双节理岩体TBM滚刀破岩过程数值模拟

为了研究节理特征对全断面掘进机(tunnel boring machine, TBM)盘形滚刀破岩的影响,采用颗粒流方法建立盘形滚刀与含平行双节理岩体的二维数值模型,进行不同节理倾角和间距的30组数值试验,根据数值试验结果研究岩体破裂模式、滚刀竖向接触力峰值随节理倾角和间距的变化规律、滚刀破岩过程中细观裂纹扩展规律。研究结果表明:不同的节理特征下,滚刀破岩可以分为4种基本的破裂模式;滚刀竖向接触力峰值随节理倾角的增大呈现先减小后增大的趋势,在节理倾角为30°或45°时最小,在节理倾角为90°时最大;滚刀竖向接触力峰值随节理间距的增大总体上呈现增大趋势;随滚刀的贯入,滚刀竖向接触力与细观裂纹个数有3个关联的变化阶段。通过研究TBM滚刀与节理岩体相互作用机制,揭示不同节理特征对滚刀破岩的影响规律,对TBM滚刀的合理设计和施工有一定的指导意义。     

岩石特性对掘进机破岩的影响

目的研究岩石特性对掘进机破岩的影响,提高掘进机施工效率,延长滚刀使用寿命．方法将滚刀及其掘进的岩石作为一个整体,模拟破岩过程中滚刀和岩石的应力分布,并通过实验测量了滚刀破岩时滚刀受力和切深等参数,分析了不同硬度的岩石、切深和滚刀施加力对滚刀及岩石受力的影响．结果岩石反作用于滚刀的力和岩石的切深沿切割方向呈波浪型水平线;岩石抗压强度增大,岩石的切深和破碎区体积降低．结论同种岩石破碎程度与滚刀切割力大小成正比;切割力相同时,岩石破碎程度与岩石抗压强度成反比;研究结果对提高岩石掘进机的破岩效率,及其对地质的适应性具有重要作用．     

全断面硬岩TBM滚刀磨损关键技术分析

目的研究全断面硬岩掘进机（TBM）刀盘上滚刀的相关关键技术,分析破岩机理及滚刀的磨损问题.方法以双护盾TBM刀盘为研究对象,将岩石的硬脆特性与压痕断裂力学相结合,确定破岩机理及影响滚刀磨损的因素.确定滚刀布置原则、运动特性、破岩机理和滚刀磨损形式及其主要影响因素.结果结果表明,TBM刀盘设计制造要满足耐磨性的要求,滚刀布置要符合空间力系平衡,刀具高度应一致,高度差不应大于15 mm,防止刀盘滚刀会发生大面积磨损.除常规的检测刀具磨损外还要注重掘进过程中的参数观测,一旦发生特殊情况,应及时检测及更换刀具,防止其他刀具也受到损坏.结论刀盘设计要符合耐磨性要求,同时应增强对常规磨损参数检测和掘进参数的观测,控制滚刀磨损量,优化TBM掘进参数,防止大面积刀具磨损发生.     

复合岩体的TBM破岩机理数值模拟

为了指导TBM刀盘刀具的研制和不同地质条件下刀盘刀具的选型,TBM破岩机理的研究成为核心。在TBM滚刀的作用下,岩体中裂纹的生成、扩展和连接规律是深刻理解TBM破岩机理的前提,因此,TBM滚刀破岩机理的研究具有重要的工程应用价值。目前,TBM滚刀破岩机理的研究主要集中在单一岩体中,但在TBM施工过程中会遇到各种复杂的地质条件。笔者采用离散元方法,研究了复合岩体的破岩机理,复合岩体中岩片的形成不同于单一岩体,其裂纹的最终连接是由起裂于复合岩体交界面上的微裂纹的扩展,将两滚刀之间的赫兹裂纹连接,最终形成岩片。因此,在一定情况下复合岩体更有利于TBM隧道施工。     

多滚刀顺次作用下岩石破碎模拟及刀间距分析

相邻滚刀刀间距设计是全断面岩石掘进机(TBM)刀盘设计的关键技术之一,刀间距设计的合理与否直接关系到刀盘刀具掘进效率和寿命.刀间距设计不仅与岩石边界条件、刀盘掘进参数及刀具参数有关,而且与刀盘结构相互耦合相互影响,且相邻滚刀之间是一种顺次破碎岩石的过程.基于有限元岩石破碎仿真平台RFPA2D,考虑相邻多滚刀的顺次约束关系,分别以2种典型岩石(泥质粉沙岩和花岗片麻岩)为边界条件,建立多滚刀顺次作用下垂直压入岩石的破碎仿真模型,模拟多滚刀在顺次压入和同时压入岩石的仿真过程,建立了刀间距与岩石破碎能量之间的映射关系,进而建立了多滚刀最优刀间距下顺次角度与岩石破碎能量之间的映射关系,通过此映射关系可以确定滚刀在刀盘上不同位置的最优刀间距和最优的顺次角度,并为下一步滚刀在刀盘盘面上的布置设计提供设计依据.     

滚刀破岩拉槽间距研究

拉槽间距是滚刀破岩的重要参数,这里称各滚刀破岩拉槽之间相互作用为滚刀破岩协同效应。本文探讨了产生协同效应的力学机理和模式,进而分析和描述了间距/侵深之比值和破岩比能关系曲线。在实验研究的基础上,为掘进机(钻井机)的工作机构设计及其运行控制提供了若干理论依据。     

硬质岩层中TBM滚刀破岩效率预测模型研究

硬质岩层的盾构施工中,全断面硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀破岩效率的研究及工程实践广受关注,目前已有的研究成果不能很好地指导TBM掘进参数的设定以及有效提升破岩效率.为解决这一问题,在破岩效率评价标准的基础上,基于比能耗理论对TBM滚刀破岩效率预测模型展开研究.首先,分别推导得...     

爆破破岩机理的实验研究

通过实验研究了在耦合装药及药包总爆炸能（Ｅ）大致相同的情况下，冲击能力（Ｅ）与膨胀能（Ｅｂ）之间分配比例铁变化，对爆炸应力波峰值及介质破碎质量带来的影响。实验结果表明，柱状药包爆炸时，在介质中先后产生原生爆炸应力波和次生爆炸应力波，前者与Ｅｂ的作用密切相关，后者与Ｅｂ的作用直接相关；介质破碎块度分布主要取决于这两个应力波共同作用的结果。据此，作者提出了原生爆炸应力波，次生爆炸应力波与介质中存在的缺     

复合地层全断面硬岩隧道掘进机下穿立交桥研究

针对全断面硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)在城市中掘进对既有物的变形问题,依托青岛地铁4号线某区间隧道下穿立交桥的实际工程背景,采用数值计算的方法,根据实际工程情况建立双隧道下穿立交桥,综合分析隧道下穿市政桥梁的应变规律,监测桥梁多点位移,提出隧道正交下穿桥梁的薄弱点加固措施.结果表...     

基于FEM-SPH耦合的TBM滚刀切削仿真与试验研究

针对现有隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀切削过程有限元仿真难以复现密实核传力演化机制所致的刀下超破、刀间欠破问题,采用有限元方法(finite element method,FEM)和光滑粒子流体动力学(smooth particle hydrodynamics,SPH)相耦合的...     

冲旋钻头破岩机理仿真研究

介绍了冲旋钻井中冲旋钻头与岩石互作用有限元模型的建立过程,并对冲旋钻头在冲击旋转和单纯冲击载荷作用下的破岩过程进行了计算机仿真研究,描述了冲旋钻头破岩过程,求出了相应的钻头破碎岩石的深度、体积时程关系对比曲线,揭示了冲旋钻头的破岩机理--钻头在冲旋作用下破碎岩石的过程可分为4个阶段、钻头破碎岩石深度主要取决于冲击作用而与旋转作用关系不大、破岩体积在冲旋作用下比单纯冲击载荷作用下要大一倍左右,为冲旋钻头在石油工业中的进一步推广应用提供了理论依据.     

预切缝对滚刀破岩裂纹扩展的影响规律研究

针对硬岩地质条件下传统滚刀破岩出现贯入度低、磨损严重等问题,许多新型辅助破岩方法被提出,如通过激光、水射流等非接触式破岩方法在岩石上制造预切缝来辅助滚刀破岩。为了明晰预切缝条件下滚刀破岩机理,采用颗粒离散元方法建立预切缝在滚刀侧面(侧置式)和滚刀前面(前置式)两种辅助破岩仿真模型,探究了预切缝深度和间距对滚刀破岩裂纹拓展的影响规律。研究结果表明：1）侧置式模型中预切缝主要影响裂纹的拓展,诱导破岩过程中侧向裂纹向预切缝底端扩展,前置式模型中预切缝主要影响裂纹的萌生起裂,在贯入初期只产生侧向裂纹,并促使侧向裂纹向两侧扩展;2）滚刀垂直力和裂纹数量均随着预切缝深度的增加而减小,但滚刀垂直力随着刀间距的增大而增大,裂纹数量则随着刀间距的增加先增大后减小;3）同等条件下,侧置式模型的破岩效率要高于前置式模型,但前置式模型中滚刀的垂直力要远小于侧置式中的滚刀垂直力,可通过进一步增加前置式模型中滚刀贯入度来充分利用预切缝的辅助作用;4）滚刀贯入度一定时,侧置式模型适用于预切缝深度大于滚刀贯入度的情况,而前置式模型适用于预切缝深度小于滚刀贯入度的情况。     

牙轮钻头喷嘴射流破岩机理研究

本文以喷嘴射流冲蚀岩石为依据，对牙轮钻头的破岩方式、喷嘴射流的水力破岩和水力辅助破岩机理以及破岩的基本作用和影响因素进行了分析研究。结果表明，在现有机泵条件下牙轮钻头喷嘴射流对泥岩、页岩和粗粒砂岩具有直接水力破岩作用，对石灰岩、细粒砂岩有较好的水力辅助破岩作用。喷嘴射流冲击压力、射流的脉动特性、岩石的孔隙度和裂缝发育条件是影响水力破岩和水力辅助破岩的三个重要因素     

千米竖井硬岩全断面掘进机装备关键技术研用及展望

千米竖井硬岩全断面掘进机装备与技术是实施我国向地球深部进军重大科技战略的关键,是智能化、无人化建井的基础,同时也是建井技术发展方向.为保障竖井全断面掘进机的研制,针对国内外竖井全断面掘进机均不能适用于千米级硬岩竖井的显著特点,回顾了竖井掘进机的发展历程,进一步制定了“技术需求分析—关键技术攻关—整机装备研制—工程应用”的技术攻关路线,围绕岩性原位探识、岩石高效破碎、岩渣垂直排运、岩体稳定支护、装备精准控制等方面,分析了制约千米竖井硬岩全断面掘进机装备与技术发展的2个关键科学问题、6项关键技术难题及其研究思路,并据此提出了以破岩理论研究、高效掘进与协同支护技术研究、主体装备研制、工程应用为核心的4项研究任务.在此基础上,研制了竖井全断面掘进机——“蜀畅号”,并在沿江公路通风竖井工程中进行了试用,单班(8 h)最高进尺2.4 m.最后,提出了竖井全断面掘进机发展的战略路线和技术目标,以期推动我国机械化建井迈向安全、高效、绿色、智能的新阶段.     

滚刀滑移状态下的受力与磨损仿真分析

为探究滚刀滑移状态下破岩的受力与磨损的变化规律,基于离散单元法,建立了同时考虑滚刀自转和绕刀盘公转的滚动圆周切割模型。定义了一个滑移率参数η用于描述滚刀的滑移状态,对不同滑移率工况下滚刀破岩受力和磨损进行了对比分析,并结合工程实例对数值仿真结论进行了验证,结果表明:数值仿真中垂直力FV和滚动力FR在CSM模型计算值附近波动,两者较为吻合,表明了本文模型的合理性。数值仿真结果表明,随着滑移率η的增大,垂直力FV呈轻微减小趋势,滚动力FR明显变大,从滚动破岩到滑动破岩,垂直力FV降幅为23.6%,滚动力FR增幅达83.7%,滑动破岩将导致滚刀偏磨。工程实测数据表明,刀盘上大量滚刀处于正常磨损状态时,主要表现为推力增大。大量滚刀处于偏磨状态时,主要表现为扭矩增大,其中偏磨滚刀占比19.05%和28.57%时,扭矩增幅分别为55.85%和261.51%。滚刀正常磨损和偏磨均大量存在时,表现为扭矩推力同步增大,其中偏磨滚刀占比21.43%时,扭矩增幅为80.89%。数值仿真和实测数据表现出较高的一致性。综合4次开仓换刀结果,可将刀盘扭矩增幅超过50%作为判定大量滚刀发生偏磨的重要依据。     

节理方位对岩石爆破的影响规律

为了研究节理对岩石爆破的影响规律,建立了含节理的圆形PMMA板的2维爆破模型,炸药PETN和护套铜壳置于圆板中心,节理与炮孔的方位是变量。对于PMMA、铜壳、PETN分别采用线性、冲击波和JWL状态方程。模拟结果表明在爆炸荷载作用下,节理与炮孔距离对爆生裂纹的分布有很大影响,距离小时,节理靠近炮孔一侧形成拉伸破坏区,随着距离的增加,拉伸破坏区范围快速减小,节理对爆生裂纹分布的影响减小;倾斜节理总能扩展成一条主裂纹,随着角度的增加,节理靠近炮孔一侧的拉伸破坏区范围先增加,后减少,主裂纹随着拉伸破坏区减少而变长。     

节理倾角对单节理岩样变形破坏影响的数值模拟

采用FLAC模拟了节理倾角对各向异性岩样峰值强度、力学行为及剪切带图案的影响。节理由实体单元模拟。对于节理之外的岩石,采用莫尔库仑与拉破坏复合的破坏准则,峰后本构关系选择线性应变软化模型;对于节理,采用理想弹塑性的莫尔库仑准则。结果表明,无节理密实岩石的峰值强度最高。节理岩样的剪切应变或集中在节理上,或集中在新剪切带上,峰值强度随节理倾角而改变。新剪切带启动于节理的端部,然后沿其固有方向传播。当节理倾角适中时,节理岩样的峰值强度较低,岩样的行为受控于节理。当节理倾角较高或较低时,可观测到应变软化行为。若节理倾角较低,新剪切带的长度随节理倾角的降低而增加,这导致了陡峭的峰后应力-应变曲线。若节理倾角较高,由于节理倾角对新剪切带的厚度和倾角几乎没有影响,因此,峰后斜率不依赖于节理倾角。     

槽孔静态胀裂破岩成缝机理探讨及参数的分析

本文运用断裂力学原理，探讨了槽孔静态胀裂破岩的成缝机理，确立了选用静态胀裂剂的准则，提出了确定钻孔间距的方法。     

行星钻头破岩机理及过程的试验研究

根据行星钻头的运动特征,本文分析了行星钻头破岩的特点及其工作面的破坏方式,揭示了行星钻头破岩的基本规律。为行星钻头破岩机理的进一步研究创造了条件。