TBM盤(pán)形滾刀破巖機(jī)理的試驗(yàn)與模擬研究.pdf

1、盤(pán)形滾刀是硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)實(shí)現(xiàn)破巖掘進(jìn)的關(guān)鍵部件，滾刀破巖效果的好壞直接關(guān)系到TBM施工的掘進(jìn)效率、工程進(jìn)展以及經(jīng)濟(jì)效益。研究盤(pán)形滾刀破巖機(jī)理，分析滾刀與圍巖的相互作用形式，對(duì)于改進(jìn)刀具設(shè)計(jì)、提高破巖掘進(jìn)效率都具有十分重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義?；谏鲜霰尘埃疚膶?duì)盤(pán)形滾刀與巖石相互作用形式進(jìn)行了深入研究，以期進(jìn)一步揭示滾刀破巖機(jī)理及裂紋擴(kuò)展規(guī)律。本文的主要內(nèi)容和研究成果有:
　　(1)基于巖石切削擴(kuò)展模型，運(yùn)用斷裂力學(xué)理論研究

2、了滾刀作用下裂紋擴(kuò)展問(wèn)題，得到了圍壓的增長(zhǎng)抑制了中間裂紋擴(kuò)展并使得側(cè)向裂紋斷裂角增大的結(jié)論，從理論角度揭示了圍壓與滾刀作用下裂紋擴(kuò)展的關(guān)系。
　　(2)自主設(shè)計(jì)改裝了TBM沖擊破巖試驗(yàn)平臺(tái)，采用花崗巖與水泥砂漿材料制備了完整試件與多種類型的節(jié)理試件，運(yùn)用試驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展了多圍壓水平下的滾刀破巖試驗(yàn)。分析了滾刀作用下巖體破碎特征，發(fā)現(xiàn)拉應(yīng)力在滾刀破巖過(guò)程中起主導(dǎo)作用。研究了巖體破碎模式以及破巖載荷、巖石破碎面積與圍壓的關(guān)系，探討了巖石節(jié)

3、理特征對(duì)滾刀破巖的影響。
　　(3)運(yùn)用顆粒流數(shù)值模擬軟件PFC構(gòu)建了盤(pán)形滾刀破巖模型，從細(xì)觀角度分析了滾刀作用下巖石的破碎過(guò)程以及裂紋擴(kuò)展規(guī)律，對(duì)不同工況下滾刀載荷、裂紋分布形式、裂紋擴(kuò)展路徑以及裂紋數(shù)量等進(jìn)行了深入研究，模擬結(jié)果表明，圍壓較低時(shí)，巖石呈現(xiàn)以張拉破壞為主的拉剪綜合失效模式，圍壓的增長(zhǎng)使得巖石破壞模式逐漸過(guò)渡為以剪切破壞為主的拉剪綜合失效模式。分析了不同圍壓及刀間距下的破巖比能耗，得到了最優(yōu)刀間距隨圍壓的變化趨勢(shì)。