结泥条件下TBM滚刀破岩能量演化机制及掘进参数优化研究

岩石隧道掘进机(Tunnel Boring Machine, TBM)在泥岩地层掘进过程中，渣土易形成泥浆黏附在滚刀和刀盘表面，出现刀盘结“泥饼”现象，严重降低掘进效率。为了揭示结泥对TBM滚刀破岩效率的影响，防止滚刀结泥，使用离散元程序PFC3D模拟TBM滚刀回转切割泥岩过程，计算了系统总能量E、弹性应变能E_e、摩擦能E_μ、阻尼能E_β、动能E_k和黏结能E_a,从能量演化角度研究结泥条件下TBM滚刀破岩机制。随后分析了不同刀盘推力、滚刀刀刃角和刀刃宽度下的TBM滚刀破岩过程中的能量特征，根据“累积热量和累积黏结能最低，且滚刀表面黏附的泥化物质量最小”的原则，对上述掘进参数进行优化。研究结果表明，PFC3D中的黏聚滚动阻力线性模型可实现滚刀结泥过程；在结泥情况下，泥化物的形成将显著提高机械做功，消耗大量能量，降低滚刀破岩效率；提高刀盘推力可以促进泥化物的形成，导致刀盘升温，诱发泥化物黏附在滚刀表面。选用刀刃角为40°的V形滚刀，设最优刀刃宽度为13 mm,可减小滚刀结泥情况。研究结果可为相关工程中预防刀盘结“泥饼”提供理...