TBM盤形滾刀破巖機理的試驗與模擬研究.pdf

1、盤形滾刀是硬巖隧道掘進機(TBM)實現(xiàn)破巖掘進的關(guān)鍵部件，滾刀破巖效果的好壞直接關(guān)系到TBM施工的掘進效率、工程進展以及經(jīng)濟效益。研究盤形滾刀破巖機理，分析滾刀與圍巖的相互作用形式，對于改進刀具設(shè)計、提高破巖掘進效率都具有十分重要的理論和現(xiàn)實意義?；谏鲜霰尘?，本文對盤形滾刀與巖石相互作用形式進行了深入研究，以期進一步揭示滾刀破巖機理及裂紋擴展規(guī)律。本文的主要內(nèi)容和研究成果有:
　　(1)基于巖石切削擴展模型，運用斷裂力學(xué)理論研究

2、了滾刀作用下裂紋擴展問題，得到了圍壓的增長抑制了中間裂紋擴展并使得側(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展的關(guān)系。
　　(2)自主設(shè)計改裝了TBM沖擊破巖試驗平臺，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，運用試驗平臺開展了多圍壓水平下的滾刀破巖試驗。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、理特征對滾刀破巖的影響。
　　(3)運用顆粒流數(shù)值模擬軟件PFC構(gòu)建了盤形滾刀破巖模型，從細觀角度分析了滾刀作用下巖石的破碎過程以及裂紋擴展規(guī)律，對不同工況下滾刀載荷、裂紋分布形式、裂紋擴展路徑以及裂紋數(shù)量等進行了深入研究，模擬結(jié)果表明，圍壓較低時，巖石呈現(xiàn)以張拉破壞為主的拉剪綜合失效模式，圍壓的增長使得巖石破壞模式逐漸過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。