基于破岩弧长的全断面掘进机滚刀磨损的研究

针对全断面掘进机滚刀的破岩弧长对其磨损进行了研究。推导了滚刀破岩弧长公式,并在此基础上研究了刀具安装半径、切深、滚刀直径以及刀间距等参数对滚刀磨损的影响,为滚刀的布置及相关施工参数的优化提供了参考。     

全断面岩石掘进机盘形滚刀径向破岩力预测

本文以全断面岩石掘进机现场实测数据为基础，经分析，综合，假设论证，导出了掘进机盘形滚刀所受径向破岩力的预测公式，这些公式的计算结果与多次现场实测结果相吻合，可作为设计和确定全断面岩石掘进机刀具，轴承，刀盘以及整机强度和寿命的依据。     

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。     

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。     

盾构滚刀磨损预测中破岩受力与滚刀转速分析研究

针对盾构滚刀的磨损预测方法进行研究,提出将滚刀受力与滚刀转速作为滚刀磨损预测模型的输入变量,对滚刀磨损进行预测,同时设计试验,分析二者之间的耦合关系,以更好地优化模型内部参数。对滚刀进行动力学分析,通过滚刀的频率响应函数证明滚刀的动力学特性对受力测量结果基本无影响,传感器输出的信号不需要额外考虑滚刀动力学特性。滚刀切割试验结果发现,在相同的地质情况以及相同的切割参数下,滚刀转速越快,滚刀受力越大。同时,根据刀盘转动角度、滚刀切割半径以及滚刀受力绘制出岩盘受力云图,将不同位置的岩盘受力云图进行叠加,可以记录不同位置的土质情况,利用该云图可以标注磨损严重的位置,用于预测滚刀磨损情况,以提醒施工人员对滚刀进行优先维护或替换。     

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。     

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。     

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。     

基于HJC模型的盾构滚刀破岩能力研究及应用

为探明适用于济南地区不同地层条件下的盾构滚刀,文中基于HJC模型采用LS-DYNA对济南地铁R2线某盾构区间所选用的两种滚刀进行了动力学分析.结果表明刃宽为25mm的平刃滚刀适用于贯入度较大的施工条件,刃宽为22mm的圆刃滚刀在小贯入度情况下破岩效率更高.     

岩石蠕变对边坡支挡力影响的有限元分析

岩石具有蠕变效应,对砂岩和泥岩岩样分别进行蠕变试验和松弛试验,采用广义Kelvin模型对试验数据作拟合,得到两类岩石在不同压力水平下的蠕变参数,采用有限元程序对重庆地区典型的泥、砂岩互层边坡作数值分析,考虑了边坡开挖卸荷影响区的岩层蠕变效应,分析结果表明,由于泥岩层的剧烈蠕变,支挡锚杆轴力随时间变化明显,最上排锚杆轴力增加幅度达132%,坡顶向外位移也显著增大,建议今后边坡支挡设计时对于上部支挡力增大,对上部尤其第一排锚杆重点加强,加强方法是增加配筋和增大锚固长度。     

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。     

基于高压水射流破岩的岩石损伤破坏效应研究

由于高压水射流破岩的影响因素繁多和作用机理的复杂,运用动态非线性有限元法,进行高压射流的数值试验,分析破岩过程中应力及破岩深度变化,以破岩过程中诸如射流速度、射流直径、射流入射角度、射流束数等控制参数为研究方向,基于ANSYA/LS-DYNA进行不同井深条件岩石破坏的显示动力有限元分析。结果表明,进行高压水射流破岩时选取不同射流控制参数所实现的射流效率明显不同,射流速度和射流直径的增大都会增加破岩的深度;射流垂直入射时,破岩效果最好;射流束数和破岩深度成反比。以本文研究结果指导实际现场操作,可以有效提高破岩效率。     

岩石破碎技术研究与发展前景

针对国内外关于岩石破碎研究技术评价方法,在对比岩石破碎的几种常用工程方法基础上,从经济和实践的角度指出各种岩石破碎的方法应用局限性与优势,并展望岩石破碎技术研究与发展前景。     

复合地层中盾构机滚刀寿命预测研究

刀具磨损严重制约盾构施工效率,为了准确预测滚刀的磨损量和寿命,根据磨粒磨损机理,建立了正面滚刀的磨损速率、线磨损速率和滚刀寿命预测模型;通过深圳地铁7号线某区间正面滚刀磨损数据进行验证。结果表明,滚刀磨损预测模型准确率较高,所建立的预测模型也能够较准确地反应滚刀的实际磨损;所建立的滚刀寿命预测模型可用于预测不同安装半径滚刀的最大掘进距离,可为换刀提供理论依据;并且给出了滚刀寿命与滚刀安装半径、滚刀线磨损速率、贯入度的定量关系;但该模型仅适用于正面滚刀的正常磨损预测,对于中心刀还需考虑偏磨,边缘滚刀还需考虑二次磨损。     

岩石掘进机盘形滚刀的安装及侧滑量的计算

本文探讨了盘形滚刀的安装方式,给出了各安装方式情况下盘形滚刀破岩工作时侧滑量的计算方法和计算公式,可为盘形滚刀的安装设计提供理论参考。     

横向支护力对边坡稳定性的影响分析

通过分析计算表明,基础横向支护力(预应力锚杆或支撑)对边坡稳定作用不可只作为安全储备,而不加分析计算。本文首先建立横向支护力的等代横向均布荷载QH,并分析横向均布荷栽力素对圆弧滑动条分单元的作用;其次建立考虑横向均布荷载作用圆弧滑动条分法整体稳定判断的表达式;最后以计算实例说明横向支护力对边坡稳定性的影响程度的(k-qH)曲线,以供应用研究参考。     

围压下掘进机多滚刀顺次破岩机理数值模拟研究

基于统计力学与细观损伤数值模型,运用RFPA^2D建立三把滚刀顺次侵入岩石的计算模型,并展开系列数值试验,模拟了岩石在不同围压、不同加刀次序下裂纹萌生、扩展以及破碎的全过程,并从能量的角度出发对刀间距的优化问题展开了探讨。研究结果表明,滚刀相位角的存在对岩石的破碎模式和破碎效率有着重要的影响;滚刀顺次加刀优于同时加刀;围压增大,裂纹向深部扩展能力降低。相同围压下顺次加载时存在最优刀间距。同时加载时,随着围压的增加,最优刀间距逐渐增加。研究结果可为地下工程岩石破碎理论与隧道掘进机刀盘布置提供依据。     

裂纹非一致起裂对动态断裂韧度确定的影响

为了考察中心圆孔裂缝平台巴西圆盘试件直裂缝非一致性起裂对测试岩石动态断裂韧度带来的影响,在霍普金森压杆冲击系统上对圆盘试件进行冲击试验,获得了端部加载载荷和裂纹前缘不同点的起裂时刻,并借助ANSYS动态有限元分析得到了圆盘试件三维裂纹前缘不同点的动态应力强度因子时间历程曲线,采用实验—数值方法计算得到相应的动态断裂韧度值。结果表明:裂纹前缘点对应动态应力强度因子值沿厚度方向逐渐递增;二维分析方法得到的动态应力强度因子与三维分析方法裂纹前缘中心处的值最为接近,两者的相对误差小于5%,对应确定的动态断裂韧度值相对误差小于1.2%。如果不考虑圆盘厚度影响,假设试件在圆盘表面起裂,由裂纹前缘其它点所求得的动态断裂韧度值与二维方法得到的值相对误差最大可以达到23%,采用二维简化方法存在较大的误差。