TBM边缘滚刀破岩机理的数值研究

为研究刀刃角和不同被切削材料对全断面硬岩掘进机（TBM）边缘滚刀破岩机理的影响规律,基于二维离散单元法,利用UDEC仿真软件建立了一系列边缘滚刀破岩数值模型,对边缘滚刀作用下被切削体内部裂纹生成、扩展和破碎过程进行数值模拟。仿真结果表明：张拉破坏是滚刀破岩时裂纹生成与扩展的主要原因;对于不同刀刃角的边缘滚刀接近弧面下端的斜裂纹长度要比弧面上端的长;大理岩裂纹扩展能力和破岩效率均随刀刃角的增大先增大后减小,因此对于硬岩刀刃角不宜过小也不宜过大;随着被切削材料强度增大,裂纹扩展越不充分,裂纹扩展能力和破岩效率均降低;与其他材料相比,TBM边缘滚刀对大理岩破坏损伤范围最小,破岩效率最低。最后通过实验和工程数据验证了仿真方法的正确性和可行性。     

TBM双滚刀破岩过程模拟及刀圈结构设计

为研究TBM盘形滚刀作用下岩石的破碎过程及刀圈结构参数对破岩过程的影响,利用离散元方法建立了双滚刀线性切削岩石三维模型,研究了不同因素影响下岩石的接触力、微观裂纹扩展及破碎颗粒生成规律;分析了刀刃宽及刀刃角对破岩过程的影响,建立了刀圈结构参数与破岩效率的映射关系;结果显示岩石微观破坏以张拉破坏为主,裂纹呈加速扩展趋势;刀圈结构参数刃宽及刃角对于破岩过程均有影响,其中前者的影响较为明显。刃宽增大导致滚刀受力及破岩体积均明显增大,而刃角对于这两者的影响相对较小。基于以上映射关系,以17寸滚刀为例,进行了结构参数设计,获得了最优的滚刀刃宽和刃角。     

深部节理岩体TBM滚刀破岩效果及最优刀间距研究

为了优化深部岩体中TBM刀盘滚刀的布置,提高TBM掘进效率,采用二维离散元软件UDEC分别研究了节理间距、倾角及贯入度对滚刀破岩的影响。研究结果表明:节理间距为50 mm时,裂纹均扩展到节理面,但节理面对裂纹的扩展有阻隔作用,不管节理的倾角如何,裂纹仍然沿着其倾斜的方向扩展;节理间距不大于100 mm时,岩石的裂纹可以扩展到节理面,节理对裂纹扩展起到控制作用;当节理间距不小于150 mm时,裂纹的扩展无法到达节理面,节理基本不影响裂纹扩展;对于水平节理,节理间距较小时,节理的存在不利于滚刀破岩,随着节理间距的增加,这种不利影响逐渐减弱、直至消失。节理倾角为30°时,由于节理倾角较小,节理间距的减小导致最优刀间距也在减小。节理倾角为60°时,节理间距越小越有利于滚刀的破岩。最佳贯入度随着节理倾角的变大存在逐渐上升的变化趋势,倾角0°变大至90°时,最佳贯入度从2 mm左右比较迅速地增大至7 mm左右。     

复合地层TBM双滚刀破岩过程数值流形模拟研究

大型交通、矿山和水利工程TBM施工中不可避免会遇到复合地层,复合地层中TBM双滚刀破岩特征与均质岩层有较大差异。基于数值流形方法处理非连续问题的能力,引入弱不连续物理覆盖来对复合地层层理面进行表征,提出了模拟裂隙网络扩展过程的数值流形算法,进一步建立了模拟复合地层滚刀破岩过程的数值流形模型。同时,对软硬不均复合地层中不同刀间距的双滚刀破岩过程进行了模拟分析,研究发现：在相同贯入度下,不同滚刀间距的应力分布均具有明显的不对称性,硬岩中滚刀推力远高于软岩,从而易造成滚刀偏磨;当滚刀间距为100 mm时,两滚刀间岩片厚度达到最大值23.7 mm,刀间距增大或减小时,岩片厚度均出现降低趋势;不同刀间距条件下,软岩的破碎率均高于硬岩,其中软岩破碎率随刀间距的增加而增大,硬岩破碎率则在刀间距为100 mm时达到最大值10.5%。上述结果表明,在复合地层中,岩性对于TBM岩机安全及破岩效果的影响要大于滚刀间距,研究成果可以反映复合地层滚刀破岩规律。     

贯入度对TBM滚刀破岩轨迹偏移影响的试验研究

滚刀破岩轨迹偏移影响因素是TBM刀盘结构和刀具布置设计,以及掘进机位姿自动调整的重要的基础研究内容,贯入度则是影响滚刀偏移的一个重要因素。在全断面掘进机国家重点实验室研制的"刀具破岩与耐磨研究试验台"进行滚刀破岩试验基础上,对滚刀轨迹偏移距离进行数据检测、分析和处理,得到了贯入度对滚刀垂直偏移和横向偏移的影响规律。     

TBM破岩机理的三维FEM-SPH耦合算法

采用改进的有限元-光滑粒子流体动力学耦合（FEM-SPH）的方法,建立了TBM单滚刀和双滚刀破岩的三维数值耦合模型,研究了TBM破岩机理,研究结果表明,压碎区形成阶段,在单滚刀推力的作用下,微裂纹向下扩展形成扇形破坏区;在切向力的作用下,微裂纹向前扩展形成另一个扇形破坏区,两个扇形破坏区组成了锥形破坏区;在微裂纹形成阶段,侧向裂纹的扩展速度大于中央裂纹的扩展速度;在微裂纹扩展阶段,中央裂纹的扩展速度大于侧向裂纹的扩展速度;当滚刀向岩体的边缘滚动时,边缘部位的岩石以扇形失效;压碎区形成阶段,每个滚刀单独作用在岩石上,在每滚刀的下方形成一个锥形破坏区;在微裂纹形成阶段,由于滚刀之间的相互作用,赫兹裂纹改变扩展方向;在微裂纹扩展阶段,赫兹裂纹连接和贯通,形成岩片。     

盘形滚刀磨损预测模型

盾构或TBM长距离掘进硬岩施工中,不可避免地会遇到盘形滚刀磨损问题。通过分析滚刀的磨损机理,确定了滚刀最主要的直接磨损机制是基于塑性去除的磨粒磨损;基于Rabinowicz磨粒磨损方程和CSM滚刀破岩力模型,通过近似计算和数学推导,建立了滚刀直接磨损的磨损速率和线磨损速率预测模型;并通过广州地铁7号线9标和广深港狮子洋隧道正滚刀的磨损数据进行了验证。结果表明,基于材料磨损机制建立滚刀磨损预测模型的可行性,所建立的预测模型也能较准确地反映滚刀的真实磨损情况。所建立的滚刀磨损速率模型可用于预测不同安装半径滚刀的正常掘进距离,所提出的滚刀线磨损速率可以作为衡量滚刀耐磨蚀性的重要指标;并且给出了滚刀磨损速率、线磨损速率与地层抗压强度、刀刃屈服强度、滚刀安装半径、滚刀直径、刀刃宽度、刀间距、贯入度等参数之间的定量关系;但该模型仅适用于正滚刀和中心刀的正常磨损预测,对于边滚刀还需考虑二次磨损。     

结泥条件下TBM滚刀破岩能量演化机制及掘进参数优化研究

岩石隧道掘进机(Tunnel Boring Machine, TBM)在泥岩地层掘进过程中,渣土易形成泥浆黏附在滚刀和刀盘表面,出现刀盘结“泥饼”现象,严重降低掘进效率。为了揭示结泥对TBM滚刀破岩效率的影响,防止滚刀结泥,使用离散元程序PFC3D模拟TBM滚刀回转切割泥岩过程,计算了系统总能量E、弹性应变能E_e、摩擦能E_μ、阻尼能E_β、动能E_k和黏结能E_a,从能量演化角度研究结泥条件下TBM滚刀破岩机制。随后分析了不同刀盘推力、滚刀刀刃角和刀刃宽度下的TBM滚刀破岩过程中的能量特征,根据“累积热量和累积黏结能最低,且滚刀表面黏附的泥化物质量最小”的原则,对上述掘进参数进行优化。研究结果表明,PFC3D中的黏聚滚动阻力线性模型可实现滚刀结泥过程;在结泥情况下,泥化物的形成将显著提高机械做功,消耗大量能量,降低滚刀破岩效率;提高刀盘推力可以促进泥化物的形成,导致刀盘升温,诱发泥化物黏附在滚刀表面。选用刀刃角为40°的V形滚刀,设最优刀刃宽度为13 mm,可减小滚刀结泥情况。研究结果可为相关工程中预防刀盘结“泥饼”提供理...     

节理倾角对岩石隧道掘进机破岩特性影响的数值研究

为研究节理特征对岩石隧道掘进机（TBM）盘形滚刀破岩特性的影响,采用颗粒离散元法（PFC）建立了不同节理倾角下双滚刀破岩模型并进行数值仿真,研究不同节理倾角对应的岩石破碎模式、裂纹数目和破岩比能。结果表明:（1）倾斜节理的存在改变了裂纹扩展规律,裂纹呈现不对称性扩展模式。节理的存在改变了裂纹的延伸方向,限制主裂纹向下扩展。节理倾角越大,对主裂纹的萌生与扩展起到的阻碍作用越明显。节理倾角较小时,裂纹沿节理倾向延伸,有利于双滚刀间裂隙的贯通,有利于岩石碎屑的剥落;（2）节理倾角对剪切裂纹的影响较小,主要影响拉裂纹数目。总裂纹数随节理倾角的增大先增大后减小,当节理倾角为30°时达到最大。从滚刀破岩效率来看,节理岩体存在一个最优节理倾角。当节理倾角在30°附近时,破岩比能最小,破岩效率最高。基于颗粒离散元法PFC2D可以较好地模拟节理岩体双滚刀破岩过程,弥补室内试验无法进行细观特性研究的缺陷。     

TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟

采用颗粒流再现了锦屏大理岩脆-延-塑性转化特征,利用获得的细观参数建立TBM滚刀破岩离散元模型,模拟了单个TBM滚刀侵入断续单裂隙岩体过程,分析了裂隙倾角和围压对滚刀破岩效果的影响规律,最后从细观层面探讨了滚刀破岩机理。结果表明：含单裂隙岩体在单刀作用下,总体上表现为压缩性破坏、规则裂纹萌生与扩展、粉核区形成和主裂纹贯通4个阶段;当裂隙水平时翼裂纹萌生于裂隙中部,裂隙倾角较小时翼裂纹萌生于距尖端一定距离处,随着裂隙倾角的增大翼裂纹在裂隙尖端萌生。随着围压的增大,粉核区的范围逐渐变大,在高围压作用下出现侧向裂纹向自由面扩展;裂隙岩体比完整岩石更容易发生破坏,而且不同倾角裂隙岩体破坏难易程度也有所不同,总体上表现为：15°<45°<60°<0°<30°<90°<75°破岩由易到难。有围压条件下破岩难于无围压条件,且困难程度随着围压的提高而增大。     

含有节理特征的岩石对滚刀速度的适应性研究

为了研究滚刀旋转速度和贯入速度对含有节理特征岩石破碎效果的影响。利用ABAQUS有限元软件模拟单滚刀破岩过程,分析节理岩石破碎过程产生的应力、应变云图。结果得出:对于节理间距为80 mm、节理倾角为0的岩石,滚刀破岩的最佳旋转速度是2 rad/min;节理倾角为30°时,滚刀的最佳旋转速度为4 rad/min,最佳贯入速度为4 mm/s;节理倾角为60°时,滚刀的最佳旋转速度为3 rad/min,最佳贯入速度为6 mm/s。滚刀的旋转速度对于节理岩石破碎的影响具有不规律性;而滚刀的贯入速度对于节理岩石的破碎具有一定的规律性。在相同贯入速度下,节理倾角为60°的岩石最容易破碎。     

TBM在煤矿巷道掘进中的技术应用和研究进展

TBM工法经济技术优势显著,正成为煤矿巷道快速掘进的一种新方法。但由于煤矿特殊的施工环境和复杂地质条件,TBM在煤矿巷道掘进中面临以下技术挑战：(1)煤矿特殊施工环境下TBM装备和矿井系统适应性设计难;(2)煤系软硬复合地层破岩机理不清,高效破岩控制难度大;(3)软弱地层挤压变形卡机灾害风险大,灾害预测和安全控制难度大;(4)掘进空间狭小和粉尘水雾干扰严重,TBM掘进过程监测难度大,难以进行掘进参数决策控制和灾害预警。对此,针对TBM装备适应性设计技术,深部复合地层TBM高效破岩理论,挤压变形卡机灾害预测控制方法,掘进过程智能化决策控制技术等开展了系统研究,在TBM安全高效掘进技术方面取得了以下研究进展：(1)论述了针对煤矿特殊施工环境的TBM装备和施工工艺适应性设计技术;(2)开展了TBM滚刀贯入和线性切割试验,揭示了复合地层地应力水平、岩石强度及岩性变化、掘进控制模式、滚刀安装半径等对TBM破岩效率和破岩模式的影响机理,提出了深部复合地层TBM掘进性能评价预测方法和岩体可掘性评价方法;(3)揭示了深部煤系软弱地层TBM掘进挤压大变形卡机灾害孕育发生机理,发展了挤压变形卡机灾害孕育演...     

TBM滚刀破岩效果及新型刀具的应用研究

TBM滚刀磨损是影响TBM掘进效率和施工成本的重要因素,不同刀刃刃形的破岩效率和磨损均会有所不同。本文对楔形弧刃滚刀的破岩机理进行了分析,建立了滚刀法向切削力计算模型,分析了滚刀刀刃角对法向切削力的影响;继而设计了3种不同刀间距、3种不同刃形滚刀,并进行了室内滚刀破岩试验。试验结果表明：刀间距15 mm为合理刀间距;尖刃滚刀最易磨损,齿刃比弧刃滚刀破岩效果好,破岩效率相对较高且耐磨损。结合工程现场实际情况,研发了一种新型齿刃楔形刀具,并应用到工程现场TBM斜井掘进。应用情况表明：新型齿刃楔形刀具比两种常规刀具的磨损量减少20%,刀具寿命有所提高。新型齿刃楔形刀具的研发和成功应用,解决了斜井TBM掘进刀具的较大磨损和频繁更换问题,为TBM长距离斜井掘进提供了技术支持,缩短了掘进工期,节约了施工成本。     

全断面岩石掘进机盘形滚刀刃宽和刃角设计方法的探讨

盘形滚刀是全断面岩石掘进机破岩刀具,由于作业环境恶劣,因此寿命较低,是研究的热点。通过将盘形滚刀看成是径向纤维组织组成的盘形构件,且沿整个盘形滚刀刃的受力情况与正在破岩的弧段刃一样,构建了盘形滚刀破岩的工程力学模型。该模型解刃宽与某引进17英寸盘形滚刀完全一致;模型解刃角偏小,其相对误差为20%。将盘形滚刀刃展开,并假设为无限长楔形体,全楔顶受力等同于正在破岩的弧段刃,据此构建了盘形滚刀刃破岩的弹性力学模型,该模型解刃角偏大,与某引进17英寸盘形滚刀刃角相比,相对误差为38.3%。上述研究方法和研究结论可为盘形滚刀设计理论的建立提供借鉴。     

基于离散元的超声波振动辅助TBM滚刀碎岩分析

超声振动辅助碎岩技术以其弱化岩石强度、降低切削力、加快钻进速度等优势受到广泛关注,将超声振动技术与滚刀结合,能有效提升隧道硬岩施工滚刀破岩效率.采用颗粒流离散元软件对超声波振动辅助滚刀碎岩过程进行了模拟研究,结果表明,超声波振动能够产生周期性应力波并向岩石内部传播,在岩石的近表面区域出现较强的拉应力,有助于浅层岩石的张拉破坏.超声波振动提升了岩石内部裂纹的生成规模,加快了裂纹的生成速度,提前了裂纹初次萌生时间,对滚刀的破岩性能有良好的增益效果.超声波振动下岩石裂纹生成更加平稳,减少了跃进式破碎现象,能够避免因剧烈振动产生的冲击载荷对滚刀产生异常磨损和破坏,对延长滚刀寿命具有促进作用.     

排齿间距对镶齿滚刀破岩效果影响试验研究

镶齿滚刀的破岩效率是影响反井钻机钻进速度的关键因素,对反井钻机在坚硬岩石中的破岩过程进行了研究,介绍了镶齿滚刀的破岩机理,阐述了镶齿滚刀的试验设计及过程,最后对试验现象进行了分析。通过对破岩数据的整理和分析,得出了岩石表面的平整度对镶齿滚刀的单齿压入效果有显著影响,提出了针对此类岩石或同等硬度岩石破岩效率最高的多排镶齿滚刀的排齿间距值。     

TBM盘形滚刀破岩力计算模型研究

TBM盘形滚刀破岩力计算对TBM设计及施工具有重要意义。分析滚刀运动规律发现,滚刀法向推力对破岩起主导作用。假定了滚刀与岩石间接触应力分布形态,推导了常截面盘形滚刀的法向推力与滚动力计算公式,并利用多种不同强度岩石的线性切割试验结果进行验证,结果表明计算值与试验数据较为吻合,证实了公式的准确性与适用性。对计算值误差分析发现,滚刀破岩力计算精度与滚刀-岩石接触应力分布形态选取相关,采用最小二乘拟合思想,基于计算值与试验值的相对误差对接触应力分布指数进行修正,发现接触压力分布指数随滚刀贯入深度增大近似呈指数规律变化,提高了破岩力计算公式的预测精度。研究结果可为TBM设计和施工提供依据。     

平底改锥体滚刀钻头及应用效果

以滚刀钻头破岩理论及常规锥底翼状钻头破岩理论为指导，分析提出了平底滚刀钻头在易斜地层钻进偏斜度大的机理，并设计了改进锥底滚刀钻头的关键结构及主要参数，改平底滚刀钻头为锥底滚刀钻头并进行了施工应用，取得了非常理想的工程效果。     

关于岩石切削的有限元摸拟分析

本文建立了切削岩石等脆性材料的力学模型，采用有限元法对切削时产生的力学状态进行了分析。且对刀刃压入后裂纹的产生和扩展的初期阶段进行了摸拟。分析中根据莫尔强度理论，以相对破坏限接近度为指标来判断被削材料的破坏。结果认为：对内部缺陷较少的材料。以应力基准判定裂纹的产生是可行的；裂纹的类型与材料的脆性度有关。切削阻力随切入深度增大呈非线性增加；裂纹扩展的初期路径也与实际切削实验时产生的现象相符。     

煤矿反井钻机滚刀破岩模拟试验台设计研究

为研究滚刀破岩机理和岩石可钻性与滚刀破岩的效果,研制了煤矿反井钻机滚刀破岩模拟试验台.该试验台能够实现滚刀直线方向运动下破岩过程的模拟,研究滚刀刀齿截距、法向压力、滚刀运转速度以及不同类型、型号的滚刀对破岩效果的影响.滚刀破岩模拟试验台采用液压伺服系统,可根据程序以及预先设置好的数据自动调整试验参数;利用高速摄像机拍摄滚刀破岩过程的具体细节;通过岩渣筛分得到岩石破碎过程中实际消耗的能量值,实现试验过程的可视化和智能化.试验运行证明,该机符合进行反井钻机滚刀破岩试验的要求.