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。     

节理岩体下TBM单刃和双刃滚刀破岩特性研究

为了研究在考虑节理地质条件下的两种TBM滚刀破岩规律,采用颗粒离散元法建立不同节理特征下两种滚刀的侵入破岩模型,分析节理岩体下两种滚刀侵入破岩的动态过程、裂纹扩展等规律。研究表明:两种滚刀在侵入节理岩体时,裂纹形成和扩展分为两个典型阶段,两种滚刀在受力以及裂纹数目上存在差异;随节理特征的改变,节理对两种滚刀作用下的裂纹扩展呈引导和阻隔效应,节理间距超过80 mm后,双刃滚刀作用下的裂纹扩展依然受到节理的控制;依据两种滚刀破岩产生的岩碴方式分为常规破岩和节理面协同破岩两种形式;单刃滚刀作用下岩体内部的应力分布随节理倾角变化而偏转,双刃滚刀作用下的应力分布随节理倾角变化影响不大;两种滚刀破岩效率随节理特征改变而改变,当刀间距合适时,双刃滚刀相比单刃滚刀破岩效率要高;双刃滚刀侵入节理岩体存在一个最优刀间距使得破岩效率最高,最优刀间距随节理倾角增加先增大后减小。     

断续节理岩体的TBM滚刀破岩机理研究

为了推广全断面隧道掘进机(TBM)在节理发育地层中的应用,研究断续节理地质条件下TBM滚刀的破岩过程、破岩模式及效率具有重要意义。采用一种新的无网格数值模拟方法即广义粒子动力学(GPD)法,研究断续节理倾角的变化对滚刀破岩模式及效率的影响。结果表明:对含单根断续节理的岩体,节理尖端越靠近加载面,同时越靠近滚刀加载位置时,节理对中央裂纹和破岩深度的抑制作用越大;断续节理倾角对破岩效率的影响不同于连续节理,滚刀切入率P75°P0°P90°P30°P60°P45°P15°,即按照此顺序破岩难度逐渐减小。     

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．     

不同地质工况条件下TBM刀具破岩模式研究

为了提高TBM刀具在不同地质工况下的适应能力以及破岩效率,针对岩土介质在刀具载荷作用下呈现的复杂应力场,考虑岩土介质的裂隙、节理及围压的耦合作用,基于离散元法,依次建立了单一特定地层下单刀切割含倾斜节理岩石、双刀切割节理不发育岩石以及含水平节理岩石的2D离散单元模型,观察到岩石在不同围压、节理参数、刀间距和切割顺序下微裂纹的演化过程,并根据裂纹扩展方向和破碎块的形成规则的不同,归纳出TBM刀具切割岩土时12种不同典型破碎形式,最终获得了破碎模式与具体工况的对应关系。通过分析比较可知,大部分破碎形态与文献试验观察到的宏观破碎现象具有良好的一致性。     

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。     

TBM盘形滚刀切削饱水岩石试验研究

为了研究不同类型(软岩-硬岩,高孔隙率-低孔隙率)岩石饱水情况下全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀的切削特性,选用砂岩、花岗岩、板岩、石灰华、混凝土5种岩石开展干燥条件与饱水条件下的滚刀切削破碎试验和破碎块筛分实验,并利用三向力传感器对侵入过程中的侵入力进行测定.对比分析滚刀切削过程的侵入力-侵深曲线、破碎块特征以及破碎比能耗等规律.试验结果表明:饱水后岩石强度下降6%~27%;饱水后岩石侵入系数较干燥条件下的降幅与岩石吸水率呈正相关性,Pearson相关系数为0.957;混凝土和石灰华干燥条件下瞬间破碎,而在饱水条件下抑制了裂纹的扩展;饱水后岩石破碎块度增大,硬岩在饱水后的破岩量下降,软岩破岩量增加;饱水后硬岩破碎的比能耗下降明显,平均下降37.8%,软岩的破碎比能耗上升,其中混凝土饱水后比能耗升高20%,石灰华升高81.6%.     

双波导辐射对岩石裂纹扩展机理的影响

通过微波辐射能够使岩石迅速升温并产生扩展裂纹,从而大幅降低岩石强度,有助于解决全断面隧道掘进机(TBM)在破碎高强度硬岩地层时面临滚刀磨损严重、破岩效率低下、工程成本剧增等问题。为此,本文采用离散元软件PFC2D建立玄武岩的三相矿物(斜长石、橄榄石、辉石)模型,并进行双波导辐射模拟,探究波导间距(60、70、80、90及100 mm)、辐射时间(0、0.04、0.06、0.08及0.10 s)和围岩压力(5、10、15及20 MPa)对岩石损伤裂纹扩展的影响规律。结果表明：采用微波功率密度1×10¹⁰ W/m³对玄武岩进行辐射加热时,为达到辅助破岩的效果,辐射时间不宜低于起裂时间(0.04 s)。微波辐射导致强吸波矿物(辉石)和弱吸波矿物(斜长石)间形成较大的温度梯度和热应力且最易产生损伤裂纹,所以裂纹产生的位置主要与岩石矿物的位置分布具有重要关系。在微波辐射岩石过程中,裂纹首先在辐射区域产生,继而在热膨胀和热应力作用下扩展延伸并在波导间的岩石区域形成裂纹贯通;随着波导间距的增加,波导间岩石裂纹贯通时所需要的微波辐射时间逐渐增加。围岩压力对裂...     

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.     

TBM滚刀回转破岩性能数值分析

针对隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)刀盘设计过程中盘形滚刀布局的刀间距和贯入度问题,综合岩石力学、弹塑性力学和断裂力学,并运用有限元方法建立了TBM刀盘滚刀的动态破岩三维模型.通过与线切割实验对比验证了模型的正确性和有效性,并在此基础上分析了滚刀的回转破岩,得到刀间距和贯入度对滚刀切削力及比能的影响规律.结果表明:随着刀间距的增加,滚刀所受法向力将会逐渐增大,而其切向力基本保持不变,比能增加先减小后变大,在刀间距为60 mm附近取得最小值;法向力和切向力随着贯入度的增加而增大,比能随着贯入度增加而减小.     

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.     

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。     

基于长期强度的节理岩体洞室蠕变特性研究

为了进一步探究节理岩体蠕变特性,摆脱传统意义上从宏观弹塑或粘弹塑本构的角度分析岩体流变特性的方法,将细观单元视为弹脆性的本构关系,采用考虑岩石长期强度的岩石破裂过程分析系统,通过对不同工况下的节理岩体洞室数值模拟,得到了节理间距和节理夹角对围岩蠕变特性及其破坏特征的影响规律。结果表明：节理岩体洞室围岩的蠕变量随着节理面间距的增大而减小;当节理面的水平夹角小于45°时,节理岩体洞室围岩蠕变量随着节理面夹角的增大而增大,但当节理面倾角大于45°时,蠕变量反而随着节理面倾角的增大而减小,当节理面倾角等于45°时,围岩出现大量破坏,并表现出加速蠕变的特征。     

TBM滚刀破岩过程的声发射特征

为了研究隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀破岩试验过程中的声发射特征,采用北京工业大学自主研制的大型机械破岩试验平台并结合声发射监测技术进行试验。试验中利用常截面盘形滚刀,对北山花岗岩进行不同贯入度下的线性切割破岩试验,并采集试验过程中的声发射信号。分析声发射能率与能量特征,对信号进行小波去噪处理后,利用Geiger算法给出岩石损伤的声发射定位。研究发现:声发射能率与滚刀法向力具有相近的变化趋势;声发射能量随贯入度增大而增加,可用于表征滚刀切削岩石所消耗的能量;声发射定位点大致描述损伤的分布范围,较好地反映出岩石在滚刀切割作用下损伤积累到形成岩片的过程。     

节理分布对岩体破坏影响的数值模拟研究

为研究含断续节理岩体的宏观破坏过程和特征，采用岩石破裂过程分析RFPA^2D系统，分析了断续节理岩体中裂纹的产生、扩展机理与过程．结果表明，当节理倾角从30°，45°到60°时，岩体强度从小到大增加，并且破坏前期的声发射现象增强、变形增大；随着节理密度的增大，裂纹的产生从互不影响到相互抑制，裂纹扩展长度减小；中间节理受压剪作用很快与相邻节理贯通导致节理岩体破坏．据此，明确界定断续节理产生贯通破坏的范围就是围岩破裂区．     

安装参数与掘进参数对滚刀破岩阻力的影响

为获得不同切削顺序下盘形滚刀安装参数与掘进参数对其破岩阻力的影响,通过建立多滚刀破岩数值模型,研究不同切削顺序下滚刀贯入度、刀间距、安装半径与刀盘转速等参数对滚刀破岩阻力的影响规律,采用多因素正交实验法分析各因素对破岩阻力的影响显著性,并通过滚刀破岩试验验证数值分析结果的正确性.研究结果表明：滚刀破岩阻力总体上随贯入度、切削速度、刀间距与安装半径的增加而增大;不同切削顺序下,滚刀破岩阻力各不相同,其差异性随贯入度增加以及刀间距减小而逐渐增大;3种不同切削顺序下,贯入度对滚刀破岩阻力影响均为非常显著,刀盘转速和滚刀安装半径对破岩阻力影响较小,刀间距对破岩阻力的影响随切削顺序变化而有明显差异,破岩试验结果与仿真基本一致.     

不同模式下 TBM 刀群三维回转切削仿真与优化设计

针对TBM刀群回转切削问题,建立了17寸盘形滚刀刀群切削岩石的数值仿真模型,使用有限元仿真分析软件ANSYS LS-DYNA对不同工作模式下的盘形滚刀回转切削岩石工作过程进行仿真。仿真结果表明,通过对盘形滚刀刀间距进行优化设计,分析不同刀间距下滚刀的力学参数,得到在该地质条件下,中心滚刀最优刀间距为75 mm、正滚刀最优刀间距为80 mm;通过对边滚刀安装角度进行优化,分析不同安装角度下滚刀的力学参数,得到边滚刀最优安装角度为6．5°;通过对滚刀切削岩石的顺次切削角度进行优化,分析不同顺次切削角度下滚刀的力学参数,得到正滚刀最优顺次切削角度为30°、边滚刀为20°。     

TBM刀盘出碴槽结构对出碴效率的影响规律

为了研究刀盘出碴槽结构参数对全断面岩石掘进机(TBM)出碴特性的影响规律,本文以某供水隧道工程为背景,考虑掘进过程中岩碴产生、下落以及与滚刀碰撞等因素,建立TBM刀盘(含滚刀)出碴过程数值计算模型,探究出碴槽长宽比、开口角度对刀盘出碴性能的影响规律。仿真结果表明:排碴过程中,岩碴颗粒数量的增长速率先快后慢,最后趋于平稳;TBM刀盘开口面积一定时,随着出碴槽长宽比增大,排碴量加速下降43%;随着出碴槽开口角度的增大,排碴量呈现先增大后减小趋势;当开口角度为35°时,出碴效率最高。设计出碴槽时,在控制开口宽度尽量大的前提下,开口角度优化范围为20°~35°。设计的针对该供水工程的TBM刀盘开口,经过两年多的工程掘进,效果良好。     

预留切槽红砂岩的楔形压头侵压试验研究

目前对静压破岩机理的试验研究多为经典侵压试验,对刀具破岩产生的压痕切槽对后续周边刀具破岩的影响问题研究较少.为了获得最优刀间距,研究如何采用预切槽技术降低刀具工作推力等问题,采用楔形压头对预留切槽岩石的侵压试验,重点研究了不同切槽间距对楔形压头破碎参数的影响,并开展了不同切槽深度对压头跃进破碎的影响研究.研究结果表明,岩石破碎时,楔形压头推力与切槽间距对数相关,楔形压头破岩量与切槽间距高度线性相关.     

岩石边坡裂节理扩展研究

主要介绍节理扩展对岩边坡破坏的影响,分别从节理类型及其受力特征,节理的扩展方向,节理的扩展尖灭分析节理扩展的过程。从传统的岩石断裂力学出发,分析节理扩展对边坡破坏的影响。针对贯通地面的节理,分析了其力学特征和扩展过程与包围在岩体中节理的不同之处,提出贯通地面节理的扩展研究思路。