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。     

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。     

节理间距对滚刀破岩影响的线性破岩试验研究

掘进机(TBM)开挖过程中受到各种地质因素的影响,其中节理间距是影响TBM滚刀破岩的一个重要因素。设计节理间距为100mm和400mm两组试验方案。试样为甘肃北山花岗岩,应用北京工业大学自行研制的大型机械破岩实验平台,选用17英寸(432mm)的常截面盘形滚刀进行线性切割破岩试验。试验过程中记录滚刀三向力、滚刀下岩样裂纹扩展并收集了岩片。从三向力、裂纹的扩展模式和岩片等角度分析节理间距对滚刀破岩的影响。结果表明:节理间距100mm的岩体切入所需要的推力小于完整岩石的推力,节理间距400mm的岩体破岩过程中推力有一突变的过程。节理间距100mm岩体滚刀作用下存在两种破坏模式,节理间距400mm的岩体破岩过程则包括了正常破岩和节理面影响破岩两个过程,并且节理对竖向主裂纹向节理面扩展有加剧的作用。节理面下方岩石较完整,节理面阻碍裂纹朝节理面下方岩石传播。     

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。     

围压对TBM滚刀破岩影响规律的线性切割试验研究

 随着TBM技术在深埋隧道工程领域的应用及发展,TBM开挖过程中由高埋深或各向异性引起的岩石应力问题越来越受到人们的重视。应用北京工业大学自行研制的大型机械破岩试验平台,对4组双向等围压水平下(0,5,10和15 MPa)的大尺寸(1.0 m×1.0 m×0.6 m)北山花岗岩岩样进行线性切割试验,研究不同围压条件下滚刀破岩时作用力的曲线特征,分析围压对滚刀法向力、滚动力、岩体特征掘进指数、破岩岩片厚度和破岩比能的影响效应,并探讨围压对TBM现场掘进速率的影响。研究结果可为不同地应力条件下TBM开挖时刀盘动力参数设计与施工运行参数优化提供参考。     

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.     

不同围压及切削顺序对TBM刀具破岩机理的影响

在综合考虑围压及刀具切削顺序的前提下,利用二维离散单元法建立双把TBM刀具切削节理不发育岩石的仿真模型,模拟出岩石裂纹的生产与扩展全过程。根据获得的裂纹扩展形态以及破碎块形成规则,总结归纳出四种典型破碎模式,并从刀具破岩效率、岩石裂纹扩展能力以及岩石破碎块度三个方面对刀具破岩机理进行进一步研究。仿真结果表明:随着围压的增加,刀具的破岩效率与裂纹扩展能力降低;同时加载方式下破岩效率比先后加载方式要大,而裂纹扩展能力则刚好相反;岩石破碎块度与破碎模式有关。     

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。     

复合岩层中TBM滚刀与围岩相互作用机理的数值模拟研究

为提高硬岩隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)在复合岩层的掘进效率,采用PFC2D(particle flow code 2D)探讨了不同围压下复合岩层裂纹扩展机制,同时采用定量的方法揭示了滚刀间距、贯入度及岩层倾角对破岩效率的影响。结果表明:1)滚刀同软岩直接接触时,滚刀下部裂纹较多,而消耗的能量较少。相反,滚刀同硬岩直接接触时,滚刀下部裂纹较少,消耗的能量却较多。2)岩层倾角对破岩效率的影响较大,45°、90°为破岩效率较高的2个极值点。3)刀间距为70和120mm时比能较小,破岩效率高。4)滚刀破岩以张拉破坏为主,剪切破坏为辅。研究结果可以为复合岩层中TBM刀盘设计及TBM施工提供一定的理论依据。     

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。     

节理倾向对TBM滚刀破岩模式及掘进速率影响的试验研究

 岩体中节理面与掘进方向的夹角是影响TBM破岩速率的一个重要因素。通过试验对TBM滚刀破岩时不同节理面与掘进方向夹角的影响效果进行研究,试验采用2种不同强度的混凝土试块模拟岩石,节理面与加载力夹角?分别为0°,30°,60°和90°。通过试验分析,主要得出以下结论：(1) 当?从0°增大至60°时,破岩角? 随之增大;当? = 90°时,? = 33°～50°,与Hertzian裂纹破岩角相近。侧向裂纹与节理方向夹角Δ? 随?变化时则保持为40°～70°。对于中间裂纹与节理方向夹角Δ?,当?≤30°时,Δ? = 0°～10°,中间裂纹与节理面接近平行;当?≥60°时,Δ?迅速增大,中间裂纹与节理面相交从而形成破岩碎片;(2) 节理岩体有3种破岩模式：第一种是从刀具下方破碎区生成侧向裂纹并向自由面或节理面扩展形成碎片;第二种是?≥60°时,中间裂纹向节理面扩展而形成碎片;第三种是?≥30°时,由于节理变形使裂纹从节理面起裂并向自由面扩展从而形成破岩碎片;(3) 当? = 60°时,破岩速率达到最高值,节理对高强度岩体的破岩影响程度更大。     

复合地层TBM滚刀破岩性能离散元数值试验

全断面岩石掘进机(TBM)因其安全性好、掘进速度快、机械化程度高等优点,已被引入煤矿岩石巷道掘进施工中。煤矿地质条件复杂,复合地层对全断面岩石掘进机掘进效率的影响不容忽视。为了探究煤系复合地层对滚刀破岩效率的影响,建立了滚刀和岩石的颗粒流离散单元模型,开展TBM滚刀的贯入度数值实验。研究结果表明:在相同破岩情况下复合地层破坏的范围小,在滚刀破岩的过程中不易形成贯通区。两种地层裂纹数目随着贯入度变化的规律大致相同。滚刀在相同破岩情况下复合地层所需要的滚刀法向力要大于单一地层硬岩所需要的。单一地层滚刀破岩最优贯入度约为4mm,复合地层滚刀破岩最优贯入度约为9mm。     

高地应力作用下大理岩岩体的TBM掘进试验研究

滚刀破岩效率的研究主要集中在室内线性试验机破岩试验和数值分析2个方面,在工地开展TBM掘进试验尚不普遍。锦屏二级水电站采用3台TBM开挖隧道群,3台TBM在不同洞深(不同地应力)条件对大理岩岩体进行TBM掘进试验、岩石渣片筛分试验及大渣片统计分析,研究岩体条件、TBM机器参数、TBM运行参数对TBM掘进速度的影响及高地应力作用下岩体可掘性指数的变化。研究结果表明:在高地应力条件下,尽管TBM掘进速度随推力增加而增大,但推力超过一定值后,TBM并不在优化状态下运行,TBM的运行需与岩体条件及地应力条件相匹配。     

不同围压条件下TBM刀具破岩模式的数值研究

为了研究不同围压条件下TBM刀具在掘进施工过程中的破岩机理,基于2-D离散单元法,利用UDEC仿真软件建立了双把TBM刀具侵入岩石的仿真模型。在此基础上设计了一组数值试验,成功地模拟出了不同围压条件以及不同刀间距下岩石裂纹生成,扩展和岩石破碎的全过程。仿真结果表明：TBM刀具作用下岩石存在四种基本的破碎模式,它们的出现与围压以及刀间距有关;破碎模式对刀具的破岩效率,岩石破碎块度均有影响;随着围压的增加,最优刀间距增大,但围压超过一定值后,最优刀间距反而减小。     

不同层厚层状岩体对TBM开挖的影响

 TBM的开挖效果在很大程度上受到节理间距的影响,TBM掘进速度随节理间距变小而增大,但节理间距过小,会造成掌子面岩体不稳,不利于TBM开挖。锦屏II级水电站引水隧洞洞段主要以层状大理岩为主,沿洞轴线方向大理岩层层厚变化较大,从几厘米到几米不等,层面是岩体中主要的不连续面,且层面与隧道轴线大角度相交。TBM的破岩过程主要受到高地应力条件和岩体层厚的影响。从TBM破岩机制角度,分析在高地应力条件下TBM在薄层面、中薄层面和厚层面大理岩层状岩体中的开挖表现,研究岩层厚度对TBM开挖的影响。     

滚刀复合磨蚀实验台研制

针对高磨蚀地层TBM施工过程中滚刀磨损严重的问题,为有效预测滚刀磨损情况,合理预算TBM刀具使用成本,基于力学相似原理,结合机电液控制方法,根据实验台开发标准要求,完成滚刀复合磨蚀试验台开发。实验台满足TBM推进、滚刀公转、滚刀自转、滚刀破岩模拟,开展纯破岩磨损、纯岩渣磨损和破岩与岩渣复合磨损实验研究。     

围压对节理岩体表征单元体尺寸的影响研究

 节理岩体的力学特性与其赋存的应力状态密切相关,已有的岩体表征单元体确定方法均没有考虑围压对表征单元体尺寸的影响。以某公路隧道为工程背景,采用三维离散元数值方法,对此问题进行研究。基于现场大量节理量测,统计出研究区岩体的优势节理组,建立岩体结构模型及三维离散元数值模型,模拟岩体的压缩试验,研究不同围压条件下表征单元体尺寸及岩体变形和力学特性的变化规律。结果表明：当围压小于20 MPa时,表征单元体尺寸随围压增加呈正相关增大;当围压大于20 MPa时,表征单元体尺寸不受围压影响,保持不变。当围压小于60 MPa时,岩体承载力随围压增加呈正相关增大;当围压大于60 MPa时,岩体承载力不随围压增加而变化。岩体的轴向应变、横向应变和体积应变随围压的变化规律也表现出明显的围压效应。     

盘形滚刀破岩力预测及试验研究

盘形滚刀破岩力是全断面掘进机施工过程的关键参数,是刀盘设计的重要依据。深入分析了盘形滚刀刀圈与围岩相互作用的过程,提出了以被压岩石为研究对象,对被压围岩应力分布函数进行积分推算,建立滚刀刀圈破岩力的预测模型;运用库仑-莫尔准则构建了滚刀刀圈切向力模型。通过设计盘形滚刀单刀线性破岩试验,经过试验结果对比和误差分析,验证了所构建的滚刀破岩力预测模型的准确性和有效性,为TBM刀盘结构设计优化提供一定的理论依据,可为实际施工提供科学指导。     

考虑多尺度结构的贯通节理岩体损伤摩擦耦合模型

基于贯通节理岩体结构的多尺度特征,采用两步均匀化方法,给出了节理岩体在复杂荷载作用下的自由焓表达式,建立了节理岩体损伤摩擦耦合本构模型。模型可同时考虑岩块损伤扩展、微裂纹滑移剪胀、法向刚度恢复,节理面多阶凸起体滑移磨损、剪胀演化以及节理与岩块相互作用等特征,较好地反映岩体内部微裂纹、节理等不同尺度微结构变化对其力学特性的影响。采用Lac du Bonnet花岗岩三轴压缩试验、花岗岩节理剪切试验以及不同节理倾角与不同围压下Martinsburg板岩三轴压缩强度试验等成果对模型进行了验证,模型预测值与实测值相当吻合,论证了模型的准确性。     

柱状节理岩体渗透性模型试验研究

针对柱状节理岩体渗透性质的研究较少,开展了柱状节理岩体相似材料的模型试验,研究了柱状节理岩体相似材料在多次围压循环加卸载作用下的渗透性质,分析得出柱状节理岩体存在表征单元体积,可以采用等效连续介质模型分析柱状节理岩体的渗流性质,提出了计算柱状节理岩体渗透率张量的方法,基于张量不变性理论,推导出了柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数的计算公式。研究表明:在围压初次加载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数随围压加载显著降低,在随后的围压循环加卸载阶段主渗透系数保持较低值,围压的加卸载对柱状节理岩体的主渗透系数影响较少,且在每个围压加卸载阶段,柱状节理岩体渗透张量的主渗透系数与围压均呈幂函数关系;柱状节理岩体渗透张量的主方向随着围压加卸载逐渐增大,在初次围压加卸载阶段增长显著,在此后的围压加卸载阶段缓慢增长;柱状节理岩体在低围压下渗透各向异性较为显著,且随着柱体倾角增大渗透各向异性逐渐减弱,在第一次围压加载阶段,随围压增大柱状节理岩体的渗透各向异性迅速减弱,当加载到高围压时,柱体倾角对柱状节理岩体的渗透各向异性几乎没有影响,在此后的围压循环加卸载阶段,柱状节理岩体的渗透各向异性稳定在较低水平,柱体倾角对渗透各向异性的影响很微弱;柱状节理岩体的渗透性质均是在第一次围压加载阶段发生显著变化,且围压卸载后渗透性质不能恢复,此后的围压循环加卸载对其渗透性质影响很小。