简单复合岩体中TBM多滚刀破岩机理离散元分析

采用引入考虑胶结尺寸的微观接触模型的PFC^2D离散元软件,对全断面岩石掘进机（TBM）盘形滚刀作用下简单形式的复合岩体破岩机理进行数值模拟研究。进行了单滚刀、双滚刀和三滚刀作用下的复合岩体破碎过程的模拟。模拟结果表明：滚刀破岩过程可以分为三个阶段：加载阶段、卸载阶段和残余跃进阶段。通过双滚刀和三滚刀侵入复合岩体的推力-侵深曲线分析,软岩上的滚刀比硬岩上的滚刀进入各阶段稍慢,略有滞后;不同滚刀间的峰值法向推力相差较大,易造成滚刀磨损。对于花岗岩-绿片岩复合岩体,破岩时接触力链被岩体分界面分割,硬岩区胶结破坏数目较多,双滚刀、三滚刀侵入时易形成贯通裂缝;破岩效率由大到小为双滚刀效率、三滚刀效率、单滚刀效率,而且双滚刀能够将效率提高一倍左右。     

不同刀具配置下隧道掘进机高效破岩机理与推力预估

为解决隧道掘进机刀盘刀具破岩的安全性、可靠性、高效性这一隧道掘进机施工难题,从高效破岩机理和刀盘刀具与围岩耦合作用规律两个方面进行了研究,对单刀及多刀破岩理论体系进行了完善。结合理论分析和滚刀岩机作用综合实验台上的实验结果,提出了红砂岩、石灰岩和花岗岩等3种常见岩石的最优破岩刀间距,并给出了当岩石强度位于40～170 MPa之间时的最优刀间距计算式。综合考虑各种因素对隧道掘进机总推力、刀盘扭矩的影响,提出了复合式隧道掘进机总推力、刀盘扭矩估算的理论公式。通过工程实例验证,该理论计算式具有较高的科学性和精确性。研究成果可直接用于刀具选型布置、推力、扭矩设计,从而降低隧道掘进机的制造成本、提高施工效率。     

基于协同破岩的TBM刀盘优化策略

岩石隧道掘进机工作时的刀具受力情况是影响刀盘破岩性能的关键。为了分析滚刀之间的协同破岩效应,提出3种基本的协同破岩模式,并将多把滚刀协同破岩过程等效为3种破岩模式的组合。不同破岩模式下,滚刀切割岩石的先后顺序不同,结合线性切割试验,证实了不同模式下3种滚刀力等级的大小关系。以引汉济渭岭北隧洞TBM工程为背景,研究得出名义磨损量与破岩模式的叠加效应具有较强的相关性,其中,由内而外模式占比与滚刀名义磨损量具有明显的正相关性,据此提出了考虑刀具磨损量的TBM刀盘刀具优化策略。     

振荡冲击器破岩机理数值模拟分析

为了揭示振荡冲击器作用下的井底岩石破碎机理,用数值模拟分析的方法,研究了不同参数对破岩效率的影响,包括不同工作频率、不同循环动载和不同岩石类型,并分别对其进行了定量分析。结果表明,井底岩石的破碎分为3个区域:破碎区,损伤区和无损区,在振荡冲击器的作用下,井底岩石的破碎过程分为3个阶段:钻头的中心齿压碎岩石,边齿对岩石造成破坏,钻头旋转切削破碎岩石。井底岩石的破碎效率随着振荡冲击器工作频率的变化而变化,当工具的工作频率为16 Hz时,破岩效率最高,振荡冲击器的破岩效率随着交变动载荷峰值的增加而不断增加,当其峰值载荷超过10 k N之后,破岩效率增加比较缓慢,振荡冲击器的破岩效率随着地层岩石硬度的变化而变化。这对振荡冲击器的现场应用具有十分重要的指导意义。     

TBM滚刀破岩动态特性与最优刀间距研究

在对实际工况合理简化的基础上,从岩土细观角度出发,采用颗粒离散元法建立滚刀侵入岩体的二维模拟模型,研究双滚刀作用下岩体的动态响应机制,找出滚刀侵入过程中岩体裂纹、贯入度以及切削力三者的关系。在此基础上,通过数值模拟对常见切深下滚刀最优刀间距问题进行分析,得到不同切深下比能耗与刀间距的规律,并通过试验对双滚刀破岩过程中岩体动态特性以及最优刀间距问题进行验证,最后以工程实例验证研究结论。研究表明：仿真过程中,切削力随贯入度的变化与岩体的跃进破碎特性相一致,岩体破坏服从格里菲斯理论;较小切深下岩体为剪切破坏,较大切深下岩体发生拉应力破坏;切深为10 mm时比能耗有明显拐点,此时刀间距为100 mm;切深为6 mm时,60 mm刀间距下比能耗最小;切深小于2 mm时,实际工况下岩体不能产生贯穿裂纹。     

围压对 TBM 滚刀破岩影响机制研究

穿越高大山体的隧道TBM施工不可避免地会遇到高地应力问题,研究地应力对TBM滚刀破岩机制和掘进效率的影响具有重大的工程价值和科学意义。通过理论分析和UDEC数值模拟技术对围压作用下滚刀破岩模式进行研究,发现围压对滚刀破岩过程影响比较复杂:围压对粉碎区深度和裂纹扩展区内滚刀作用方向的裂纹扩展起到抑制作用;而对围压作用方向的裂纹扩展有促进作用,表现为边裂纹的扩展范围会更大,扩展路径会更加平直,发展更加迅速,滚刀间岩片的形成更加容易。TBM现场掘进试验表明,地应力越高,围压作用越明显,TBM破岩更加容易,掘进效率会更高。从TBM滚刀作用下岩片形成的难易程度角度考虑,理论分析、数值模拟和TBM现场掘进试验都表明围压作用促进TBM滚刀破岩。     

自由面对滚刀破岩机制影响的数值模拟研究

为了研究自由面对滚刀破岩机理的影响,运用UDEC方法建立了滚刀贯切岩石的二维数值系列模型,对TBM滚刀破岩过程进行了仿真。分析表明：在合理的刀间距和贯人度情况下,破碎坑自由面的存在使裂纹扩展能耗降低,裂纹密度增大,起裂方式增多,容易实现体积破碎,提高滚刀破岩效率。     

掘进机刀盘滚刀间距对北山花岗岩破岩效率的影响实验研究

掘进机(TBM)开挖隧道过程中,其刀盘上滚刀间距设计的合适与否关系着破岩效率的高低。由于岩石非均匀、非连续、各项异性的特性,使用数值模拟方法研究滚刀破岩过程存在局限性。现场掘进实验主要是针对特定的掘进机做出机械运行参数优化,无法研究不同刀间距对破岩的影响。全尺寸滚刀破岩实验可以人为调整刀间距,且实验中采用大体积岩石可以避免尺寸效应的影响,因此受到了广泛的关注。采用北京工业大学自制的机械破岩试验平台,安装17英寸(432 mm)盘形滚刀,选取尺寸为1000 mm×1000 mm×600 mm的北山完整花岗岩试样,进行了5组刀间距的线性切割试验。实验中采集滚刀三向力,分层收集岩片且对其进行称重。对不同刀间距作用下的平均法向力、平均滚动力和比能进行了分析研究。当贯入度较小时,刀间距对平均法向力和平均滚动力的影响都不明显,随着贯入度的增加,刀间距对平均法向力和平均滚动力的影响增加。对于所有的刀间距而言,增加贯入度会产生更多的岩片,但并不一定会提高破岩效率,对于北山花岗岩而言,当刀间距与贯入度的比值为30左右时,比能值最低,此时破岩效率最高。     

TBM滚刀破碎节理岩体效率分析及刀间距优化方法研究

在全断面隧道掘进机(TBM)开挖隧道过程中,常遇到节理岩体.为了研究不同刀间距下的滚刀破岩效率,对刀间距进行优化,对不同节理间距和节理情况岩体开展二维滚刀贯入试验.试验中,节理倾角设为0°、30°、45°、60°、90°,节理间距设为30mm、40mm、50mm、60mm、70mm,滚刀间距S设为60mm、80mm、100mm、120mm.试验结果表明:当节理倾角为60°时,破岩效率最高;随着刀间距的增加,破岩效率逐渐降低;不同节理条件下,刀间距为100mm,滚刀的破岩效率均达到了最优,最佳s/p值约为10.     

围压对TBM滚刀破岩影响的数值模拟研究

采用一种新的无网格数值计算方法—广义粒子动力学法(GPD),研究了水平方向围压为0,5,10,15,20 MPa条件下,全断面隧道掘进机(TBM)滚刀的破岩过程及破岩模式,分析了围压对岩体可掘性的影响。得到:(1)围压的存在抑制中央裂纹的扩展;(2)随着围压的增加,赫兹裂纹的扩展方向发生偏转,与水平面的夹角变小;(3)相同贯入度下,随着围压的增加,滚刀法向力及其掘进指数均增加。利用GPD法分析了锦屏二级水电站隧道施工中,含节理的岩层中高地应力对TBM滚刀破岩的影响,成功模拟出高地应力下节理岩体的板裂化现象,得到高地应力能够使岩体产生板裂化促进滚刀破岩。     

评价岩石脆性指标对滚刀破岩效率的影响

 脆性是岩石重要的力学性质之一。岩石脆性与滚刀破岩效率密切相关,但目前还没有统一的用于评价滚刀破岩效率的岩石脆性指标。总结现有的35种脆性指标,将其分为基于强度、应变、应变能、硬度、莫尔包络线、特殊试验和其他等7种类型。为研究岩石脆性与滚刀破岩效率之间的关系,通过滚刀贯入试验,引入归一化比能概念,提出表征岩石脆性的新指标,重点研究基于强度和贯入试验的脆性指标与归一化比能之间的关系。试验结果表明：(1) 滚刀更难贯入高强度岩石;(2) 脆性指标B2和B4与归一化比能之间呈强烈的指数函数关系,随着脆性的增高,归一化比能降低,滚刀破岩效率增高,应优先选用脆性指标B2来评价滚刀破岩效率,其次是脆性指标B4;(3) 将单轴抗压强度约20 MPa定义为单轴抗压强度过渡值,滚刀不适宜切削单轴抗压强度小于20 MPa的软岩。试验结果对评价滚刀破岩效率时岩石脆性指标的选取具有一定的指导意义。     

Numerical modeling of the effects of joint orientation on rock fragmentation by TBM cutters

The performance of tunnel boring machines (TBM) highly depends on the fragmentation efficiency of the cutters. Many geological factors can influence the rock fragmentation process. In this study, a series of two dimension numerical modeling were performed using the discrete element method (DEM) to explore the effect of joint orientation on rock fragmentation by a TBM cutter. Results show that the joint orientation can significantly influence the crack initiation and propagation as well as the fragmentation pattern, and hence affect the penetration rate of the TBM. Such observations are also noted by laboratory and site studies. It also indicates that discontinuum-based DEM has the potential in simulating rock indentation and fragmentation by TBM cutters when rock joints are taken into consideration.     

Numerical modelling of the effects of joint spacing on rock fragmentation by TBM cutters

The influence of joint spacing on tunnel boring machine (TBM) penetration performance has been extensively observed at TBM site. However, the mechanism of rock mass fragmentation as function of the joint spacing has been scarcely studied. In this study, the rock indentation by a single TBM cutter is simulated by using the discrete element method (DEM), and the rock fragmentation process is highlighted. A series of two-dimensional numerical modelling with different joint spacing in a rock mass have been performed to explore the effect of joint spacing on rock fragmentation by a TBM cutter. Results show that the joint spacing can significantly influence the crack initiation and propagation, as well as the fragmentation pattern, and can hence affect the penetration rate of the TBM. Two crack initiation and propagation modes are found to fragment the rock mass due to the variation of joint spacing. The simulation results are analyzed and compared with in situ measurements.     

The effects of joints on rock fragmentation by TBM cutters using General Particle Dynamics

In this paper, a novel meshfree numerical method known as General Particle Dynamics (GPD) is proposed to reveal the mechanism of the rock fragmentation by TBM cutters. Rock fragmentation by two cutters in consecutive joints rock is investigated using GPD. The numerical results obtained from GPD are in good agreement with the field observed results. Moreover, the effects of the length of intermittent joints on rock fragmentation by two cutters are investigated using GPD. It is found from the numerical results that the length of intermittent joints can significantly influence the crack initiation and propagation and coalescence as well as the fragmentation pattern, and hence affect the penetration rate of the TBM. It indicates that GPD has the potential in simulating rock indentation and fragmentation by TBM cutters.     

高强度围岩隧洞TBM刀具磨损规律研究

刀具磨损是影响TBM掘进效率的重要因素,该文以北疆供水二期工程XEVIII标段隧洞为依托,开展高强度围岩条件下刀具磨损规律研究.该标段已掘进段围岩强度最大为160MPa,平均为120MPa.根据掘进过程中的刀具磨损统计资料,分析不同刀位的刀具磨损值、围岩强度和掘进参数对刀具磨损的影响以及不同掘进参数对刀具磨损的敏感度,...     

盾构切刀作用下岩石动态响应机制的数值模拟研究

为了研究盾构切刀作用下岩石的动态响应机制,从岩土细观角度出发,采用颗粒离散元法建立了岩石与切刀的二维数值模型,并对切刀破岩过程的影响因素进行分析。研究表明：切刀切削岩石的过程,是由数个小剪切和一个大剪切所组成的、不断循环的过程,它造成了切削力随着切削行程的不断波动;刀具尖端的破坏作用最为明显;切削力和裂纹数随着切削行程不断增大,裂纹的生成和扩展需要更大的切削力;从切削性能来看,正前角时岩屑更容易排出,切削效率更高;对切削力和裂纹数进行统计分析发现,切深比切削速度对破岩的影响更为显著。     

Comparison and discussion on fragmentation behavior of soft rock in multi-indentation tests by a single TBM disc cutter

This paper is to investigate the mechanical responses and failure characteristics of soft rock in multi-indentation tests by a single TBM constant cross section (CCS) disc cutter. Different pre-set penetration depths and totally three cycles of indentation processes were employed in the repeated indentation tests conducted on the cubic cement mortar specimens. The load-penetration depth curve, penetration load, peak-load penetration depth, rock breakage work and compacted zone depth for the three indentation processes were analyzed. The strength and deformation properties and failure behavior of soft rock under different indentation conditions were revealed. The rock breakage behavior after several indentation processes still presents brittle failure characteristic with small pre-set penetration depths, but the specimens with large pre-set penetration depths appear obvious plastic failure mode. Approximately equal leap loads are obtained from both the intact specimen in direct indentation failure test and the weakened specimens after several indentation processes with different pre-set penetration depths, but the peak-load penetration depths for specimens with different pre-set penetration depths are varying. Curves of the cumulative penetration depth and cumulative rock breakage work both reach the corresponding peak values for one certain pre-set penetration depth. Along with this most unfavourable pre-set penetration depth, rock breakage efficiency is the lowest and energy consumption is the highest.