不同围压条件下TBM刀具破岩模式的数值研究
不同围压与节理特征下盘形滚刀破岩数值研究
不同围压与节理特征下盘形滚刀破岩数值研究谭青;张旭辉;夏毅敏;朱逸;易念恩;张佳【摘要】为了研究围压、节理特征对盘形滚刀破岩的影响,采用颗粒离散元法建立了不同围压、节理特征下的盘形滚刀破岩模型并进行数值仿真,研究不同围压与节理特征下对应的破碎模式、破岩比能耗和裂纹数目.研究表明:盘形滚刀破岩时,随着围压与节理特征的变化,会呈现4种破碎模式;其中当围压为50 MPa,节理间距小于60 mm以及节理倾角在30°附近时呈围压促进破碎模式,该破碎模式类似于岩爆,破岩比能耗极低;当围压和节理间距一定时,比能耗随着节理倾角的增大先减小后增大,且在30°时取得最小值;当围压和节理倾角一定时,比能耗随着节理间距的增大而增大;当节理间距一定时,节理倾角在0°,90°附近时,比能耗随着围压的增大而增大.而当节理倾角在15° ～75°时,比能耗随围压由1 MPa增加到25 MPa时而增大,由25 MPa增加到50 MPa时而减小;另外,破碎模式、比能耗和裂纹数目三者关系密切,其中比能耗和裂纹数目之间的变化趋势相反.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2014(039)007【总页数】9页(P1220-1228)【关键词】盘形滚刀;围压;节理间距;节理倾角;破碎模式;比能耗;裂纹数目【作者】谭青;张旭辉;夏毅敏;朱逸;易念恩;张佳【作者单位】中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;湘潭大学机械工程学院,湖南湘潭411105【正文语种】中文【中图分类】TP391.9;U455.3全断面隧道掘进机(TBM)已经广泛使用于地下空间的隧道掘进工程中,而TBM盘形滚刀破岩又是掘进过程中的核心内容,因此对盘形滚刀破岩的研究显得极为重要。
TBM滚刀破岩机理与影响因素数值模拟研究
收稿日期：2017-05-16基金项目：国家自然科学基金项目（51609266）；国家重点研发计划课题（2016YFC0401804）；国家重点基础研究发展计划项目（2013CB035401）；中国水利水电科学研究院基本科研业务费专项项目（GE0145B452016，GE0145B822017）作者简介：刘立鹏（1983-），男，安徽六安人，高级工程师，主要从事岩石力学与岩土工程体稳定性研究。
E-mail ：liulip@文章编号：1672-3031（2017）05-0346-09中国水利水电科学研究院学报第15卷第5期TBM 滚刀破岩机理与影响因素数值模拟研究刘立鹏1，汪小刚1，刘海舰2，孙兴松1（1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038；2.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037）摘要：为研究全断面岩石掘进机（TBM ）滚刀破岩机理与破岩效果影响因素，采用颗粒流程序（PFC ）建立滚刀破岩模型，通过单轴压缩与巴西劈裂试验结果，标定PFC 程序参数，模拟滚刀破岩过程并对岩石强度、围压等破岩效果影响进行研究分析。
结果表明：滚刀破岩历经前期压密、中期挤压剪切、后期挤压张拉破坏的组合破岩模式，整个破岩过程中滚刀出现反复加-卸荷交替及跃进破岩现象。
岩石强度过高难以产生径向裂纹、强度过低侧向裂纹扩展不明显，破岩效果均不佳，TBM 滚刀只对于中等强度范围内岩石较为合适。
围压影响裂纹生成与扩展，较高时将抑制径向裂纹发育，降低破岩整体效果。
研究成果可为TBM 选型及滚刀设计提供一定参考。
关键词：隧道工程；滚刀破岩机理；颗粒流程序；影响因素中图分类号：TU452文献标识码：A doi ：10.13244/ki.jiwhr.2017.05.0031研究背景1856年，美国约翰·威尔森制造出世界上第一台全断面岩石掘进机（Full Face Rock Tunnel BoringMachine ，TBM ），并在马萨诸塞州Hoosac 铁路隧道中进行了掘进试验。
破岩原理和刀具设计中围岩力学参数的选择
TBM启动后，在强大的纵向推力作用下，刀具荷载将岩石挤压变形。
随着刀盘的转动，逐渐形成以掌子面中心为圆心的一系列同心“刀辙”，如图2(a)。
当岩石强度较高时，这些刀辙可能主要表现为纵向位移，刀刃附近产生的粉渣很少，即刀圈几乎没有真正切人岩石；当岩石强度较低时，刀刃附近岩石被粉碎，形成粉渣，这时刀圈切进到岩石中，如图2(b)。
无论那一种情况，随着刀盘的不断转动，刀辙会越来越深。
随着刀辙的加深，刀具两侧岩石中出现裂纹，而且裂纹数量越来越多。
破裂范围也越来越大；当两把相临刀具之间的裂纹区重合时，它们之问的岩石就会以碎块的形式散落下来，如图3(b)，刀盘上的铲斗会自动将石渣收集到主机皮带机上运出洞外。
随着相临刀具间岩石碎块的连续散落，不断推进。
上面讨论的是刀具破岩的理想状态，如图3(a)。
当破岩情况不理想时，两个相临刀具之间的岩石不能及时形成碎块而脱落，刀具切入岩石内，掘出废渣的特征是岩粉多，岩块少。
岩粉主要是刀具研磨作用产生的，因此，不仅掘进速度慢，而且刀具磨损也十分严重。
秦岭北口就属于这种情况，当时的废渣中，粉渣含量竞高达40％ J。
当113M处于掘进状态时，刀具除了对掌子面有垂直压力作用外，还有切向力，并伴有动力作用。
刀具对掌子面垂直压力的大小取决于TBM的最大推力和刀具数量，秦岭隧道所用TBM的设计其最大推力为21 000 kN，刀具73把，每把刀具对掌子面的最大垂直推力约为288 kN。
刀具与掌子面的接触面形状近似于椭圆形。
由于常用刀具最大厚度仅有80 mm，刀口厚度仅有8 mm ，因此，可以假定刀具压力是以集中荷载的形式作用于掌子面。
鉴于开挖断面一般都比较大，如秦岭隧道达60.8 m2。
这种概化是合理的。
刀具对掌子面的切向力(Q)的大小与垂直压力P和刀具与掌子面之间的附着系数k有关。
一般情况下，Q的最大值不会超过P与k的积，即Q ≤ kP 与垂直压力相比，水平力的量级相对较小。
在紧急停机时，可能达到较高的量级。
不同刃型组合的TBM滚刀破岩数值模拟研究
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RC,切 向 与
法向载荷之比)和比能(
SE).
１ 数值模型及试验验证
１．
１ 数值模型构建
所建滚刀破岩模型如图 １ 所示,模型由 ３ 把直径
为 ４３２mm 的盘型滚刀和 １ 块长方体岩样组成.３ 把
滚刀以角速度 ω 绕各自局部坐标系的 x 轴自转,各滚
刀的局部坐标系与滚刀中心 p１、
p２ 和 p３ 固联,各把
的快速磨损和刃宽增大,其破岩效率急剧下降;与之
相比,
CCS 型 滚 刀 由 于 刃 宽 不 随 磨 损 发 生 明 显 变
收稿日期:
２０２０
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０２
Ｇ
１０
作者简介:侯显俊(
１９８２
Ｇ),男,山西孝义人,高级工程师,从事施工项目管理工作.
TBM滚刀破岩过程影响因素数值模拟研究_孙金山
2011年6月 Rock and Soil Mechanics Jun. 2011收稿日期：2007-9-21基金项目：国家自然科学基金资助项目（No. 50725931，No. 50839004，No. 50909077）；中国地质大学（武汉）优秀青年教师基金资助项目（No. CUGL090218，No. CUGL090212）。
第一作者简介：孙金山，男，1980年生，博士，讲师，主要从事岩土与地质工程方面研究。
E-mail: sun99001@文章编号：1000－7598 (2011) 06－1891－07TBM 滚刀破岩过程影响因素数值模拟研究孙金山1, 2，陈 明3，陈保国1, 2，卢文波3，周传波1（1. 中国地质大学（武汉）岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，武汉 430074；2. 中国地质大学（武汉）工程学院，武汉 430074；3. 武汉大学 水资源与水电工程科学国家重点试验室，武汉 430072）摘 要：全断面岩石掘进机（TBM ）的破岩效率主要受刀盘设计和岩体特征的影响。
采用颗粒流方法建立了岩石试件与滚刀的数值模型，对TBM 滚刀破岩过程的影响因素进行了分析。
研究表明，单刃滚刀交替作用下强度较低的岩石中易形成规则的张拉裂纹而生成较大岩碴；强度较高的岩石中滚刀的侧向挤压促使形成块度较小的片状岩碴；双刃滚刀作用下岩石表面受到强烈挤压后出现较大的拉应力，使岩石更易破碎，且仅在强度较高的岩石中才易形成透镜状岩碴。
滚刀破岩过程中存在能耗最小的最佳间距，该最佳间距随着岩石强度的增大而减小。
滚刀破岩过程中，结构面对裂纹扩展具有显著的控制性作用，并阻隔损伤向结构面下的岩石中渗透；随着结构面与滚刀侵入方向夹角的减小，结构面将引导裂纹向岩石深部扩展，而当夹角较大时，结构面则会引导裂纹横向扩展，易导致大块岩碴的形成。
关 键 词：全断面岩石掘进机（TBM ）；滚刀；破岩；颗粒流法；数值模拟 中图分类号：TU 443 文献标识码：ANumerical simulaiton of influence factors for rock fragmentation by TBM cuttersSUN Jin-shan 1, 2, CHEN Ming 3, CHEN Bao-guo 1, 2, LU Wen-bo 3, ZHOU Chuan-bo 1（1. Engineering Research Center of Rock-Soil Drilling & Excavation and Protection of Ministry of Education, China University of Geosciences (Wuhan),Wuhan 430074, China; 2. Faculty of Engineering, China University of Geosciences (Wuhan), Wuhan 430074, China; 3. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China ）Abstract: The cutterhead and rock mass characteristics affect the excavation efficiency of full face rock tunnel boring machine (TBM) strongly. The numerical models are made by the particle flow code method (PFC2D) to simulate the rock fragmentation under TBM disc cutters. Numerical simulation tests show that some factors influence the rock fragmentation process strongly. In the relative weak rocks, the regular tension cracks and the big mucks form more easily, when the disc cutters penetrate rocks alternately; in hard rocks, the formation of small disc shape mucks depends on the lateral extrusion of cutter rings. Under the double disc cutters, the rocks crush more easily because of the tension stress which comes form strong compression of cutters, and the disc shape mucks only form in very hard rocks. There is optimal cutter spacing for different strength rocks, which increase with rock strength decreases. In the process of rock fragmentation, discontinuities control the propagation process of cracks and obstruct the cracks spread to the underside of discontinuities. The discontinuities will guide the cracks spread deep in rocks, when the angle of cut-in direction and discontinuity decreases. And the discontinuities will guide the cracks spread transversely when the angle increases. Key words: tunnel boring machine(TBM); cutter; rock fragmentation; particle flow code method; numerical simulation1 引 言全断面岩石掘进机（tunnel boring machine ，简称TEM ）盘形滚刀的破岩机制的研究至今已有50余年的历史，许多研究者提出了不同的解释[1–2]，主要有3种理论：剪切机制、张拉机制和综合作用机制。
复合岩层TBM滚刀破岩过程数值模拟与试验研究
复合岩层TBM滚刀破岩过程数值模拟与试验探究摘要：随着隧道工程的不息进步，越来越多的工程岩层都属于复合岩层，其岩层结构复杂，破裂机理难以理解。
目前，盾构机在岩土工程中的应用越来越广泛，特殊是对于长跨度城市隧道等大型隧道工程的施工更是必不行少的。
然而，复合岩层中的不同岩石结构不同，很难对不同的岩石进行不同的力学参数的刻画，所以在设计盾构机的刀具结构时务必有足够的能力来精通和理解复合岩层的破裂机理。
本文针对复合岩层上的盾构机滚刀破岩机理进行了数值模拟与试验探究，分别从理论计算、力学分析以及试验评判三个方面进行了探究。
通过模拟分析，模拟得出了破裂过程中盾构机滚刀对不同岩石的切削力、相应的破裂效果以及岩石剥落的形式形态。
试验结果表明，在复合岩层中，盾构机滚刀对整个岩体压力的分配匀称，削切效果明显，但对于复合岩层中的高强度岩石在滚刀破裂时出现了岩石卡在滚刀轮面的现象。
因此，我们建议在设计盾构机刀具时需要将复合岩层中不同的岩石的力学参数进行刻画，并结合试验结果进行综合评估，以保证盾构机的高质量、高效率的工作。
关键词：盾构机；滚刀破岩；复合岩层；破裂机理；数值模拟；试验探究。
1. 引言随着城市化进程的加速，地下空间的需求越来越大，隧道工程也随之快速进步。
而盾构机作为地下隧道工程中最主要的施工设备之一，其技术水平也不息提高。
然而，随着隧道越来越深、复杂岩层的出现，盾构机面临着越来越大的挑战。
尤其在复合岩层中的盾构机滚刀破岩机理方面，其破裂机理更加复杂，特殊是对岩体的力学性质要求更高。
因此，本文针对复合岩层上的盾构机滚刀破岩机理进行了数值模拟与试验探究，旨在深度精通和理解复合岩层的破裂机理，为设计高效、高质量的盾构机提供科学依据。
2. 复合岩层盾构机滚刀破岩数值模拟针对复合岩层中的盾构机滚刀破岩机理，本文接受ANSYS软件进行了数值模拟分析。
起首，通过建立复合岩层的有限元模型，分别对不同类型的岩石进行材料属性的定义。
TBM多刀不同切削顺序破岩过程的数值研究
械 的使用 ［ ． １ 刀具 是 ＴＢ 隧道 掘进 机 ） ］ Ｍ（ 的关键 破岩
部件， 而作 为 主要 掘进刀具 的滚刀 ， 其破 岩效率 直接
１ 模 型 的建 立 及 参 数 的 选 取
ＴＢ 在施 工 中常遇 到各种 复杂 的地 质条件 ， Ｍ 建
立 全 因素模型 是不 现 实 的 ， 因此 须 对 实 际 问题 进 行 必 要 的简化． 文 对 破 岩 过 程进 行 适 当简 化 ， 定 本 假 ＴＢ 在 特定单 一 的地 层 下 掘进 ， 略 地 下 水 、 度 Ｍ 忽 温
第２ １卷 第 ３ 期
２ １ 年 ９月 ０１
湖 南 工 程 学 院 学 报
Ｖ １ ２ ． ． ｏ ． １ Ｎｏ ３
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ＴＢＭ 多 刀 不 同 切 削 顺 序 破 岩 过 程 的 数 值 研 究
软 件 建 立 了无 围压条 件 下三把 Ｔ Ｍ 刀具 按 不 同次序 截割 节理不发 育岩石 的仿 真模 型． 此基 础 上设 Ｂ 在 计 了一组 数值 试 验 ， 功 地模 拟 出 了 ＴＢ 刀具在 切割 岩石 时 ， 石裂 纹 生成 、 成 Ｍ 岩 扩展 和岩 石 破碎 块 形成
的全过 程． 真 结果表 明 ： 同时加栽 时所 需的 刀具 临界 应 力 更 大； 仿 不 同时加 栽和 顺 次加 栽 时存 在 两种 不 同的破碎 模 式 ， 虽然破碎 区都 由侧 向裂纹 交汇而成 ， 但破碎 块 的形状 有所 不 同； 三种加 载方 式下 ， 力 的 应
面时必 定存在 着某 一 先 后顺 序 ， 同的 滚压 次 序 对 不
不同地质工况条件下TBM刀具破岩模式研究
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张魁 ， 夏毅敏 ，朱 Biblioteka 铭 ，兰浩 ，林赉 贶 ，暨智勇
（ １ ． 中南大学 现代复杂装备设计与极端制造教育部重点 实验室 ， 湖南 长沙 ４ １ ０ ０ ８ ３ ； ２ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｉ ｒ ｎ ｇ ， Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ ｏ ｆ Ｈ ｕ ｌ ｌ ，
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TBM掘进机盘型滚刀的研制
TBM掘进机盘型滚刀的研制刘春(中国铁路工程总公司，北京100055)摘要：TBM刀具是关系TBM掘进速率的基本要素。
通过对刀具工作条件的分析和研究，指出刀具寿命与岩石完整性及其在刀盘的位置相关；提出关于整刀及其刀圈、刀体、刀轴、托架、轴承、油封等部件选材、热处理和加工精度的技术指标要求以及相应试验方法和原则：最终以刀位系数作为刀具评价标准，选取优良刀具进行现场试验。
关键词：随道；施工设备；TBM掘进机；盘型滚刀；研制自1997年我国引进TB880E掘进机(以下简称TB M)以来，已成功将其应用于秦岭、磨沟岭和桃花铺等隧道的掘进施工，提高了施工速度，降低了工程成本。
但在施工实践中，仍存在刀具消耗量大、更换耗时等问题。
掘进机使用盘形滚刀在岩面滚压破碎岩石，掘进成洞。
作为破岩工具，盘形滚刀刀具磨损速率直接影响隧道掘进速度和掘进成本，尤其使用大直径TBM在硬岩中掘进，消耗盘形滚刀的数量更大，影响就更为突出。
据统计[1],TBM每掘进10.865km(直径8.8 m)，盘形滚刀破碎岩石66 xl04m3．使用各类盘形滚刀1201套，消耗各类刀圈4218个，更换刀具轴承2239套。
为减少刀具消耗数量，降低购买成本，结合施工实际，开发研制了新型TB880E掘进机盘型滚刀。
1 TBM施工对盘形滚刀的使用要求在掘进过程中，盘形滚刀要承受伴随破岩过程产生的高强度冲击与振动、剧烈摩擦和温度的变化，造成刀圈磨损乃至断裂、密封损坏而漏油、轴承疲劳损坏和碎裂、联接螺栓松动或断裂等一系列损坏，使盘形滚刀失去破岩能力，必需更换与检查维修。
TBM施工对盘形滚刀提出以下使用要求：(1)刀圈必须具备高应力下的耐磨性和冲击韧性：(2)盘形滚刀必须具有较高的承载能力，在巨大压力和强烈振动的工况下能正常运转、破岩：(3)轴承有充分的润滑和可靠的密封；(4)盘形滚刀在刀盘上安装固定可靠，在振动与冲击的作用下，盘形滚刀螺栓不松动、断裂。
2 盘型滚刀工况2.1 盘型滚刀在大刀盘上的布置如图1所示，在TB880E刀盘上有6把中心刀、62把面刀（正滚刀）、3把边刀，共计71把刀进行掘进，另外还有2把扩孔刀，作为更换边刀时扩孔之用。
TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟
TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟杨圣奇;黄彦华【摘要】采用颗粒流再现了锦屏大理岩脆—延—塑性转化特征,利用获得的细观参数建立TBM滚刀破岩离散元模型,模拟了单个TBM滚刀侵入断续单裂隙岩体过程,分析了裂隙倾角和围压对滚刀破岩效果的影响规律,最后从细观层面探讨了滚刀破岩机理.结果表明:含单裂隙岩体在单刀作用下,总体上表现为压缩性破坏、规则裂纹萌生与扩展、粉核区形成和主裂纹贯通4个阶段;当裂隙水平时翼裂纹萌生于裂隙中部,裂隙倾角较小时翼裂纹萌生于距尖端一定距离处,随着裂隙倾角的增大翼裂纹在裂隙尖端萌生.随着围压的增大,粉核区的范围逐渐变大,在高围压作用下出现侧向裂纹向自由面扩展;裂隙岩体比完整岩石更容易发生破坏,而且不同倾角裂隙岩体破坏难易程度也有所不同,总体上表现为:15°＜45°＜60°＜0°＜30°＜90°＜75°破岩由易到难.有围压条件下破岩难于无围压条件,且困难程度随着围压的提高而增大.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2015(040)006【总页数】10页(P1235-1244)【关键词】TBM;滚刀破岩;颗粒流模拟;细观机理;大理岩【作者】杨圣奇;黄彦华【作者单位】中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116【正文语种】中文【中图分类】U451.2杨圣奇,黄彦华. TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟[J].煤炭学报,2015,40(6):1235-1244. doi:10. 13225/ j. cnki. jccs. 2014. 3036Yang Shengqi,Huang Yanhua. Particle flow simulation on rock fragmentation process and meso-mechanism by a single TBM cutter[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(6):1235-1244. doi:10. 13225/ j. cnki. jccs. 2014. 3036全断面岩石掘进机(tunnel boring machine,TBM)具有施工快、质量高和操作环境好等优点,已被应用与公路隧道、水利隧洞等岩石工程中。
围压对TBM滚刀破岩影响机制研究_彭琦
TBM single cutter mechanical model
两侧岩石的劈裂破坏更加容易，边裂纹扩展范围会 越来越大。 围压对滚刀作用下破坏过程影响比较复杂，不 同破损区、不同作用方向的影响各异。围压会抑制 粉碎区的扩展，对滚刀作用方向的中裂纹扩展约束 作用也很大，这也导致了围压增高，岩石的压入越 困难，压入强度会越高。而在水平方向的裂纹扩展 区，围压则会促进边裂纹的扩展，有利于滚刀间的 岩片形成。对于围压下滚刀作用后粉碎区和裂纹的 扩展情况，需要进行室内试验或者数值模拟进行深 入研究。
3 数值模拟分析
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TBM 滚刀破岩的主要作用过程为滚刀推力作 用下裂纹的发育进程，裂纹的产生、扩展是滚刀的 正推力主导的，因此可以将 TBM 滚刀破岩过程视
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为平面问题，不考虑滚刀的切向作用力。为了探明 围压作用对滚刀正推力作用下裂纹的发展状石破坏过程进行了仿真模拟分析。 计算模型如图 3 所示。 模型尺寸为 400 mm×400 mm，岩石划分为 4 mm 的精细网格。TBM 滚刀的 正推力等效为均布荷载，作用宽度为 19 mm。模型 中采用 Mohr-Coulomb 破坏准则，并考虑重力的影 响。岩石材料采用锦屏二级水电站引水隧洞黑色大 理岩 T25y 的力学参数[12-13]，见表 1。
，应用 3 由 于 有 围 压 0 的 作 用 增 大 到 3
Mohr-Coulomb 准则分析，见图 4，原本发生剪切破 坏的单元不会发生破坏。因此，在同等滚刀作用力 下，围压越大，粉碎区的范围越小，滚刀作用方向 的粉碎区深度也越浅，而粉碎区的深度跟滚刀的切 入深度又是密切相关的，滚刀更难压入，表现为在 围压作用下达到相同的切入深度，需要的滚刀作用 力越大。
TBM滚刀破岩机理与影响因素数值模拟研究
TBM滚刀破岩机理与影响因素数值模拟研究刘立鹏;汪小刚;刘海舰;孙兴松【摘要】为研究全断面岩石掘进机(TBM)滚刀破岩机理与破岩效果影响因素,采用颗粒流程序(PFC)建立滚刀破岩模型,通过单轴压缩与巴西劈裂试验结果,标定PFC 程序参数,模拟滚刀破岩过程并对岩石强度、围压等破岩效果影响进行研究分析.结果表明:滚刀破岩历经前期压密、中期挤压剪切、后期挤压张拉破坏的组合破岩模式,整个破岩过程中滚刀出现反复加-卸荷交替及跃进破岩现象.岩石强度过高难以产生径向裂纹、强度过低侧向裂纹扩展不明显,破岩效果均不佳,TBM滚刀只对于中等强度范围内岩石较为合适.围压影响裂纹生成与扩展,较高时将抑制径向裂纹发育,降低破岩整体效果.研究成果可为TBM选型及滚刀设计提供一定参考.%In order to study the rock breakage mechanism and influence of the full-face Tunnel Boring Machine (TBM) cutters,the rock breakage model of cutter was established by the Particle Flow Code(PFC).Parameters of the PFC program were calibrated by uniaxial compression and Brazilian test.The rock breakage mechanism and the influence of rock strength and confining pressure on rock fragmentation by TBM cutters are successfully studied by using numerical simulation.The results show a composite rock breaking model of the rock breaking mechanism by TBM cutters through a process of the pre-compaction,the medium-time extrusion shear failure and the late extrusion tension failure.Loading and unloading alternately occurs throughout the process of the cutter.At the same time,the cutter shows the phenomenon of jumping.It is difficult for high rock strength to produce radial cracks,and there is no obvious lateral crack expansion with low rockstrength.In both cases,the effect of rock breaking of TBM cutters is not obvious,only for a certain strength range of rock is more appropriate.The confining pressure affects the formation and expansion of the crack,the higher confining pressure will inhibit the radial crack development to reduce the rock breaking effect.The research results can provide some reference for TBM selection and cutter design.【期刊名称】《中国水利水电科学研究院学报》【年(卷),期】2017(015)005【总页数】9页(P346-353,359)【关键词】隧道工程;滚刀破岩机理;颗粒流程序;影响因素【作者】刘立鹏;汪小刚;刘海舰;孙兴松【作者单位】中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038;中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京100038;北京城建设计发展集团股份有限公司,北京 100037;中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室,北京 100038【正文语种】中文【中图分类】TU4521 研究背景1856年，美国约翰·威尔森制造出世界上第一台全断面岩石掘进机（Full Face Rock Tunnel Bor⁃ing Machine，TBM），并在马萨诸塞州Hoosac铁路隧道中进行了掘进试验。
TBM破岩实验及数值研究1
在刀具侵入破岩研究的基础上，开展动载冲击破岩实验研究，并 对冲击载荷下预制裂纹扩展模式以及破坏形式进行研究。
谢谢各位!
22.1
21.2
90 23.3
29.6
60 22.7
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45 21.9
32.5
30 22.3
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0
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27.7
长度 （mm）
31.5
[(cocso(s)*)2(cossi( n))2
36.9
2sin()(cocso(s)*)(1cossi( n))]12(3)
23.2
式中：为主裂纹长度； *
本课题拟采用室内实验与数值模拟相结合的方式，研究不同围压 下，动静载荷对完整岩体与预制裂纹岩体破岩效果的影响。
研究内容
1.室内试验研究 1.1 TBM冲击破岩装置的改造
针对TBM的冲击破岩方式， 设计与其破岩过程相适应的实 验装置。基于中南大学自主研 发的TRW-3000真三轴试验机 （如图1所示），设计TBM冲 击破岩实验平台。
80
A=0.2mm/s A=0.4mm/s A=0.6mm/s
中间裂纹长度(mm) 侧向裂纹长度(mm)
70 60
60 40
50 20
40
0
1
2
3
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5
频率(Hz)
图25 动静载荷对中间 裂纹发育的影响
0
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频率(Hz)
图26 动静载荷对侧向 裂纹发育的影响
3 研究成果及进一步工作
3.1 研究成果：
切削能 (KJ) 比能(J per crack)
切削能
TBM滚刀作用下岩石破坏过程数值模拟
第9卷第1期黑龙江科学V〇l. 9 2018 年 1月HEILONGJIANGSCIENCE January 2018TB M滚刀作用下岩石破坏过程数值模拟张忠成"，付佳星2,李守巨2(1.满洲里出入境检验检疫局，内蒙古满洲里021400;2.大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连116024)摘要：根据岩石Dracker-Prager塑性屈服准则和岩石的力学特性，利用ABAQUS软件建立了全断面岩石隧道掘进机(TBM)滚刀破岩的仿真模型，并对滚刀的破岩过程进行了仿真。
模拟结果表明：岩石内聚力和内摩擦角的选取对滚刀破岩过程中法向力的影响较大，法向力随着岩石内聚力和内摩擦角的增大而增大。
在岩石破坏前，法向力随着滚刀下压深度的增加而增加。
对于所选定的岩石力学参数，当y方向剪应变达到0.183时,岩石出现破碎。
这对改进刀盘参数的设计、提高掘进效率具有一定的指导意义。
关键词：TBM滚刀；数值模拟;Dracker-P rgK模型；法向力；破岩过程中图分类号：U455 文献标志码：A文章编号：1674 -8646(2018)01 -0014 -05Numerical simulation of process of rock breaking by TBM cutterZHANGZhong-cheng1，F U Jia-xing2，LI Shou-ju2(1 Manchuria Entry-exit InspectionT Quarantine Bureau，Manchuria021400，China;2.State Key Laboratory Structural Analysis for Industrial Equipment，Dalian University of Technology，Dalian116024，China) Abstract %According to Drucker-l^rager plastic yield criterion of rock and rock mechanical properties，of rock breaking by TBM(tunnel b oring machine)cutter was established by using ABAQUS software and process of rock cutting was simulated.The simulative results show that tlie selection o f rock cohesion and internal fri influence on the normal force in the rock breaking process of tlie cutter.The normal force increases with the increase of the cohesion and the internal friction angle of tlie rock.B efore the rock is destroyed，the no increase of tlie depth of tlie cutter.For the selected rock mechanics parameters，when the shear str reaches0.183，the rock is broken.This is instructive for improving the de the development efficiency.Key words ：TBM cutter；Numerical simulation；Drucker-Prager model;Normal force；Rock breaking process全断面岩石隧道掘进机（Full face rock tunnel boring machine，简写为TBM)是铁路、公路、水电、矿山和 城市地铁等领域地下隧道施工的关键设备。
复合地层TBM双滚刀破岩过程数值流形模拟研究
复合地层TBM双滚刀破岩过程数值流形模拟研究刘学伟;魏莱;雷广峰;刘泉声【摘要】大型交通、矿山和水利工程TBM施工中不可避免会遇到复合地层,复合地层中TBM双滚刀破岩特征与均质岩层有较大差异.基于数值流形方法处理非连续问题的能力,引入弱不连续物理覆盖来对复合地层层理面进行表征,提出了模拟裂隙网络扩展过程的数值流形算法,进一步建立了模拟复合地层滚刀破岩过程的数值流形模型.同时,对软硬不均复合地层中不同刀间距的双滚刀破岩过程进行了模拟分析,研究发现:在相同贯入度下,不同滚刀间距的应力分布均具有明显的不对称性,硬岩中滚刀推力远高于软岩,从而易造成滚刀偏磨;当滚刀间距为100 mm时,两滚刀间岩片厚度达到最大值23.7 mm,刀间距增大或减小时,岩片厚度均出现降低趋势;不同刀间距条件下,软岩的破碎率均高于硬岩,其中软岩破碎率随刀间距的增加而增大,硬岩破碎率则在刀间距为100 mm时达到最大值10.5％.上述结果表明,在复合地层中,岩性对于TBM岩机安全及破岩效果的影响要大于滚刀间距,研究成果可以反映复合地层滚刀破岩规律.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2015(040)006【总页数】10页(P1225-1234)【关键词】TBM;复合地层;滚刀;数值流形方法【作者】刘学伟;魏莱;雷广峰;刘泉声【作者单位】中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉430071;中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉430071;中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室,湖北武汉430071;武汉大学水工岩石力学教育部重点实验室,湖北武汉430072【正文语种】中文【中图分类】U455.3刘学伟,魏莱,雷广峰,等.复合地层TBM双滚刀破岩过程数值流形模拟研究[J].煤炭学报,2015,40(6):1225-1234. doi:10. 13225/ j. cnki. jccs. 2014. 3039Liu Xuewei,Wei Lai,Lei Guangfeng,et al. Numerical manifold simulation for rock fragmentation process under TBM double cutters in mixed ground[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(6):1225-1234. doi:10. 13225/ j. cnki. jccs. 2014. 3039mentation in soft rock is higher than that in hard rock. Especially,the percentage of fragmentation in soft rock increases with the increase of the cutter spacing,while the percentage of fragmentation in hard rock reaches maximum value 10.5% when cutter spacing is 100 mm. The results show that the influence of rock property on the rock fragmentation is higher than cutter spacing. The research conclusions can reflect rock fragmentation law under the TBM cutter in mixed face ground.目前,我国铁路、公路、调水等重大工程越来越多,特别是在西部地区山高谷深地区,由于要穿越崇山峻岭,因此修建的长大隧道(洞)也越来越多。
TBM滚刀不同切削顺序下破岩特性及优化布置研究的开题报告
TBM滚刀不同切削顺序下破岩特性及优化布置研究
的开题报告
【选题背景】
目前，随着城市化的不断发展，隧道建设越来越重要。
在地质条件复杂的地区，如岩溶地区，特殊的隧道掘进技术——TBM（盾构机）正逐步普及。
相比于传统开挖方法，TBM工程减少了噪声、振动以及地质灾害的风险，同时控制建造时间和成本，因此，TBM技术已经成为现代隧道工程的主要方法之一。
然而，TBM掘进的过程需要特别关注破岩问题，因为不合适的刀具布置和切削顺序会导致工具之间磨损不均，从而影响机械的寿命和运行效率。
因此，通过研究不同切削顺序下TBM滚刀破岩特性及优化布置，可以提高TBM机械的使用寿命和运行效率，从而更好地推进隧道工程的发展。
【研究目的】
本研究旨在通过实验探究不同切削顺序下TBM滚刀破岩特性，并通过优化刀具布置方案改进机械的使用寿命和运行效率，为隧道工程提供可靠的技术支持。
【研究方法】
本研究将采用“实验-数值模拟-实验验证”的研究方法。
首先，利用岩石力学试验台进行TBM滚刀破岩力学特性试验，得到不同切削顺序下的滚刀破岩能力指标。
然后，将试验结果输入到数值模拟软件中进行模拟分析，根据机械的运行状态模拟不同的切削条件。
最后，通过对模拟结果进行实验验证，优化滚刀的布置方案。
【预期结果】
本研究预计得到以下结果：
1. 不同切削顺序下TBM滚刀破岩能力指标。
2. 不同切削顺序下机械的耐用性能变化规律。
3. 基于实验和模拟分析的合理滚刀布置方案。
TBM边缘滚刀破岩机理的数值研究
TBM边缘滚刀破岩机理的数值研究夏毅敏;吴元;郭金成;田彦朝;林赉贶;卞章括【摘要】为研究刀刃角和不同被切削材料对全断面硬岩掘进机(TBM)边缘滚刀破岩机理的影响规律,基于二维离散单元法,利用UDEC仿真软件建立了一系列边缘滚刀破岩数值模型,对边缘滚刀作用下被切削体内部裂纹生成、扩展和破碎过程进行数值模拟.仿真结果表明:张拉破坏是滚刀破岩时裂纹生成与扩展的主要原因;对于不同刀刃角的边缘滚刀接近弧面下端的斜裂纹长度要比弧面上端的长;大理岩裂纹扩展能力和破岩效率均随刀刃角的增大先增大后减小,因此对于硬岩刀刃角不宜过小也不宜过大;随着被切削材料强度增大,裂纹扩展越不充分,裂纹扩展能力和破岩效率均降低;与其他材料相比,TBM边缘滚刀对大理岩破坏损伤范围最小,破岩效率最低.最后通过实验和工程数据验证了仿真方法的正确性和可行性.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2014(039)001【总页数】7页(P172-178)【关键词】TBM;边缘滚刀;破岩机理;裂纹扩展【作者】夏毅敏;吴元;郭金成;田彦朝;林赉贶;卞章括【作者单位】中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;湖南华银能源技术有限公司,湖南长沙410001;中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TD421全断面硬岩掘进机(TBM)通过刀盘在旋转过程中带动滚刀对岩石界面进行开挖[1]。
滚刀在破碎岩石的过程中承受很大荷载，强冲击，导致刀具消耗极大，据统计刀具的费用约占掘进施工总费用的1/3[2]。
滚刀结构与地质参数适应性决定了隧洞掘进效率与经济性，如何提高刀具寿命成为当前关注的焦点。
因此研究边缘滚刀破岩特性对于更深入地探究刀具磨损规律和提高刀具寿命有重要工程意义。
复合岩体的TBM破岩机理的数值模拟-精品文档
复合岩体的TBM破岩机理的数值模拟：The study of rock fragmentation mechanism by TBM cutters is the key to guide the development of TBM cutterhead and the selection of cutterhead in different geological conditions. The formation， propagation and coalescence of cracks in rock masse is the precondition of understanding the rock fragmentation mechanism by TBM cutters. Therefore， the study of rock fragmentation mechanism by TBM cutters is significant for engineering application. At present， the study of rock fragmentation mechanism mainly concentrates on the single rock. However，the complicated geological conditions are often encountered during the excavation of tunnels by TBM. In this paper， a discrete element method is employed to study the fragmentation mechanism of the composite rock mass. It could be obtained from the numerical results that the propagation of microcracks initiated from the interface leads to the coalescence of Hertzian cracks between two cutters， and the formation of chipping. Therefore， under certain conditions， the formation of chipping in composite rock mass by TBM becomes easier than that in the singlerock.Keywords：composite rock； TBM； disc cutter； mechanism of rock fragmentation根据以往工程施工经验，当岩石隧道的长径比大于600时，隧道施工采用全断面岩石掘进机（TBM）是相对比较经济的[1]。
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第32卷 第11期 岩 土 工 程 学 报 Vol.32 No.11 2010年11月 Chinese Journal of Geotechnical Engineering Nov. 2010 不同围压条件下TBM刀具破岩模式的数值研究张 魁1, 2，夏毅敏2，谭 青1，周子龙3(1. 中南大学机电工程学院，湖南 长沙 410083；2. 中南大学现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室，湖南 长沙 410083；3. 中南大学资源与安全学院，湖南 长沙 410083)摘要：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。
关键词：TBM刀具；UDEC；仿真；围压；最优刀间距；裂纹扩展；破碎模式中图分类号：TP391.9；U455.31 文献标识码：A 文章编号：1000–4548(2010)11–1780–08作者简介：张魁(1985–)，男，汉族，湖南临湘人，博士研究生，主要研究方向为岩石切削机理、机械电子工程等。
E-mail: zhangkui414313@。
Numerical study on modes of breaking rock by TBM cutter under differentconfining pressuresZHANG Kui1, 2, XIA Yi-min2, TAN Qing1, ZHOU Zi-long3(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 2. Key Laboratory of ModernComplex Equipment Design and Extreme Manufacturing, Ministry of Education, Central South University, Changsha 410083, China;3. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)Abstract: In order to research the rock breaking mechanism of TBM cutter in tunneling construction under different confining pressures, based on the 2-D discrete element method, a simulation model for breaking rock by two TBM cutters is established by using UDEC. On such a basis, a series of numerical tests are designed. The whole process of crack production and propagation is successfully simulated under different confining pressures as well as different cutter spacings. The simulated results show that there are four kinds of breaking patterns of rock which are related to the confining pressures and cutter spacings under the action of TBM cutters. Breaking patterns both affect the breaking efficiency and the rock fragment size.Along with the increasing confining pressure, the optimum cutter spacing increases, but when the confining pressure exceeds a certain value, it decreases inversely.Key words: TBM cutter; UDEC; simulation; confining pressure; optimum cutter spacing; crack propagation; breaking mode0 引 言全断面岩石掘进机（TBM）在隧道施工中扮演着极为重要的角色。
研究TBM刀具作用下岩石裂纹的生产、扩展与岩石破碎模式，是岩石力学领域中的一个经典课题。
Hertz[1]最早于19世纪80年代初定量地描述了在两个弹性体接触过程中，当侵入体载荷达到临界值时在被侵入体内所产生的圆锥形裂纹及其向下的扩展问题。
Maurer和Rinehart[2]、Nishimatsu[3]等的研究成果初步探明了刀具作用下岩石碎块的形成过程。
中南大学赖海辉教授和瑞典林奎斯第(Lindqvist P-A)教授等[4]于20世纪80年代末期率先用扫描电镜对平头楔刃加载下的石灰石、60°楔刃加载下的大理石和花岗岩的破碎进行了显微观察，进一步获悉了裂纹真实的扩展模式。
Liu等[5]、Gong等[6]建立了刀具侵入岩石的有限元单元模型，成功模拟了岩石裂纹的生成与扩展过程。
陈忠辉[7]等通过有限元二维网络系统模拟了岩石材料的微裂纹损伤演化过程。
栾茂田等[8]将有限元覆盖无单元法成功应用于模拟裂纹扩展问题,取得了很───────基金项目：国家重点基础研究发展计划项目（2007CB714002）；中南大学博士后基金项目（743410151）收稿日期：2009–06–10第11期张魁，等. 不同围压条件下TBM刀具破岩模式的数值研究 1781好的效果。
这些研究对于理解TBM刀具作用下岩石的破碎机理具有一定的参考价值，但它们均未考虑到岩石的初始应力状态对裂纹扩展模式的影响。
与实验室中的岩石试样不同，TBM所处的掘进地层受到自重应力、构造应力、岩石遇水后物理化学变化引起的膨胀应力、温度引起的热应力等综合作用，这使得开挖岩体处于天然条件下的原岩应力状态。
数值仿真与实验室数据[9-11]以及现场施工数据[12]无不表明岩石的可钻性、岩石裂纹的演化模式、岩石力学性能、TBM性能以及TBM刀具的损耗均与围压存在着极为密切的关系。
鉴于岩石脆性破坏机制的复杂本质以及TBM掘进施工的特殊环境，TBM刀具和岩石的相互作用机理尚未完全认识，尤其是人们对TBM深层掘进施工过程中刀具破岩机理了解还比较少，因此研究围压下原岩裂纹的生成、扩张与原岩破碎模式具有重大的现实意义。
本文借助于离散单元软件UDEC在模拟岩石裂纹方面的巨大优势，研究了不同围压以及不同刀间距下，TBM刀具的破岩机理，对仿真观测数据进行了详细分析并获得了一些重要的结论。
1 模型介绍UDEC(Itasca 1996)[13]是基于2-D离散单元法（DEM）[14]的世界通用离散单元软件，专门用于模拟不连续介质材料。
计算模型示意图如图1所示，岩石尺寸为600 mm600 mm×，比例为1∶1。
TBM刀具与岩石接触面的厚度为15 mm，刀具对岩石的作用等效成均布应力载荷P，Q为原岩围压，S为刀间距。
岩石右边界约束x向速度自由度，岩石块划分成单元尺寸为5 mm的精细无限差分网格。
设置局部阻尼系数为0.1，考虑重力的影响。
UDEC中提供了多种材料模型可供选择，诸如Mohr-Coulomb和Hoek-Brown等著名的经验破坏准则[15]。
本文采用摩尔–库伦模型，具体的岩石特性参数见表1所示。
为了考察不同围压下岩石的破碎机理，测试条件作如下变化：①围压值Q为0，2.5，5，10，15，20 MPa；②刀间距S为60，70，80，90，100 mm。
仿真过程中记录的数据项目如下：岩石的裂纹扩展过程；岩石破碎发生时刀具的临界应力值（MPa）；破碎块的面积（cm2）；破碎块的宽度和厚度（cm）；岩石的最大中间裂纹与侧向裂纹的长度（cm）；岩石的主应力云图等。
图1 计算模型示意图Fig. 1 Numerical simulation model2 数值结果及分析2.1 岩石的破碎模式表2列出在围压0～20 MPa，刀间距60～100 mm表1 砂岩的材料参数Table 1 Properties of sandstone体积密度/(kg·m-3) 体积模量/GPa 剪切模量/GPa 凝聚力/MPa 内摩擦角/(°)抗拉强度/MPa 膨胀角/(°) 2200 4.11 2.95 27 35 12.7 10 表2 不同刀间距及围压条件下的岩石破碎模式与相应切入率Table 2 Rock breaking modes and penetration rate under different confined pressures as well as corresponding different cutter spacings60 mm 70 mm 80 mm 90 mm 100 mm围压/MPa切入率/(cm2·MPa-1)破坏模式切入率/(cm2·MPa-1)破坏模式切入率/(cm2·MPa-1)破坏模式切入率/(cm2·MPa-1)破坏模式切入率/(cm2·MPa-1)破坏模式0 0.0327 a 0.0511 a 0.0655 a 0.0556 a 0.0532 a2.5 0.02110.0297ba—0.0425—a0.04370.0526ba 0.0675 a 0.0596 a5 0.02260.0243ba0.03820.0385ba0.04250.0481ba0.05510.0508ba 0.0646 b10 0.01810.0223ba0.02490.0274ba0.03540.0468ba0.04490.0433ba0.05660.0351ba15 0.01230.0213bc0.02480.0266bc0.03830.0459bc0.04950.0387cd0.03480.0365bd20 0.0209 c 0.02610.0259bc 0.0433 c 0.04500.0430cd0.04750.0380cd1782 岩土工程学报 2010年范围内存在的岩石破碎模式及其对应的切入率。