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     

岩石在盘形滚刀作用下的性能研究

考虑岩石的各向异性,深入研究了岩石在盘形滚刀作用下的形变和剥落特点,建立了岩石在盘形滚刀作用下的力学模型,给出了岩石在盘形滚刀作用下形变的几何方程、物理方程和平衡方程。并通过对岩石在盘形滚刀垂直载荷和平面滚压载荷作用下的试验观察,提出在盘形滚刀垂直力的计算中以盘形滚刀侵入岩石而在岩石表面形成面积（双曲线围成）上的平均应力代替岩石的杨氏模量;在滚动力的计算中以岩石的抗拉强度代替剪切弹性模量,以抗剪强度代替A常数;盘形滚刀破岩侧向力计算中的岩石性能参数则取用杨氏模量。将此方案用于所建立的的力学模型,求得了盘形滚刀破岩的垂直力、滚动力和侧向力;计算结果均比已有压痕试验求得的垂直力、线性滚压岩石试验求得的垂直力和滚动力更精确。计算还获得了盘形滚刀破岩的侧向力,其结果也通过了试验验证。     

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。     

TBM滚刀破岩机理与影响因素数值模拟研究

为研究全断面岩石掘进机(TBM)滚刀破岩机理与破岩效果影响因素,采用颗粒流程序(PFC)建立滚刀破岩模型,通过单轴压缩与巴西劈裂试验结果,标定PFC程序参数,模拟滚刀破岩过程并对岩石强度、围压等破岩效果影响进行研究分析。结果表明:滚刀破岩历经前期压密、中期挤压剪切、后期挤压张拉破坏的组合破岩模式,整个破岩过程中滚刀出现反复加-卸荷交替及跃进破岩现象。岩石强度过高难以产生径向裂纹、强度过低侧向裂纹扩展不明显,破岩效果均不佳,TBM滚刀只对于中等强度范围内岩石较为合适。围压影响裂纹生成与扩展,较高时将抑制径向裂纹发育,降低破岩整体效果。研究成果可为TBM选型及滚刀设计提供一定参考。     

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。     

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。     

秦岭隧洞花岗岩段掘进机滚刀破岩规律及掘进特征

为更好掌握TBM掘进性能，以引汉济渭工程秦岭隧洞花岗岩段为研究对象，通过滚刀破岩试验与施工参数分析，获得了滚刀破岩机理，揭示了掘进速度、设备利用率等TBM掘进性能指标的变化规律。结果表明：在设定地应力条件下，随着贯入度增加，滚刀法向力增大，且其变化幅度增加、变化频率加快，增加了相邻滚刀间形成大岩片的数量；高地应力条件下，因多次发生岩爆，TBM平均掘进速度、设备利用率均较低；现场贯入指标、岩石掘进效率指标沿桩号的变化基本同步，但现场贯入指标能更好评价TBM破岩性能。通过调整支护、清渣和施工组织方式，提高辅助作业效率，并及时调整TBM掘进参数、改进滚刀刀刃材质，可保障TBM高效运行，为该隧洞TBM后续掘进提供相应对策。     

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。     

射流速度对水射流破岩影响效果数值试验研究

水射流破岩技术在许多工程领域有着广泛的应用,但是其破岩效率影响因素众多,作用机理复杂。通过建立水射流数值模型,运用动态非线性有限元法,基于ＡＮＳＹＳ／ＬＳ－ＤＹＮＡ进行不同井深条件下射流速度对岩石破坏效率影响研究,结果表明:射流速度对高压水射流破岩的影响较大,水射流冲击岩石在接触部位附近形成应力集中,岩石的塑性应变围绕射流孔径大致呈对称变化规律,随着射流速度增加,破岩深度迅速增加,两者呈线性关系增长。     

砂岩直接剪切试验三维离散元分析

为了研究高地应力作用下的深部岩体的剪切力学特性,将半经验半理论胶结接触模型植入离散元软件,模拟了砂岩的直接剪切试验,对砂岩的宏、微观特性进行详细的分析。模拟结果表明：砂岩的直剪数值试验过程可以分为3个阶段,即线性剪切阶段、应力衰减阶段及残余强度阶段;剪切过程中,外界做功主要转化为颗粒摩擦耗能,并始终存在着能量守恒;胶结破坏数目会随着剪应变的增大而增加,胶结拉区破坏数目大于胶结压区破坏数目,胶结破坏形式均由弯破坏形式主导;裂纹首先从剪切面两端产生,拉区裂纹产生于剪切面中间,向剪切面两端以及上、下侧扩展,压区裂纹从剪切面两端向中间扩展,最后拉区裂纹与压区裂纹相互贯通布满整个剪切面,在空间上最终形成一个截面呈椭球状的分布域;本文的直剪数值试验结果与砂岩剪切试验结果基本一致。     

不同粗糙度断续节理岩体直剪试验的颗粒流模拟

为了探究不同粗糙度断续节理岩体直剪试验的裂纹扩展过程及破坏模式,基于颗粒流方法,对试样施加不同法向应力,并探讨了预剪面应力演化过程。研究结果表明:根据微观裂纹的张、剪属性及其演化过程,岩桥破坏模式大体可分为5类,且与法向应力和节理面粗糙度密切相关,法向应力、节理粗糙度的增加都会促使岩桥向剪切破坏方式转变;初始翼裂纹与原节理面的夹角对法向应力变化不敏感,而随着节理粗糙度的增加而减小;在剪切过程中,预剪面上的应力分布不均匀且不断进行重分布,对于平直节理岩体剪应力主要由岩桥承担,且无论水平向还是法向,岩桥部分压应力均大于节理部分;而对于粗糙节理岩体,剪应力由节理和岩桥共同承担,且节理部分的应力均高于岩桥部分。研究成果对进一步明确断续节理岩体的力学参数有参考价值。     

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。     

TBM净掘进速度预测模型发展现状及参数分析

TBM净掘进速度预测模型能为隧道施工方法选择、施工进度安排和成本估算提供科学依据。本文对国内外32个典型模型开展参数定性和定量分析。根据各模型建模原理可将参数输入过程划分为按逻辑和组合关系输入、作为修正参数输入、直接输入参数三种类型。评价TBM掘进速度的岩体参数以单轴抗压强度、岩石质量指标、隧道与结构面夹角和岩石脆性指数居多,机械参数主要是单刀推力和刀盘转速。通过调整岩体工程特性关键参数影响区间以及引入机械参数,可将钻爆法岩体分类(RMR、RSR、Q_(system))应用到TBM净掘进速度预测。模型参数选取需要权衡简易性和准确性,参数太少虽然简易但影响预测精度,参数过多会导致实际操作繁琐而不利于工程广泛应用。参数选取合理、组合恰当以及权重分配符合实际是净预测模型准确可靠的关键,随着对掘进过程和破岩机理的深入理解,开展与岩-机作用相关的新评价参数研究将是未来发展趋势。     

典型结构面分布型式节理岩体室内直剪试验研究

针对节理岩体变形破坏及抗剪强度参数确定问题,开展了5种包含两条节理的典型节理分布型式的节理岩体试样的室内直剪试验研究.试验结果表明节理岩体的破坏主要表现为节理控制的节理与岩桥间渐进搭接破坏;对比分析了试验得到的25条应力应变全过程曲线,提出了应力应变曲线分类方法,包括滑动型、屈服型、剪断型、脆断型、剪断复合型五种类型,...     

层理特性对层状岩体剪切力学特性的影响研究

当前对层状岩体力学特性的研究多涉及抗压及抗拉特性,为研究层状岩体剪切破坏过程中的强度和弹性变形参数及破坏特征,通过基于人工制样方法,开展不同层理倾角、层理间距及层理粘结强度下层状岩体直剪试验,结果表明:随着层理倾角的增大,层状类岩体的抗剪强度指标呈现先增大、后减小、再增大的变化趋势,在３０°左右量值最大,在６０°左右量值最小;当层间粘结强度与岩层强度接近时,层理间距对其剪切特性的影响较小;层理粘结强度的提高会增强试样的抗剪强度。     

碎石对土石混合体无侧限力学特性影响研究

土石混合体通常是构成库区边坡、滑坡及坝基的主要岩土体材料,其物理力学性质要较一般的土体或岩体更复杂,是目前岩土力学及地质工程界共同面临的难题。通过制备一定含石量的土石混合体试样进行无侧限条件下单轴压缩试验,研究了碎石对土石混合体单轴压缩强度及变形破坏模式的影响;结合数值模拟方法,进一步分析碎石分布对土石混合体整体强度的影响机制。研究成果表明土石混合体的单轴抗压强度及变形破坏特征受含石量及碎石分布的控制,随着含石量的增加,单轴抗压强度降低,破坏模式由单裂纹开裂变为多裂纹开裂破坏,同时裂纹贯通时间有所增加。     

基于Hoek-Brown强度准则的嵌岩桩极限承载力确定

考虑岩体结构的完整性、岩块单轴抗压强度及三向应力等因素的影响,引入Hoek-Brown岩石强度准则,采用Lambe变换,建立了较为实用的嵌岩桩桩侧摩阻力模型。然后基于简化的桩端岩体破坏模式,利用极限平衡原理,推导了三向压力下嵌岩桩桩端阻力的计算公式,进而获得嵌岩桩极限承载力计算公式。对公式参数分析表明：岩体质量对摩阻力影响较大,岩体质量越好,摩阻力τr越大,反之越小;岩体质量评价指标RMR值为100时,摩阻力τr可达到0.4σc;岩体质量评价指标RMR值为10时,摩阻力τr接近0.01σc。最后以2个工程实例对本文计算方法进行了验证。