不同围压与节理特征下盘形滚刀破岩数值研究

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滚刀滚动切削岩石的数值及试验研究

滚刀滚动切削岩石的数值及试验研究谭青;杨秧;夏毅敏;易念恩;张旭辉【摘要】为了研究滚刀滚动切削岩石的性能,合理简化盘形滚刀滚压破岩过程,采用颗粒离散元法分别建立了考虑摩擦力的滚刀滚动切削有、无节理岩体模型,分析了滚动切削模拟过程中切削力、裂纹发育、岩石破碎形态的变化规律.利用滚刀回转切削试验台进行了破岩试验,得到切削力随工况变化的规律,验证了仿真模型的准确性.研究结果表明:对无节理岩体,提高贯入度会增加主干裂纹深度和破碎面积,提高切削速度会增加法向力,而对滚动力影响不大;对含节理岩体,岩体节理强度越强则主干裂纹越深,比能耗越高;岩体的节理倾向会对破岩比能耗产生一定的影响,正向倾角切削效率高于逆向倾角约12％;节理倾角越小,正、逆向节理倾角破岩比能耗差值越大;合理安排刀盘正反转可提高破岩效率.【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(045)008【总页数】10页(P69-78)【关键词】盘形滚刀;岩石力学;裂纹;节理;比能耗【作者】谭青;杨秧;夏毅敏;易念恩;张旭辉【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;中南大学机电工程学院,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;中南大学机电工程学院,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;中南大学机电工程学院,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;中南大学机电工程学院,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;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TP391.9;U455.39随着我国隧道工程建设的展开，全断面岩石掘进机(Full face rock tunnel boring machine，TBM)以其施工效率高、掘进安全、噪声小等诸多优点，在隧道施工中使用日益广泛.岩石的破坏和剥落通过刀盘上的盘形滚刀滚动切削来实现，然而在实际切削过程中，地质情况是复杂多变的，如岩石种类、节理等[1-2].国内外学者针对TBM不同工况下破岩效率进行了相应的滚刀切削试验.刘红岩等人[3]通过物理实验研究了节理对岩石的破坏模式、单轴抗压强度、弹性模量的影响.Howarth[4]通过线性切割试验研究了刀间距对破岩效果的影响.龚秋明等人[5]研究了岩石节理间距对破岩效果的作用，发现节理面对破岩过程中滚刀的力有很大影响.以上研究探讨了不同地质条件下掘进参数对滚刀滚动破岩效果的作用.近年来也有学者通过数值仿真研究滚刀切削岩石的工况并取得了一些成果.Bejari 等人[6-7]采用UDEC研究了节理对刀具破岩的影响，研究表明节理间距增大会减小刀具的切入率.Sun等人[8]采用有限元法对盘形滚刀的最优刀间距进行分析，并解决了平面刀盘的布置问题.Labra等人[9]采用混合离散元/有限元法建立滚刀切削岩石模型并分析掘进参数下滚刀破岩过程.马洪素等人[10]通过两组试验对不同节理倾向下裂纹走向进行研究，并通过FLAC分析了裂纹走向与应力场分布的关系.孔晓璇等人[11]及孙金山等人[12]通过PFC2D研究双滚刀侵入不同节理间距及节理倾角的岩体时裂纹的走向，得到了节理特征对裂纹扩展的影响.张桂菊等人[13]采用二维颗粒离散元研究岩石温度对破岩的影响.Liu等人[14-16]采用PFC2D研究单、多滚刀垂直侵入岩石的效率与岩石裂纹扩展形态.Choi等[17]采用PFC2D研究节理间距与节理倾角对滚刀受力的影响.谭青等[18]采用PFC2D研究滚刀侵入不同围压与节理条件岩石时破碎模式与破岩比能耗的规律.上述模拟研究多将滚刀滚动切削过程简化为滚刀垂直贯入岩体的过程，忽略滚刀水平滚动以及岩石摩擦因素.易于观察到滚刀垂直贯入岩石过程中裂纹发育规律，难以得到滚刀滚动破岩过程中岩石裂纹发育规律.此外，以上建立的岩石节理模型仅关注节理倾角或者节理间距，尚未考虑含节理岩体强度和节理倾向对破岩的影响.本文采用离散元数值方法建立了无节理滚动切削与含节理滚动切削模型，通过改变滚刀工作参数及岩石参数，对贯入度、切削速度、节理倾向、含节理岩体强度等参数进行模拟.通过观察仿真结果，得到破岩时滚刀受力、岩石裂纹数量变化、岩石裂纹生长过程，最后以回转试验对仿真得到的切削力进行验证.本文的创新之处在于：建立了考虑摩擦力的滚刀滚动切削数值模型，该模型与实际工程应用中滚刀破岩过程拟合度更高；分析不同工况下滚刀受力与岩石破碎模式的关联规律；建立了不同节理倾向、倾角与节理面强度的岩石模型，其结论适用地质范围更广.1 数值模型的建立1.1 简化滚刀模型TBM在掘进时，滚刀布置在刀盘上并伴随刀盘的运动而做垂直贯入和水平滚动(视掌子面为水平面)，滚刀与岩石相互作用时产生指向掌子面的法向力FN、与掌子面平行而指向滚刀平移方向的滚动力FR和受到回转切削影响生成的侧向力FL三种滚刀切削力，如图1所示.法向力主要由刀盘推力提供，滚动力主要由刀盘扭矩提供，侧向力主要由回转运行中滚刀对岩石的挤压力产生.考虑本文主要研究滚刀水平滚动破岩，忽视侧向力影响，因此将三维的滚刀运动简化为二维滚动过程.文献[14-18]研究证明，将滚刀三维破岩简化为二维破岩是可行的.本文以工程实践中的常用滚刀进行1∶2缩尺所得的小滚刀作为研究对象，其参数见表1.基于表1中参数，简化滚刀模型为二维模型.1.2 模型宏、细观参数的标定由于试验条件限制，假定切削对象为泥岩、砂岩等软岩，由于天然岩石内部初始损伤缺陷难以统计，为了增加试验的可重复性，降低试样物理力学性能分布的随机性，本文采用混凝土代替岩石进行研究.混凝土的制作和养护参照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[19].在力学测试中心测得混凝土试样的物理力学性能参数如表2所示，由表2可知，混凝土强度等级为C20，其抗压强度等物理力学特性近似自然界的泥岩、砂岩等软岩[20].为建立颗粒流模型细观参数与材料宏观物理力学参数之间的联系，需要确定颗粒的基本尺寸等参数(表3).以单轴压缩、巴西劈裂和直剪试验对模型进行标定(图2)：单轴压缩试验见图2(a)；巴西劈裂试验见图2(b)；剪切试验见图2(c).通常采用试凑法按照一定规律反复调整细观参数，直到仿真输出曲线接近物理标定的曲线即可.标定得到的颗粒流模型细观力学参数见表4.图1 滚刀切削力示意图Fig.1 Cutter forces of the disc cutter表1 滚刀基本参数Tab.1 The basic parameters of the disc cutter直径/cm刀刃宽度/mm过渡圆弧半径/mm刀刃角/(°)2110420表2 软岩材料宏观参数Tab.2 Macro-parameters of soft rock material参数名单位数值密度kg/m32 360弹性模量GPa1.82抗压强度MPa21.88抗拉强度MPa1.47内聚力MPa4.12内摩擦角(°)35表3 颗粒流模型基本参数Tab.3 Basic parameters of PFC2DmodelRmin/mmRmax/Rminkn/ks0.31.22.5图2 颗粒流模型细观参数的确定Fig.2 Meso-parameters determination in PFC2D表4 细观力学参数Tab.4 Meso-mechanical parameters参数名单位数值颗粒密度kg/m32 950法向强度MPa15切向强度MPa15法向刚度N/m9.5×108切向刚度N/m3.8×108摩擦因数0.31.3 建立滚刀滚动切削数值模型为了研究滚动切削对破岩的影响，根据标定得到的细观力学参数分别建立无节理、含节理两种滚刀侵入岩体的切削模型.试样被安置在一个三面墙皆被固定的方槽中，模型尺寸为400 mm×200 mm.节理模型中节理特征通过JSET命令设置，由于滚刀的刚度远远大于软岩的刚度，所以将滚刀简化为刚体并赋予属性wall类型.滚刀在破岩过程中因摩擦力而被动转动，滚刀与岩石的接触摩擦因数取0.3.通过FISH语句可以提取滚刀受力等信息.仿真中材料的破坏过程可视为颗粒间连接键在载荷作用下断裂的过程.键连接有两种形式：接触键和平行键.通过设定键与颗粒的大小、强度，对不同的本构进行表述，当载荷超过预设键的强度时，便会使颗粒脱离接触而产生破坏，通过观察、统计仿真所得的微观裂纹可以了解岩体内部破碎情况.2 滚刀切削无节理岩石模型分析2.1 滚刀切削过程分析图3为滚刀滚动切削破岩过程，根据工程实践应用，设定滚刀贯入度为8 mm，切削速度为0.6 m/s.随着滚刀向前推进，岩体上层的岩石不断被破碎，滚刀前方产生较大的破碎块(图3(a))，同时岩体内部产生大量微裂纹，部分微裂纹汇聚成主干裂纹并向岩体深处扩展.图3 滚刀滚动切削岩石动态过程Fig.3 Dynamic process of rock cutting图4为滚刀切削力及滚刀角速度动态变化图.由图4可知，滚刀破岩过程中滚刀力曲线波动较大，且法向力的波动远大于滚动力.这说明岩石内部裂纹扩展主要由法向力主导，滚刀与岩石接触而转动，角速度均值约为5 rad/s，这说明滚刀的旋转瞬心在刀刃下方附近.图5为FISH函数记录的裂纹数目变化.随着切削行程的增加裂纹数目线性增加，张拉裂纹数目始终大于剪切裂纹数目，说明滚刀破岩过程中岩石的破碎以张拉破坏为主.切削行程/mm图4 滚刀力与角速度变化图Fig.4 Variation diagram of cutting force and angular velocity2.2 贯入度对滚刀切削的影响贯入度及切削速度的变化会改变滚刀与岩石的接触情况，同时受力、岩石破碎形态以及裂纹发育都会受到影响.图6反映了滚刀切削行程为300 mm，切削速度为0.6 m/s时不同贯入度下的切削状态.从图6可知，岩石破碎面积与主干裂纹深度均随贯入度的增加而增大.切削行程/mm图5 微裂纹个数随切削行程变化图Fig.5 Variation diagram of crack number with cutting length图6 不同贯入度下滚刀滚动破岩状态Fig.6 Rock breaking state under different cutting depths如图7所示，贯入度的增加使得主干裂纹平均深度大幅度增长.然而，随着贯入度的增加，主干裂纹平均长度与贯入度的比值在下降，说明随着贯入度增加，主干裂纹平均长度增速下降，单纯增加贯入度并不能有效增加主干裂纹长度.主干裂纹的扩张虽然消耗了大量能量，但并未直接将岩体剥落下来.较深的主干裂纹说明滚刀做功主要引起裂纹纵深发展，而用于表面破岩的做功较少，所以主干裂纹越长则破岩效率越低.此外，统计仿真结果可知，随着贯入度的增加，微裂纹数量线性增长.当贯入度较小时，剪切微裂纹占多数，在较大贯入度下，张拉微裂纹则占多数.这说明增加贯入度有利于张拉微裂纹的发育.通常岩石破碎效率以破碎比功[13]来衡量.本文为了简化模型，不考虑破碎块度大小，以掘进机常用的比能耗SE来衡量破岩效率.由于本文开展二维数值模拟，故将其定义为刀具切削单位面积岩石所需消耗的能量，表示为：(1)式中：SE为破岩比能耗(MJ/m2)；WN为滚刀法向力做功；WR为滚刀滚动力做功；FN为法向力(N)；FR为滚动力(N)；p为贯入度(mm)；J为滚刀的切削行程(mm)；S为岩石破碎的面积(mm2).一般情况下法向力做功为滚动力做功的5%[18]，故实际计算中只考虑滚动力做功.贯入度/mm图7 贯入度与裂纹深度关联规律Fig.7 Variation of cutting depth with crack depth随着贯入度的增加，滚刀滚动力和法向力都呈递增趋势(表5).其中，滚刀滚动力增长率远大于法向力的增长率，这说明滚动力对贯入度更加敏感.在工程中，一般控制滚刀的贯入度不超过10 mm以避免贯入度过大而增加滚刀的受力负荷，造成滚刀过早失效.由表5可知，随着滚刀贯入度的增加，破碎面积的增长速率下降，而比能耗迅速上升，最大增加量约为96%．说明增大贯入度虽然提高破岩速度，但是切削效率下降，且加剧了滚刀磨损，缩短了轴承寿命，导致提早换刀.因此，在施工中，不可盲目增加贯入度以提高掘进效率.表5 不同贯入度下滚刀滚动破岩参数统计表Tab.5 Simulation results with different cutting depth贯入度/mm滚动力/kN法向力/kN破碎面积/cm2比能耗/(J·cm-2)41.439.88110.503.8862.1912.23141.174.6584.0214.44176.926.82104.5815. 69180.177.632.3 速度对滚刀切削的影响图8为滚刀切削行程为300 mm，贯入度为6 mm时的破岩状态图.由图8可知，在不同切削速度下，岩体破坏状况相近，裂纹扩展情况及破碎块的形成亦相似.这说明切削速度对岩石破坏以及裂纹扩展的影响不大.此外，统计仿真结果可知，裂纹总数随切削速度变化波动较小，这说明切削速度不是影响微裂纹数目的主要参数.剪裂纹数目所占总裂纹数目的比例随切削速度的增加而上升.图8 不同切削速度下滚刀滚动破岩状态图Fig.8 Rock breaking state diagram with different cutting speed表6为不同切削速度下滚刀破岩的参数统计表.可知加大切削速度对滚动力、破碎面积和比能耗的影响并不大.滚刀法向力对切削速度较为敏感，随着切削速度的提升，法向力显著增加,当切削速度从0.4 m/s提高到1 m/s时，滚刀法向力增加约50%．因此，施工中在确保滚刀承受的法向冲击力不超过刀圈承载额的前提下，可提高切削速度增加破岩速度.表6 不同切削速度下滚刀滚动破岩参数统计表Tab.6 Simulation results with different cutting speed速度/(m·s-1)滚动力/kN法向力/kN破碎面积/cm2比能耗/(J·cm-2)0.42.128.9132.254.810.62.5210.6134.675.610.82.6111.6139.005.631.02.71 12.23131.176.203 滚刀切削含节理岩石模型分析3.1 滚刀切削过程分析已有研究表明[6,7,11]，节理特性对滚刀切削岩石有较大的影响.自然界中岩石的节理分布一般都比较复杂，同时滚刀与节理的相对位置也不断变化，因此，本文对此进行必要的简化.假定数值模型中只存在一组等间距节理(设节理间距恒为10 mm)，综合考虑节理倾向、倾角和含节理岩体强度对滚刀破岩的影响，规定节理倾向与滚刀掘进方向一致为正向，相反为逆向.图9和图10分别为水平0°和垂直90°，正、逆向倾角分别为20°、40°、60°和80°的节理岩体.含节理的岩体强度由节理面的颗粒细观参数(摩擦因数、法向强度、切向强度)间接决定.通过改变节理面的颗粒细观参数，可以得到不同强度的节理岩体(也有文献简称为节理强度)，即节理岩体具有不同的内聚力和内摩擦角.不同强度节理岩体的物理数值可通过直剪试验得到(图2(c)).研究发现，当摩擦因数一定时(本文设置摩擦因数为0.3)，法向强度与切向强度越大，得到含节理的岩体强度也会较大.本文用2种节理面颗粒连接强度(法向与切向强度分别取8 kPa和200 kPa)来描述低强度和高强度含节理岩体.图9和图10是切削距离为250 mm，贯入度为8 mm，削速度为0.6 m/s时的破岩状态图.其中，图9对应的节理面粘接强度为8 kPa，摩擦因数为0.3，节理强度较低.从图9可知，主干裂纹很少向纵深扩展，这是由于低强度节理面很容易起裂和断裂，阻碍了滚刀力向岩体深处传递，所以岩体深处很少有主干裂纹.此外，还可以观察到有大量碎块从岩体表面崩落，起裂方向大多垂直于节理面.图10对应的节理面粘接强度为200 kPa，摩擦因数为0.3，节理强度高.当节理倾向为正，倾角分别为60°与80°时可以观察到主干裂纹扩展方向有垂直于节理面的倾向，有的主干裂纹可以跨越几组节理面到达岩体深处.这说明较高的节理强度对于裂纹扩张的阻碍效应小于低节理强度.当节理倾向为逆向时，倾角分别为60°和80°时，主干裂纹扩展方向有平行于节理面的倾向，与无节理破岩比较(图6(c))，二者裂纹扩展形态非常近似，节理的存在对于主干裂纹扩展深度影响很小.图9 低强度含节理岩体(连接强度为8 kPa)Fig.9 Low strength for jointed rock masses(joint bond strength 8 kPa)图10 高强度含节理岩体(连接强度为200 kPa)Fig.10 High strength for jointed rock masses(joint bond strength 200 kPa)3.2 节理特征对微裂纹数量的影响微裂纹与节理关联规律如图11所示.由图11可知，高强度节理岩体含张拉裂纹数量多于低强度岩体，低强度节理岩体含剪切裂纹数量多于高强度岩体.考虑到岩石抗压不抗拉的特性，滚刀入侵高强度节理岩体时主要发生了张拉破坏.对低强度节理岩体而言，节理间连接强度较低，节理层容易断裂，因而剪切裂纹较高强度节理岩体多.岩体节理强度高时，正向节理倾角下含有更多的微裂纹数量.此外，节理倾角分别为20°、60°时，裂纹发育受到阻碍.节理角度/(°)(a)拉张裂纹数节理角度/(°)(b)剪切裂纹数图11 微裂纹与节理特征关系图Fig.11 Relation diagram of micro-crack numbers with joint characteristics3.3 节理特征对裂纹深度的影响节理倾角与节理强度对主干裂纹的扩展深度有着明显的控制作用：应力场不均分布导致低强度节理面容易产生张拉微裂纹起裂[10]，节理面对主干裂纹扩展起阻隔作用[5]，而且节理倾角能影响主干裂纹扩展方向.因此，在相同的主干裂纹长度下，裂纹深度会由于扩展方向的改变而改变.主干裂纹深度整体趋势规律如图12所示. 相较低强度节理面，高强度节理面中主干裂纹更容易扩展到岩体深处，这是由于低强度节理面对裂纹继续扩展起到阻隔作用.基于上文讨论，主干裂纹深度过大对于提高破岩效率并无直接益处，所以低节理强度更有利于提高破岩效率.由图12可看出，水平和垂直节理倾角下主干裂纹相对较长.在高强度节理面中，倾角分别为20°、60°时，主干裂纹较浅，且逆向节理倾角产生的裂纹较正向倾角更深，这反映了正向节理倾角下破岩更加高效.在低强度节理面中，正、逆向倾角则对裂纹深度无明显影响.节理角度/(°)图12 主干裂纹深度与节理特征关系图Fig.12 Relation diagram main crack depth with joint characteristics3.4 节理特征对破岩面积的影响在相同贯入度下，更大的破碎面积意味着更快的掘进速度.通过测量，可以得到破岩面积受节理特征影响的规律，如图13所示.正向倾角破岩面积更大，高强度节理面下该现象更显著.高强度节理倾角分别为80°与0°时，破碎面积相比其他倾角更大，该结论与谭青等[18]的结论一致.低强度节理倾角分别为20°、60°和90°时，破碎面积相对较小.节理角度/(°)图13 破岩面积与节理特征关系图Fig.13 Variation of breakingarea with joint characteristics3.5 节理特征对比能耗的影响通过仿真计算，得出滚刀力、破碎面积及比能耗等参数如表7所示.由于仿真条件限制，破碎块无法排出(图9(d))，导致在后续滚刀切削中已经崩落的岩石会进一步被滚刀破碎，造成滚动力增加.为了贴近实际施工状态，对仿真所得滚动力乘以系数φ(φ取值为0～1).根据表7中数据可以得到比能耗趋势如图14所示.表7 比能耗统计表Tab.7 Specific energy statistics table连接强度/kPa节理倾向节理倾角/(°)滚动力/kN破碎面积/cm2比能耗/(J·cm-2)8逆正03.48114.17.63203.81105.29.05404.13126.38.17604.31124.18.68804.42125.78.79904.10117.68.72203.31107.47.70403.54120.37.36603.74117.87.94804. 26126.98.39200逆正05.37137.79.74204.78126.59.45405.38133.710.06604.66124.09.40804.96133 .29.31904.70130.59.00204.27131.18.14404.79135.58.84604.27125.98.48804. 58133.88.56由图14可知，在相同掘进参数下，正向节理倾角比能耗均低于逆向倾角比能耗.这是由于在逆向倾角下，滚刀运动方向与节理夹角大多呈钝角，主干裂纹将沿节理面向深处扩展.在正向倾角下，夹角多为锐角，滚刀挤压节理面产生破碎块，因而阻断主干裂纹的扩展.该结论与文献[17]中结论一致.在垂直90°倾角时，滚刀力一部分与节理面相互作用使岩石破碎，一部分沿节理面向岩石内部传递.90°节理倾角比能耗介于正向和逆向倾角比能耗之间.由表7中切削比能耗计算可知，正向倾角下节理岩体切削效率高于逆向倾角约12%．对低强度节理岩体，当节理倾角分别为20°、40°、60°和80°时，比能耗减少比例分别为18%、11%、9%和5%；对高强度节理岩体，减少比例分别为16%、14%、11%和9%，这是由岩体的连接强度所决定的.在低节理强度下，岩体连接强度小，使岩体容易破碎，所以低强度节理岩体受节理倾角影响较大；反之，高强度节理岩体强度受倾角影响较小.低节理强度岩体比能耗普遍低于高节理强度岩体，这说明低强度节理面阻隔了主干裂纹向岩体深处扩展，减少了滚刀做功的无效耗散，提高了破岩效率.相反，高强度节理面不易阻隔主干裂纹向岩体深处扩展，破岩效率不如低强度节理岩体高.整体上，正向倾角为20°对提高滚动切削高强度节理岩体的效率有利，正向倾角为40°时对提高滚动切削低强度节理岩体效率有利.节理角度/(°)(a)低强度节理岩体倾向对比节理角度/(°)(b)高强度节理岩体倾向对比节理角度/(°)(c)逆向倾角高、低强度岩体对比节理角度/(°)(d)正向倾角高、低强度岩体对比图14 比能耗与节理特征关系图Fig.14 Variation of specific energy with joint characteristics4 试验验证4.1 试验系统组成试验在盘形滚刀回转破岩试验台上进行.如图15(a)和图15(b)所示，试验台由回转机械主机、液压系统、控制系统和测试系统构成.测试系统由三向力传感器、低通滤波器、USB采集卡、工控机、高速摄像系统、LabVIEW系统组成.高速摄像系统可以捕捉到岩体表面起撬直到崩落的全过程(图15(c)和图15(d)).切削对象为混凝土(仿软岩)，混凝土的物理力学指标见表2，滚刀参数见表1.图15 TBM滚刀物理切削试验Fig.15 Experiment of rock breaking by TBM disc cutter4.2 滚刀受力分析试验试验通过改变切削速度及贯入度来观察滚刀的受力状况，进行2组试验分别记录滚刀滚压过程中所受的三向力和滚刀行程.第1组试验为恒定速度：贯入度分别采用4 mm和10 mm，切削速度为0.6 m/s.第2组试验为恒定贯入度：切削速度分别采用0.4 m/s和1.0 m/s，贯入度为6 mm.不同贯入度与切削速度下切削力变化情况如图16所示.4.3 切削力误差分析PFC2D基本结构是一个三维的圆柱体(圆柱体有厚度，但是不能在Z轴上移动，只能在X和Y轴移动、转动)，厚度定义为滚刀刀刃宽，仿真得到的滚刀力与物理试验测试的滚刀力之差别在于是否考虑滚刀两侧摩擦力.本文研究滚刀在较小贯入度下的切削，此时摩擦力影响较小.根据仿真与试验滚刀力的数据做出误差分析，如表8所示.可见贯入度较大时，因摩擦力引入的误差会增大，平均误差为16.44%.这说明仿真得到的滚动力较为贴近工程实际情况.同时证明数值模型与试验试样的宏观物理参数一致性较高.图16 不同贯入度与切削速度下切削力变化曲线Fig.16 Cutting force with different cutting depth and speeds表8 不同掘进参数下的误差分析Tab.8 Error analysis under different cutting parameters贯入度/mm速度/(m·s-1)滚动力/kN仿真值试验值误差/%法向力/kN仿真值试验值误差/%40.61.431.5910.06 9.889.940.60 100.64.583.4632.3715.6913.8213.53 60.42.521.7444.83 10.68.5823.54 61.02.712.813.5612.2312.613.015 结论1)无节理切削组中，贯入度从4 mm 提高到10 mm会增加主干裂纹深度和破碎面积，但裂纹深度和破碎面积的增长速率会逐渐降低，且比能耗相应增加96%.相对法向力，滚刀的滚动力对贯入度更加敏感.施工中不能盲目增加贯入度，以免损坏刀架.2)无节理切削组中，当切削速度从0.4 m/s 提高到1．0 m/s时，滚刀法向力增加。

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。

直径385mm单刃盘型滚刀破岩参数与效果研究

直径385mm单刃盘型滚刀破岩参数与效果研究程守业;谭昊;荆国业【摘要】盘型滚刀破岩参数关系到施工效率和成本.通过对北京房山地区花岗片麻岩进行新设计的385 mm单刃盘型滚刀破岩试验,研究该盘型滚刀最佳破岩参数.选用煤矿深井建设技术国家工程实验室的滚刀直线破岩模拟试验装置,运用多种传感器和伺服控制技术,对385 mm单刃盘形滚刀进行不同推力、扭矩和截距参数下的破岩试验.通过试验,得到盘形滚刀切入深度与推力、扭矩的关系;并得到不同截距下岩石的破碎量,计算单位体积破岩功,从而得到在特定岩石上的合理推力、扭矩参数,以及此单刃盘型滚刀在刀盘上的布置截距.【期刊名称】《城市轨道交通研究》【年(卷),期】2014(017)008【总页数】4页(P20-22,27)【关键词】单刃盘型滚刀;滚刀截距;切入深度;单位体积破岩功【作者】程守业;谭昊;荆国业【作者单位】天地科技股份有限公司建井研究院,100013,北京;天地科技股份有限公司建井研究院,100013,北京;天地科技股份有限公司建井研究院,100013,北京【正文语种】中文【中图分类】U455.3+1随着各地地铁建设的发展，沉积层盾构施工已经得到广泛应用。

目前以岩石地层为主的城市轨道交通地下工程普遍采用钻爆法施工［1］。

钻爆法施工噪声和震动影响无法避免，且炸药管理风险高。

因此，采用机械化破岩方式能有效降低安全风险［2］。

目前滚刀破岩成本相对较高，影响了机械掘进在岩石地层地铁建设的推广，因此提高滚刀破岩效率，降低滚刀破岩成本有重要意义。

目前研究滚刀破岩效率和成本的试验方法主要包括科罗拉多矿业学院的直线破岩模拟（LCM）方法和挪威科技大学研究的钻进指数（DRI）方法。

其中，LCM方法主要是通过滚刀的直线破岩试验，从滚刀角度进行个体研究，再通过单一滚刀需要的推力和扭矩，设计整个刀盘的推力和扭矩参数。

而DRI法则是直接通过对掘进机施工的进度和现场的岩石条件进行记录，通过对先期数据的学习，来预测将要进行施工地区的推力和刀盘布置参数。

TBM盘形滚刀破岩机理的试验与模拟研究的开题报告

TBM盘形滚刀破岩机理的试验与模拟研究的开题报告一、研究背景盘形滚刀破岩机是一种高效、快速、安全的用于岩石爆破和地下挖掘的机械设备，被广泛应用于隧道、地铁、矿山等工程领域。

然而，在实际应用中，盘形滚刀的破岩效率、破岩速度、破岩质量等指标均受到材料的物理和力学性质的影响。

因此，对盘形滚刀破岩机理的研究和优化有着重要的意义。

二、研究目的本研究旨在通过试验和模拟方法，深入探究TBM盘形滚刀破岩机理，分析滚刀与岩石之间的物理相互作用，并优化破岩效率、破岩速度和破岩质量等指标。

三、研究内容1. 破岩机理分析：研究盘形滚刀的运动规律、破岩时的作用力与破岩岩石的反应力等机理问题。

2. 试验研究：通过搭建实验台架和破岩试验装置，分析盘形滚刀的破岩效率、破岩速度、破岩质量等指标，并对试验结果进行数据处理和分析。

3. 模拟计算：建立基于有限元法的盘形滚刀破岩模型，模拟盘形滚刀在不同岩石中的破岩情况，分析破岩效果并优化滚刀结构设计。

四、研究方法1. 文献资料法：搜集、整理TBM盘形滚刀破岩相关文献资料，了解研究背景和现状，明晰研究目标。

2. 实验法：设计盘形滚刀破岩试验装置，选用不同材质的岩石进行实验，研究滚刀与岩石之间的物理相互作用，获得试验数据并进行分析。

3. 数值模拟法：借助有限元软件建立盘形滚刀破岩模型，采用数值模拟方法分析盘形滚刀在不同材料中的破岩情况，为优化滚刀设计提供依据。

五、研究意义本研究对TBM盘形滚刀破岩机理的深入探究和优化具有重要意义，不仅可以提高盘形滚刀破岩效率和质量，还可以为岩石爆破和地下挖掘工程的实际应用提供技术支撑和参考。

TBM盘形滚刀破岩最优贯入度的数值模拟

TBM盘形滚刀破岩最优贯入度的数值模拟程永亮【摘要】In order to study the rock fragmentation efficiency of TBM disc cutters and its optimal penetration, the finite elements theory was used and the extended Drucker-Prager nonlinear constitutive model was adopted as the rock constitutive model. Considering the damage failure criteria which includes deleting function unit, the process of double disc cutters' rock fragmentation was simulated in three-dimensional dynamic way to study the interaction between rocks and cutters. And the rotary cutting test bench was used to perform the experiment of double disc cutters' rock fragmentation to verify the rationality of the simulation results. The results show that at the penetration of 2.0 mm, the cutting forces of two disc cutters are almost the same. At the penetration of 10.0 mm, the cutting force of the first disc cutter is larger than that of the second disc cutter. Under certain stratum, there is an optimal penetration to make the specific energy consumption the lowest. At the penetration of 4.3 mm, rock cracks can interact with each other and complete fragments can be formed. At the same time, the specific energy consumption is the least. When the penetration is less than 4.3 mm, the cracks cannot intersect through the rocks and rock ridge is formed. When the penetration is larger than 4.3 mm, the rock is broken excessively.%为了研究TBM盘形滚刀的破岩效率及其最优贯入度,运用有限元单元理论,采用扩展的Drucker-Prager非线性弹塑性本构模型作为岩石的本构模型,考虑包括单元删除功能的损伤失效准则,对双滚刀切削岩石的过程进行三维动态模拟,研究岩石与刀具相互作用特性.利用回转式切削实验台进行双滚刀破岩实验,验证结果的合理性.研究结果表明:当贯入度为2.0 mm时,2把滚刀的切削力基本相同;当贯入度为10.0 mm 时,前把滚刀的切削力大于后把滚刀的切削力;在特定地层下,存在1个最优贯入度,使得滚刀切削比能耗最低;当贯入度为4.3 mm时,岩石裂纹能相互交汇,形成完整的碎片,切削比能耗最小;当贯入度小于4.3 mm时,岩石不能产生贯穿裂纹,形成岩脊;当贯入度大于4.3 mm时,岩石过度破碎.【期刊名称】《中南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(048)004【总页数】8页(P936-943)【关键词】TBM;盘形滚刀;扩展的Drucker-Prager非线性弹塑性本构模型;贯入度【作者】程永亮【作者单位】中南大学机电工程学院,湖南长沙,410083;中国铁建重工集团有限公司,湖南长沙,410100【正文语种】中文【中图分类】TU45;TP391.9全断面岩石掘进机(tunnel boring machine, TBM)是目前性能最好的隧道掘进专业工程机械，广泛应用于地铁、轨道交通、市政、水利水电、隧道等地下工程建设[1−3]。

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。

盘形滚刀作用下岩石应变计算方法的探讨_张照煌

⎟ ⎟ ⎟
⎟
∂Z ⎟
∂z
⎟⎠
(4)
则：
ε xx
=
∂X ∂ρ
∂ρ ∂x
+
∂X ∂θ
∂θ ∂x
(5)
将式(2)、式(3)代入式(5)，考虑 h 为常数，故有：
ε xx = 0 ，
同理，有：
ε xy = 0 、 ε xz = 0 、 ε yy = 0 、 ε yz = 0 、 ε zz = 1 。
2.2 逐步切深下圆弧刃域破岩点位移和应变的确定设盘形滚刀左侧接岩前锋点所在极径与 A 点所
dϕ ω
=
ϕ
∫
ρ
sin (θ
−ϕ)dϕ =
0
ρ[ cos (θ −ϕ) − cosθ ]
(10)
因此，当盘形滚刀做线性切槽破岩时，若忽略
形滚刀破岩理论及其施工领域的教学和科研工作(E-mail: zh_zhaohuang@)；刘莎莎(1987―)，女，山东威海人，从事热能与动力工程专业(E-mail: lsslsjl@).
180
工程力学
勒认为该面积为一矩形面积。美国学者利文特 i 奥兹戴米 (Levent Ozdemir) 、拉塞尔 i 米勒 (Russell Miller)和王逢旦(Wang Fun-Den)[3]等人于 1977 年、华北电力大学茅承觉教授[4]等人于 1987 年分别对盘形滚刀进行了压痕试验研究并建立了相应的试验公式。近年来，国外研究人员凭借其完善的试验研究条件，加大了全断面岩石掘进机盘形滚刀破验理论的试验研究，如：Zhang Z X[5](2004 年)，Jafari M K、Pellet F、Boulon M、Hosseini K A[6](2004 年)， Zhang Z X、Kou S Q、Tan X C、Lindiqvist P-A[7](2003 年)和 Ribacchi R、Fazio A L[8](2005 年)等，但是这些研究多集中在对实验数据的统计分析来探讨盘形滚刀与岩石的相互作用规律，对盘形滚刀与岩石的作用方式及其对岩石形变特点的影响，尚缺乏必要的理论研究成果。根据我们的试验研究和观察[9―11]，一定切深下(岩石发生跃进破碎前)，压痕试验在盘形滚刀下方主要产生粉核体，只有些微的小片状岩碴产生；盘形滚刀的线性切槽试验对岩石的作用效果与其压痕试验基本相同，但岩碴片略有增大，量也有所增加；盘形滚刀滚压岩石的圆槽试验对岩石的作用效果与前两种效果基本相同，但片状岩碴明显增大，量也明显增多。这些现象说明，盘形滚刀破岩方式不同，岩石剥落机理也有差异。基于这一试验现象，我们研究了盘形滚刀一次到达某一切深和逐步到达某一切深及盘形滚刀线性切槽时岩石位移和应变的计算理论和计算方法，导出了相应的计算公式，从而为盘形滚刀作用下岩石形变物理方程的建立提供了初步研究成果。

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
c tan
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
o 3 3
1

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。

滚刀组合破岩关键因素的数值研究

2017年第24卷第6期协同切削模式，滚刀处于非协同切削模式时，岩石破碎以剪切破碎为主，协同切削模式下，侧向裂纹发生交汇，岩石破碎体积瞬间增大，此时岩石破碎主要由剪切和张拉破坏引起，即岩石的破碎体积会大大增加，导致破岩比能耗相对较低。

现假设盘形滚刀破岩处于协同破碎模式，由图1中的破岩几何模型可知，滚刀破碎形成的岩石体积可以表示成分段函数的形式：[Alps 0 < s ^22 + TV =\ ^ 2(2)[I • (T p +p tan /3) s >22 + T式中：T 是滚刀刀刃宽度；为贯入度；为滚刀的切削行程；V 为岩屑的体积；为岩石的自然破碎角；为岩碴破碎的厚度比。

根据Rostami 滚刀破岩的三向力预测模型，得到破岩过程中的垂直力与滚动力，最终可得到滚刀破岩比能耗为：SE 二T p P 0[cos (爹）+sin (爹)p(Alps )T p P 0[cos ((2)) +s i n (|)p0 < 5 ^ 22 + Ts 22 + T()2(Tpl + p 2 /tann )滚刀破岩的有限元建模过程选用标准常截面盘形滚刀，其三维模型如图2 ( a )所示。

为了能节省计算时间，同时真实反应滚刀破岩情况，模拟过程只保留刀圈，其刀圈截面主要尺寸如图2( b )所示。

Q SU 19-8 ^(a )常截面盘形滚刀（b )滚刀简化截面尺寸图2盘形滚刀结构示意图引言近年来，随着城市化水平的不断提高，地下空间技术的高速发展，全断面隧道掘进机(TBM )施工技术以其施工中掘进速度快、安全性高、环境危害小等诸多优点而得到广泛应用[1_2]。

TBM 盘形滚刀是掘进过程中破碎剥离岩体的主要工具，也是隧道掘进机研究的关键部件和易损件，滚刀组合破岩效率对整机的掘进效率与能耗有较大影响[34。

目前国内刀盘刀具的设计制造主要借鉴国外技术，缺乏针对我国特有地质条件的刀盘刀具研制，这必然会引起所生产的滚刀在工程施工中对地质条件的适应性不足[5^]，因此，研究滚刀组合破岩关键因素与特定地质的匹配性，对于提高盘形滚刀对复杂地质条件的适应性，降低隧道掘进机能耗具有积极的现实意义。

TBM盘形滚刀破碎岩石机理及影响破岩力因素的研究共3篇

TBM盘形滚刀破碎岩石机理及影响破岩力因素的研究共3篇TBM盘形滚刀破碎岩石机理及影响破岩力因素的研究1TBM盘形滚刀破碎岩石机理及影响破岩力因素的研究随着基础设施建设需要和城市地下空间利用需求的日益增长，地下工程的规模和复杂度不断提高。

作为地下工程中重要的、高效的、安全的施工方法，盾构掘进技术已经成为地下工程中的常见施工方法，其中，TBM（盾构机）作为盾构掘进技术的重要设备，在世界各地得到了广泛的运用。

TBM是把土（岩石）通过旋转机械工具开展撕裂或挤压形成碎块的机械设备。

其中，盘形滚刀是TBM中的一个重要破岩装置。

盘形滚刀的破岩效果很大程度上决定了TBM的施工效果，因此研究盘形滚刀的破岩机制和影响破岩力因素对于提高TBM的施工效率和安全性具有重要的意义。

在TBM施工中，盘形滚刀通过对岩石的撕拉和挤压，产生破碎效果，从而将岩石破碎成所需要的颗粒大小。

盘形滚刀的破岩机理包括机械原理和岩石物理学原理两个方面。

在机械原理方面，盘形滚刀的破岩作用主要是基于滚刀锋利的锋角和高转速的运动形成的撕裂和挤压作用。

在岩石物理学原理方面，盘形滚刀的破岩作用主要受到岩石物理参数的影响，如强度、韧性、断裂、岩石结构及质地。

影响盘形滚刀破岩力的因素包括滚刀结构参数、盘形滚刀集合模式、岩石物理参数、工作参数等。

滚刀结构参数包括滚刀角度、轮廓线、长度、钻头方向及排列方式等。

盘形滚刀集合模式包括盘形滚刀的数量、密度、形状及布局等。

岩石物理参数包括岩石的强度、韧性、断裂、岩石结构及质地。

工作参数包括盾构机的推进速度、转速、切削压力、刀盘压力、卸载器压力及进给速度等。

自上世纪80年代以来，许多学者对TBM盘形滚刀的破碎机理和影响因素进行了深入研究，并对其适用范围和技术性能进行了总结。

随着科技水平的不断提高，TBM盘形滚刀的结构设计和应用技术也不断创新，使得其施工效率和安全性得到更好的提高。

综上所述，TBM盘形滚刀作为TBM中的重要破岩装置，其破岩机理和影响因素的研究对于提高TBM的施工效率和安全性具有重要意义。

岩石在盘形滚刀作用下的性能研究

水利学报SHUILIXUEBAO2011年10月第42卷第10期文章编号：0559-9350（2011）10-1247-05收稿日期：2009-05-09基金项目：国家自然科学基金资助项目（51075147）作者简介：张照煌（1963-），山东菏泽人，教授，主要从事先进施工装备及可再生能源利用技术等研究。

E-mail ：zh_zhaohuang@岩石在盘形滚刀作用下的性能研究张照煌1，叶定海1，袁昕2（1.华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206；2.华北水利水电学院，河南郑州450011）摘要：考虑岩石的各向异性，深入研究了岩石在盘形滚刀作用下的形变和剥落特点，建立了岩石在盘形滚刀作用下的力学模型，给出了岩石在盘形滚刀作用下形变的几何方程、物理方程和平衡方程。

并通过对岩石在盘形滚刀垂直载荷和平面滚压载荷作用下的试验观察，提出在盘形滚刀垂直力的计算中以盘形滚刀侵入岩石而在岩石表面形成面积（双曲线围成）上的平均应力代替岩石的杨氏模量；在滚动力的计算中以岩石的抗拉强度代替剪切弹性模量，以抗剪强度代替λ常数；盘形滚刀破岩侧向力计算中的岩石性能参数则取用杨氏模量。

将此方案用于所建立的的力学模型，求得了盘形滚刀破岩的垂直力、滚动力和侧向力；计算结果均比已有压痕试验求得的垂直力、线性滚压岩石试验求得的垂直力和滚动力更精确。

计算还获得了盘形滚刀破岩的侧向力，其结果也通过了试验验证。

关键词：岩石；各向异性；盘形滚刀；破岩；三维空间性中图分类号：U455.43文献标识码：A1研究背景国外水工隧洞采用全断面岩石掘进机施工不仅历史长，且较普遍。

据不完全统计［1］，世界上已有24个国家和地区兴建了160多项跨流域调水工程，使用全断面岩石掘进机施工的著名工程有：巴基斯坦西水东调工程、美国的中央河谷工程、美国加州调水工程、澳大利亚的雪山调水工程和南非莱索托高原调水工程等。

20世纪90年代，我国“引大入秦”、“引黄入晋”等工程中采用全断面岩石掘进机成功建成引输水隧洞，进入21世纪，“大伙房引输水工程”、正在施工的锦屏二级水电站隧洞工程及拟议中的南水北调西线隧洞工程等均采用该机械进行建设。

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

3.2 进一步研究方向：
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
29.3
45 21.9
32.5
30 22.3
33.2
0
22.1
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
4
5
频率(Hz)
图25 动静载荷对中间裂纹发育的影响
0
0
1
2
3
4
5
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

盘形滚刀冲击破岩过程仿真分析与试验研究

盘形滚刀冲击破岩过程仿真分析与试验研究论文
本文主要研究盘形滚刀冲击破岩过程的仿真分析与试验研究。

首先，利用粒子图像测速（PIV）技术对滚刀冲击前后岩体表层应力和应变场进行实时观测；然后，采用有限元方法，模拟岩石在滚刀冲击作用下的失效过程；最后，采用有限差分和非线性调节算法，将理论模型和实验测试数据进行比较分析，以研究岩石爆破的优化技术。

经过仿真分析，发现滚刀冲击的作用下，岩体表层形变比例随冲击能量的增加而增大，其最大应力集中在滚刀中心处。

而在有限元仿真模拟中，岩体的崩裂模式亦随冲击能量的增大而不断演变，如范德华担当、压缩弯曲剪切裂缝等。

同时，该模型能够准确描述岩石爆破后背坑压缩比例和得出岩石爆破后背坑面积及体积的准确评估。

为验证仿真分析结果，试验研究采用滚刀冲击室，采用相同标准选用不同粒径纯净砂岩试件，测量实验数据，并将其与仿真分析模型进行比较分析。

结果表明，仿真分析结果与实验数据的精度可达到90%左右，证明盘形滚刀冲击破岩过程的仿真分析和实验研究质量较高。

综上所述，通过实验研究与仿真分析，研究人员对盘形滚刀冲击破岩过程的现象特征和形变机制及岩石爆破优化技术有了更深入的认识。

盘形滚刀切割岩碴粒径分布规律研究

第27卷增1岩石力学与工程学报V ol.27 Supp.1 2008年6月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering June，2008 盘形滚刀切割岩碴粒径分布规律研究宋克志1，2，季立光1，袁大军3，王梦恕3(1. 鲁东大学岩土工程重点实验室，山东烟台 264025；2. 同济大学地下建筑与工程系，上海 200092；3. 北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044)摘要：岩碴大小及粒径分布是联系机械掘进参数与岩石性质的重要指标。

依据盘形滚刀切割岩碴形成机制，分析岩碴尺寸组成及形成特点。

基于现场掘进试验，按不同岩性和掘进机不同推力水平，分组获取岩碴试样，对其进行尺寸量测与筛分试验，取得大量的岩碴尺寸数据，并运用概率统计理论对泥岩、砂岩的岩碴尺寸进行分布拟合检验；随后对实测岩碴粒径分布进行计算并与理论分布模型(对数正态分布函数和Rosin-Rammler分布函数)进行对比分析。

在岩碴尺寸分布、粒径分布及其与机械参数的关系等方面取得一些有益的结论，对改进掘进机设计及提高掘进效能具有一定的参考意义。

关键词：隧道工程；隧道掘进机；盘形滚刀；岩碴；粒径分布规律；分布函数中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2008)增1–3016–07RESEARCH ON DISTRIBUTION REGULARITIES OF GRAIN SIZE OF ROCK DETRITUS FROM DISCOID CUTTERSSONG Kezhi1，2，JI Liguang1，YUAN Dajun 3，WANG Mengshu3(1. Key Laboratory of Geotechnical Engineering，Ludong University，Yantai，Shandong264025，China；2. Department of Geotechnical Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China；3. College of Civil Engineering and Architectrue，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China)Abstract：Tunnel boring machine(TBM) has been widely employed in recent years. In general，for a mixed action of shear，crush and tension，the detritus are formed. Rock detritus dimensions and particle distribution are the key factors of TBM mechanical parameters related to the rock properties，which will influence TBM energy utility and excavation efficiency. They are influenced by cutter spacing，cutter thrust forces and rock characteristics. According to the mechanism of detritus formation，detritus dimensions constitution and its characteristics are discussed. Based on the field TBM tunneling practice，Chongqing Yangtze River tunnel，detritus samples are collected according to rock types and thrust forces magnitude. Then，detritus measuring and screen tests are implemented，and vast data about detritus size are acquired. According to probability statistic theory，detritus dimensions of mudstone and sandstone are matched by normal distribution fitting method. Finally，the measured detritus distributions are calculated and compared with theoretical distribution models(lognormal distribution function and Rosin-Rammler distribution function). Some conclusions for the detritus dimensions，particles distributions and their relations to mechanical parameters are obtained. These conclusions will benefit for improving cutter head layout design and TBM performance.Key words：tunnelling engineering；tunnel boring machine(TBM)；discoid cutter；rock detritus；particle size distribution regularity；distribution function收稿日期：2006–12–19；修回日期：2007–02–12作者简介：宋克志(1970–)，男，博士，1993年毕业于武汉大学动力与机械工程学院，现任副教授，主要从事隧道及地下工程方面的教学与研究工作。

TBM盘形滚刀破岩数值模拟

图２　三维数值模型
图３　单把滚刀破岩的应力分布
２．２　仿真结果分析
4、图
5、图6分别是刃角为20°、40°、
刀在切削深度为3、5、7mm时切削岩石的仿真结果。

岩石在滚刀的剪切，挤压作用下变形逐渐增大，首先发生弹性变形，随着受力的不断增大，进而发生塑性变形。

当岩石所受的应力超过其最大屈服应力时，岩石破碎，即滚刀完成一次破岩过程。

从图中可以看出岩石所受的应力随着切削深度的增加而不断变大，不同刃角的滚刀切削岩石，在
（a）h=3.0mm （b）h=5.0mm
（c）h=7.0mm
图４　刃角为２０°时岩石的Ｍｉｓｅｓ应力分布
（a）h=3.0mm （b）h=5.0mm
（c）h=7.0mm
５　刃角为４０°时岩石的Ｍｉｓｅｓ应力分布
（a）h=3.0mm （b）h=5.0mm
（c）h=7.0mm
６　刃角为６０°时岩石的Ｍｉｓｅｓ应力分布
利用ABAQUS/Explicit分析模块，
盘刀
压碎区
压力分布过渡区
裂纹。

基于ABAQUS的岩石节理特征对滚刀破岩影响研究

基于ABAQUS的岩石节理特征对滚刀破岩影响研究吴玉厚;田军兴;孙健;何冬梅;张弛;刘敏;赵海峰【期刊名称】《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2015(031)003【摘要】目的研究岩石节理特征对全断面硬岩掘进机(TBM)滚刀破岩的影响,提高滚刀破岩效率.方法利用ABAQUS对含有不同节理特征的岩石进行建模仿真,模拟TBM滚刀切割含有不同节理特征岩石的过程,并观察分析其破碎效果.结果节理岩石破碎后的塑性应变在节理面处向岩石内部延伸;岩石的节理间距越大,岩石的破碎量越小;在节理间距相同的条件下,节理倾角为60.时,岩石破碎效率最高,而在节理倾角为90°时,岩石破碎效率最低.结论岩石的节理倾角对节理岩石裂纹的扩展有影响,而节理间距为150 mm时对其裂纹的扩展基本没有影响;当节理间距在80～100 mm范围内变化时,节理间距对岩石破碎效率影响较大.研究结果对于理解滚刀破岩机理,优化滚刀布置和提高掘进机刀具破岩效率具有重要意义.【总页数】9页(P534-542)【作者】吴玉厚;田军兴;孙健;何冬梅;张弛;刘敏;赵海峰【作者单位】沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168;徐工集团工程机械股份有限公司道路机械分公司,江苏徐州221004;沈阳建筑大学机械工程学院,辽宁沈阳110168;北方重工集团有限公司,辽宁沈阳110025;北方重工集团有限公司,辽宁沈阳110025【正文语种】中文【中图分类】TG501.1【相关文献】1.基于ABAQUS的滚刀破岩参数对滚动力及比能的影响 [J], 张珂;李亮;王贺;孙健;高惠凤;赵凯军2.TBM双滚刀间距及入岩次序对破岩效果影响研究 [J], 刘立鹏;刘海舰;傅睿智;孙兴松3.基于ABAQUS的刀间距对滚刀破岩效率的影响研究 [J], 张珂;贾森;孙健;赵海峰4.基于ABAQUS的单双滚刀破岩分析 [J], 乔金丽;徐源浩;陈小强;刘建琴;胡建帮5.刀刃角与岩石节理倾角对盘型滚刀破岩效率的影响 [J], 郝用兴;刘洋;张太萍;黄亮因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。