需垂直力平均值小于前滚刀。相同滚刀间距下顺次破岩比能高于同时破岩时的比能,破岩效果将低于同时破岩情况。研究成果可为TBM滚刀布置设计提供一定参考。     

不同岩性下TBM滚刀破岩过程离散元分析

为了研究全断面岩石掘进机(TBM)的滚刀在不同岩性下的破岩机理,将考虑胶结尺寸的微观接触模型植入离散元软件,模拟了4种岩性下不同滚刀刃数的破岩过程,探究岩性、滚刀刃数对破岩效率的影响。模拟结果表明:不同滚刀刃数下的破岩过程可以分为3个阶段,即加载阶段、卸载阶段及残余跃进阶段;胶结破坏类型主要呈拉剪破坏与压剪破坏两种;滚刀破岩过程中受到的阻力可以用峰值法向推力表示,阻力大小取决于岩性,破岩阻力随着岩石单轴抗压强度的增大而增大;通过胶结破岩比能耗来评价破岩效率,对于坚硬岩,三滚刀破岩效率最高,对于强度较低的岩石,采用单滚刀破岩效率更高。     

基于不同岩石破坏方式的滚刀效率评价模型研究

目前对TBM滚刀破岩效率评价大多采用量化计算破岩比能(ηse)的方法,其中岩石破碎体积为影响破岩比能的关键因素,岩石在滚刀作用下的破坏体积与其破坏方式关系密切。为此,结合岩石不同破坏方式,讨论了岩石破碎体积的一种简易实用的计算方法。基于岩石破坏过程中以剪切破坏和张拉破坏为主的特性,提出了以岩石破坏时裂纹长度与剪切面在岩石自由表面投影长度以及滚刀刀刃宽度之间的关系来识别岩石破坏方式,在此基础上计算岩石破碎体积,结合CSM预测模型,推导出一种破岩比能水平量化计算方法。通过实例对该方法进行计算验证,分析了破岩比能(ηse)与刀间距(S)、刀具磨损量(w)之间的关系,得出了ηse-S曲线与ηse-w曲线,表明存在最优刀间距,且随着磨损量增大,比能值也将增大。所述的预测模型能够对TBM破岩时刀间距的优化、刀具的更换提供理论依据。更多还原     

围压对岩石裂纹扩展影响的颗粒流模拟研究

采用颗粒流数值软件PFC模拟预设单裂隙岩石在双向压缩状态下裂纹的扩展过程和特征。首先利用黏聚颗粒模型建立岩石试样,并在岩石试样中预置非贯通单裂隙;为研究围压对岩石裂纹扩展的影响,分别在5种围压作用下对预设裂隙岩石进行双轴压缩试验。结果表明在围压为0(单轴压缩)时,翼裂纹扩展方向与预设裂隙基本垂直,随着加载进行沿着主压力方向扩展,而当围压增加时,翼裂纹扩展方向与预设裂隙的交角增大,且长度变短直至围压到达一定值后不再发育;次生裂纹的扩展方向不仅与材料的性质有关,同时受到围压值的影响;围压增大对张性裂纹扩展产生限制,并促进剪性裂纹的扩展和合并,且最终剪切破坏面的宽度随着围压的增大而增大;次生裂纹可以由拉应力产生,但其进一步发育和扩展受到剪应力的控制。     

关埠引水隧洞超高强度岩石TBM刀具选型及布置

榕江关埠引水工程输水隧洞采用双护盾TBM掘进机施工,隧洞围岩大部分为弱风化—微风化花岗岩,围岩坚硬完整、岩石强度高(最高强度达190～230MPa)。刀盘是TBM重要部件,刀盘设计的合理性对提高TBM掘进效率,降低施工成本起着决定性的作用。通过对隧洞岩石强度以及滚刀破岩机理综合分析,初步确定刀具形式、滚刀间距、滚刀直径等刀盘参数,为硬岩掘进创造基本条件;通过对滚刀启动扭矩及单刀承载力等的分析,对刀盘初期设计参数进一步优化,适当增加滚刀数量,提高了TBM的掘进效率。     

TBM刀盘及滚刀施工机理试验研究

为进一步丰富并探索TBM刀盘及滚刀破岩与受力特征施工机理,结合TBM掘进工程实践进行了全面试验研究。结果表明:贯入度与刀盘推力及滚刀径向力间均呈二次抛物线关系,加大刀盘推力及滚刀径向力,增大贯入度有利于降低破岩能耗;刀盘振动基频与平均振幅较低,最大振幅相对较大,与滚刀破岩机理相一致。盘型滚刀破岩机理具有剪切破坏特征。双刃滚刀径向破岩峰值力远超刀盘总推力分配均值,峰值力较均值增大较多;正滚钝刀贯入度相同时,由是削破碎大块岩体而在能耗上更为经济,适当加大滚刀尖角有利于破岩增效及延长刀具寿命。试验研究成果全面、可靠,对刀盘及滚刀研发与优化技术改造具有重要意义。     

孔、围压作用下断续单裂隙岩石破坏数值模拟

采用岩石破裂过程分析系统,研究了围压、孔压对含不同单裂隙分布脆性岩石的破坏影响规律,分析了岩样的裂纹扩展特征。结果表明：断续单裂隙的岩石力学性能显著低于完整岩样,但降低程度与裂隙参数密切相关,随着裂隙长度增加,岩石力学参数均呈降低趋势,而随着裂隙倾角的增加,峰值强度以及峰值应变均呈先减小后增加的趋势,且这种规律不受围压与孔压的影响;围压对岩石峰值强度有强化作用,但同等围压时,孔压对岩石峰值强度有弱化作用;裂隙长度越小或裂隙倾角越大的岩样,其裂纹扩展特征越不明显,且扩展过程受围压与孔压影响显著。研究结论对于认识具有断续节理裂隙岩体的变形破坏机理具有参考价值。     

正、偏楔形盘形滚刀破岩作业载荷对比研究

盘形滚刀是全断面岩石掘进机(TBM)上的关键核心部件,其与岩石的相互作用直接影响TBM的掘进效率和工程成本。研究发现盘形滚刀外形对其与岩石的相互作用有较大影响。论文首先建立了正楔形盘形滚刀作业对象岩石的Drucker-Prager弹塑性模型和正楔形盘形滚刀与其相互作用模型,并用罗科斯巴勒盘形滚刀破岩力预测理论对所建模型进行了验证;以此为基础,论文还建立了偏楔形盘形滚刀与其作业对象岩石的相互作用模型,并分别模拟研究了正楔形盘形滚刀和偏楔形盘形滚刀与岩石的相互作用,从而发现正楔形盘形滚刀在不同安装半径和切深条件下的垂直力、侧向力和滚动力都大于偏楔形盘形滚刀,且偏楔形盘形滚刀在小安装半径和大切深条件下,其破岩载荷较正楔形盘形滚刀减小量较大。论文研究结论为偏楔形盘形滚刀设计理论的工程应用提供了重要参考。     

刀具破岩机制研究现状及发展趋势

在分析大量文献的基础上,从理论模型、物理试验和数值模拟三个方面,对近些年国内外刀具破岩规律研究进展情况进行归纳和总结,并对各种研究方法的适用性、优缺点进行了评述,侧重论述了数值模拟研究进展,探讨了当前研究热点问题,包括节理岩体中的破岩规律、开裂准则、动力破岩和三维数值模拟研究等。总体来看,有关刀具破岩机理的研究取得了长足进展,尤其是数值计算从不同层次上揭示了刀具破岩机制,包括滚刀作用下岩石裂纹扩展规律、滚刀与岩石的相互作用力学模型、材料力学参数、滚刀作用方式、围岩地应力以及刀具几何参数等因素对破岩效率的影响,数值计算方法极大地促进了刀具破岩规律的深入研究;最后总结了当前刀具破岩受力模型、动态加载与三维模拟等面临的挑战问题。     

硬岩隧道掘进机滚刀破岩性能评价研究

为了提高TBM的掘进效率和地质适应性,对TBM滚刀破岩性能评价指标选取及TBM滚刀破岩性能评价方法进行了研究。通过文献阅读及专家调查,最终选取影响TBM滚刀性能的13个指标建立滚刀破岩评价体系;用改进群层次分析法（IGAHP）和基于指标相关性法(CRITIC)对评价指标进行权重计算。基于文献分析确定了13个评价指标的隶属函数,运用模糊综合评判方法,计算TBM施工破岩性能隶属矩阵,确定TBM滚刀破岩性能等级。对新疆某引水隧道4个区段进行滚刀破岩性能评价并与实际施工情况进行对比分析。结果表明：该模型的评价结果基本符合实际情况,所提出的评价方法是可行的。该方法可为TBM选型和滚刀设计优化提供指导。     

引汉济渭工程秦岭隧洞TBM的刀具选型试验

引汉济渭工程秦岭输水隧洞TBM施工遭遇超硬岩石,在试掘进阶段进度严重滞后于合同计划指标。为了减少刀具更换时间、促进施工进度,将刀具选型试验作为突破口。通过利用各厂家提供的刀具进行TBM试掘进,将每家2把刀具交叉安装在相应刀位上,在试验过程中进行磨损量测试、岩石抗压强度测试。从这两项指标定量分析刀具选型,结合过渡区域刀具磨损量及速率、面刀区域刀具磨损情况、整刀使用寿命、极限磨损情况、2 km试掘进阶段刀具消耗情况,综合评价各类型刀具性能。结果表明,受掌子面平整度、岩石强度及石英含量影响,不同部位的磨损量、变形都存在较大差异,尤其不同处理工艺的刀具,其耐磨值和稳定性决定着TBM的掘进速度。研究成果对超硬岩隧洞TBM刀具的选取具有一定的参考价值,也对刀具材料的研究提供了基础数据。     

花岗岩脆延破坏过程声发射与损伤特性模拟研究

为了研究花岗岩脆性和延性破坏过程的声发射特性和损伤演化机制,通过花岗岩单轴试验和颗粒流程序进行了不同围压试验,获得了花岗岩破坏过程中的声发射曲线并再现了内部损伤演化过程。试验结果表明:花岗岩脆延破坏分界围压约为100 MPa;花岗岩脆性破坏时最大声发射强度的滞后效应受围压影响显著,围压越大滞后效应越不明显,延性破坏时最大声发射强度与峰值应力同时出现,滞后效应消失。花岗岩脆性破坏声发射曲线为单峰型,延性破坏声发射为平缓曲线。脆性破坏花岗岩内部严重损伤区少且分布集中,损伤区裂隙发展方向单一,延性破坏内部损伤区多且遍布整个试样,损伤区裂隙主要沿2个相互正交方向发展;花岗岩破裂角随围压增大逐渐减小,由低围压下的破裂面转变为高围压下的破碎带,低围压脆性破坏花岗岩被破裂面切割成数块,高围压下延性破坏呈粉碎性状态。     

基于室内试验与数值模拟的煤岩围压效应研究

为研究不同围压下煤岩的变形破坏特征,对0、8、16、25 MPa 4种不同围压下的煤岩采用MTS 815岩石力学实验和RFPA 2D数值模拟软件展开应力应变特征、强度特征、声发射特征等研究,旨在揭示不同围压作用下煤岩的围压效应。结果表明:围压对煤岩的变形破坏特征影响显著,随着围压的增大,煤岩最大抗压强度线性增大,煤岩逐渐由脆性破坏向延性破坏转变,破坏形态以单轴压缩下的压剪-劈裂破坏和三轴压缩下的剪切破坏为主;煤岩强度特征参数随围压增大而增大,弹性模量随围压增大呈非线性增大,围压越大,则塑性应变越大,残余应变增大;声发射现象在煤岩单轴压缩状态下十分强烈,但随着围压的升高,声发射现象、应变能释放等声发射特征参数均趋于稳定; RFPA可再现煤岩在不同围压下裂纹萌生、扩展至完全破坏的渐进破坏过程,模拟结果与室内试验耦合度较好,验证了数值模拟的可靠性。     

TBM采用大直径滚刀掘进的优越性

扼要地介绍了挪威硬岩TBM掘进速度与刀具磨损的研究成果及大直径滚刀在大伙房水库输水工程中的应用情况。研究和实践都表明,采用大直径滚刀掘进的优越性在于:大直径滚刀推力大,破岩能力强,掘进速度快;降低刀具损耗,进而降低工程成本;延长刀圈寿命,减少掘进过程中的换刀频次,从而提高TBM的利用率。采用大直径滚刀是大断面硬岩TBM的发展方向。     

离散元颗粒集合的应力路径相关性研究

天然岩土在受荷过程中会经历不同的应力路径,应力路径相关性是岩土材料的一项基本特性。目前尚无明确研究证实离散元颗粒集合也同样具备应力路径相关性,在一定程度上影响了用离散元方法模拟天然岩土的可靠性。针对这一问题,采用PFC2D离散元软件搭建具有粒间胶结效应的颗粒集合,通过自定义Fish语言开发出能模拟不同应力路径的双轴压缩程序,对离散元颗粒集合进行了多组双轴压缩试验模拟。试验结果表明:离散元颗粒集合同样具有应力路径相关性。在相同颗粒黏结强度及不同初始围压的条件下,围压变小的应力路径比围压不变的应力路径使离散元颗粒集合达到的峰值强度更小。在不同应力路径影响下,离散元颗粒集合在强度特性、破坏特性上都表现出一定的差异性,其结果与真实岩土材料的室内试验结果相似,说明离散元颗粒集合同样具备应力路径相关性,可用来模拟天然岩土材料。     

含石量对砂卵石土的颗粒破碎及强度与变形的影响研究

为探究含石量对不同围压下砂卵石土的颗粒破碎及抗剪强度与变形特性的影响,利用室内大型三轴试验仪开展了固结排水剪切试验。试验设计了0~100%之间5级含石量,在0.5 MPa、1.5 MPa、2.5 MPa三种不同围压条件下进行固结排水三轴剪切试验。基于试验结果,分析了含石量及围压对砂卵石土抗剪强度和剪胀、剪缩特性的影响,并分析了相应的颗粒破碎情况。试验结果表明,在相同含石量下,砂卵石土抗剪强度随着围压的升高不断增加,体变初期表现为明显剪缩,之后剪胀性随围压升高而降低,颗粒破碎率随围压升高而增加;在相同围压下,含石量在50%~75%时,颗粒破碎率最大,并出现最大抗剪强度,而围压越高,试样剪胀越不明显。