TBM滚刀贯入度及受力影响研究
TBM滚刀刃形对刀-岩接触损伤行为影响机理研究
TBM滚刀刃形对刀-岩接触损伤行为影响机理研究勾斌;段文军;莫继良;张蒙祺【期刊名称】《重庆理工大学学报:自然科学》【年(卷),期】2022(36)12【摘要】使用颗粒流离散元-有限差分混合模型对全断面隧道掘进机(TBM)盘形滚刀破岩过程进行了数值仿真研究,针对工程实际中最常用的2种刃形的TBM滚刀,即平顶滚刀和圆顶滚刀,探究了滚刀截面形状(即刃形)对刀-岩接触损伤行为产生影响的机理和规律。
结果表明:所采用模型对可能发生损伤破坏的岩石区域使用颗粒流离散元法建模,而远离滚刀-岩石接触区的岩体使用基于连续介质力学的有限差分模型建模,可以在不影响计算精度的前提下有效地降低滚刀破岩仿真耗时。
圆顶滚刀与岩石之间的接触区域和应力集中范围较小,使得在相同的切削深度下,圆顶滚刀所需的切削力更低;但圆顶滚刀裂纹扩展能力相对较弱,导致产生的岩石碎片体积有所减小。
基于切削力和破岩体积两个参数计算了比能,发现圆顶滚刀的比能较低,表明形成单位体积的岩石碎片时,圆顶滚刀所需的能量更少。
开展缩比滚刀破岩实验对仿真结果进行了定性证明。
关于滚刀刃形对其破岩性能影响机理的研究可为TBM滚刀的研发和使用提供实际指导。
【总页数】12页(P269-280)【作者】勾斌;段文军;莫继良;张蒙祺【作者单位】西南交通大学机械工程学院摩擦学研究所;西南交通大学盾构/TBM 装备摩擦学设计实验室;中铁高新工业股份有限公司【正文语种】中文【中图分类】TH122【相关文献】1.TBM盘形滚刀破岩刀刃应力分布研究2.TBM边缘滚刀破岩机理的数值研究3.TBM滚刀破岩机理与影响因素数值模拟研究4.复合岩层中隧道轴线和岩层走向平行、垂直时TBM滚刀破岩机理研究5.断续节理岩体的TBM滚刀破岩机理研究因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
TBM施工中刀盘损坏现象的机理分析及维修
TBM施工中刀盘损坏现象的机理分析及维修摘要：全断面硬岩隧道掘进机（TBM）在掘进过程中，会受到自重、地质条件、人为因素等影响，导致掘进姿态发生变化，偏离目标轴线，需要通过纠偏调向使其回到目标轨迹上，以保证施工质量。
TBM滚刀作为专业的破岩工具，其技术性能的优劣对工程进度和工程成本有重要影响。
鉴于此，本文主分析TBM施工中刀盘损坏现象的机理分析及维修。
关键词：TBM施工；刀盘损坏；维修中图分类号：U445 文献标识码：A1、引言全断面硬岩隧道掘进机（Tunnel Boring Machine，TBM）是集机、电、液、光等系统于一体的大型隧道施工装备，可用于掘进、支护、出渣等施工工序并进行连续作业，与传统钻爆法相比，具有掘进速度快、安全环保、综合效益高等优点，在中国铁道、水电、交通、矿山、市政等隧洞工程中应用迅猛增长。
TBM可分为敞开式TBM和护盾式TBM。
为保证隧道施工质量，TBM需严格按照设定的目标轴线掘进。
然而，在实际施工过程中，TBM不可避免的会受到自重、地质条件、人为因素等影响，导致掘进姿态发生变化，偏离目标轴线，产生位置偏差和角度偏差，需要通过纠偏调向使其回到目标轨迹上。
现有的敞开式TBM施工多依赖于人工操控，通过调节撑靴缸筒左右移动实现TBM左右调向，通过调节扭矩油缸同时伸缩实现TBM上下调向，操作精度受人员影响较大，易造成刀盘、刀具、主驱动损坏和隧道壁不光滑等一系列问题，施工质量难以保证。
因此，研究TBM自动纠偏控制十分必要。
2、工程概况某引水项目，围岩以泥盆系凝灰质砂岩、凝灰岩、夹炭质粉砂岩为主，局部洞段存在石英闪长岩、花岗岩。
石英闪长岩和花岗岩部位岩石强度高、耐磨性强，TBM长时间处于高推力，低贯入度状态，设备本身振动较大，容易造成钢结构疲劳开裂。
刀盘刀座结构本身和相关焊缝在应力集中点向四周开裂；滚刀容易松动，发现不及时楔块就会对刀座承载面造成锤击，造成刀座压溃变形。
3、TBM施工中刀盘损坏现象的机理分析3.1、刀盘损坏初期特征在2020年1月初，TBM掘进11.7km左右，发现刀盘在相同岩层、同推力下刀具磨损异常，同时刀具固定螺栓松动、掉落现象比以前明显增加，2月初发现刀盘刀座部分焊缝，钢结构磨损严重，2月中旬发现面刀塞板部分丢失，刀盘格栅断裂，同时刀盘刀座部分焊缝开裂，局部钢结构磨损更加严重。
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。
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。
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。
基于最小破碎比能TBM滚刀间距设计方法研究
基于最小破碎比能TBM滚刀间距设计方法研究荆留杰;张娜;杨晨;鞠翔宇【摘要】正滚刀刀间距是TBM刀盘设计的重要参数之一,刀间距布置的合理性直接影响TBM破岩效率、刀具损耗等参数.本文首先基于最小破碎比能原理,确定相邻滚刀协同破岩时的合理刀间距,以压头侵入载荷与侵入深度的关系曲线为基础,提出单刀法向推力和贯入度计算模型,依据岩石破碎角几何关系计算不同贯人度下的最优刀间距,总结提出TBM正滚刀刀间距设计方法.结合某工程实例,计算查找TBM 在不同岩体中高效运行的贯入度区间和最优刀间距,设计结果与经验取值接近.该方法可用于类似TBM滚刀刀间距设计.【期刊名称】《铁道学报》【年(卷),期】2018(040)012【总页数】7页(P123-129)【关键词】TBM;滚刀;刀间距;设计方法【作者】荆留杰;张娜;杨晨;鞠翔宇【作者单位】中铁工程装备集团有限公司,河南郑州 450016;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;中铁工程装备集团有限公司,河南郑州 450016;中铁工程装备集团有限公司,河南郑州 450016;中铁工程装备集团有限公司,河南郑州 450016【正文语种】中文【中图分类】U455.6刀间距是衡量TBM刀盘设计质量的关键参数之一。
合理的滚刀刀间距设计可提高TBM开挖效率，降低开挖能耗，减小刀具磨损。
因此刀间距设计时要充分考虑岩体力学性质、刀盘直径、刀具尺寸以及TBM设计参数等因素。
目前，国内外学者主要通过数值模拟和室内试验等手段对刀间距设计参数进行研究。
文献[1-3]采用离散元方法，文献[4-6]采用有限元方法对滚刀破岩进行仿真计算，模拟岩石裂纹产生和扩展过程，通过定量分析岩石破碎体积，提出刀间距优化参数。
文献[1，4，7-9]利用滚刀切割试验台，进行不同刀间距和切深组合下的室内试验，研究滚刀法向推力(以下简称为推力)、贯入度以及岩渣形态的对应关系，通过对比不同试验条件下的岩石破碎比能，给出了最优刀间距与贯入度比值(S/p)。
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。
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。
节理岩体下TBM单刃和双刃滚刀破岩特性研究
节理岩体下TBM单刃和双刃滚刀破岩特性研究张旭辉;夏毅敏;谭青;林赉贶;劳同炳;刘杰【摘要】In this study, we investigated the breaking behavior of rock penetrated by two types of tunnel boring ma⁃chine ( TBM) disc cutters with respect to the geological condition of the joint. We used the particle discrete element method to establish a model for penetrating the rock with the two types of cutters and analyzed the dynamic breaking behavior of rock and crack propagation. Our results show that the formation and propagation of cracks involves two classic stages and that the force and number of cracks differ when penetrating a jointed rock using two types of cut⁃ters. A change in the joint angle has guide and blocking effects on crack propagation. When using a double⁃pint cut⁃ter and the joint spacing is more than 80 mm, this angle controls the crack propagation. With respect to the forma⁃tion of rock chips, the rock exhibits regular andjoint⁃coordinated breaking modes based on the type of slag pro⁃duced by the breaking rocks. When using a single⁃point cutter, a change in joint angle deflects the stress distribu⁃tion caused by the cutter inside the rock but has little effect on the stress distribution caused by the two⁃point cutter. The rock⁃breaking efficiency of the two cutters changes with changes in the joint characteristics. When the cutter spacing is adequate, the double⁃point cutter has higher efficiency than the single⁃point cutter. There is an optimal cutter spacing that maximizes the efficiency of breaking rocks when the double⁃point cutter is penetrating a jointed rock,and this spacing will increase first and then decrease with increases in the joint angle.%为了研究在考虑节理地质条件下的两种TBM滚刀破岩规律，采用颗粒离散元法建立不同节理特征下两种滚刀的侵入破岩模型，分析节理岩体下两种滚刀侵入破岩的动态过程、裂纹扩展等规律。
TBM
２０１５年第９期 农 机 使 用 与 维 修 １９ ｄｏｉ：１０．１４０３１／ｊ．ｃｎｋｉ．ｎｊｗｘ．２０１５．０９．０１４ ＴＢＭ边缘滚刀运动特性研究
夏婧怡。段向阳 （长沙市长郡中学，长沙４１０００２）
摘要边缘盘形滚刀是全断面岩石掘进机中的易损部件，本文采用解析几何建立了边缘滚刀质心与刀刃点的运动模型。 针对某ＴＢＭ刀盘不同位置边缘滚刀，通过绘制其轨迹图线、速度和加速度曲线，比较不同倾角边缘滚刀运动特性。结果表 明：边缘滚刀质心轨迹为螺旋运动，刀刃点轨迹按周期规律波动。越靠近刀盘外围，滚刀运行距离越大，刀刃点运动变化越 剧烈。随着安装倾角增大，刀刃点速度和加速度在ｘ、Ｙ方向周期越小，峰值越大。 关键词边缘滚刀 盘形滚刀 运动模型ＴＢＭ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｍｏｖｅｍｅｎｔ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＴＢＭ Ｅｄｇｅ Ｃｕｔｔｅｒ Ｘｉａ Ｊｉｎｇｙｉ，Ｄｕａｎ Ｘｉａｎｇｙａｎｇ （Ｃｈａｎｇｊｕｎ Ｈｉｇｈ Ｓｃｈｏｏｌ，Ｃｈａｎｇｓｈａ，４１０００２） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｅｄｇｅ ｃｕｔｔｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｖｕｌｎｅｒａｂｌｅ ｐａｒｔ ｏｆ ｆｕｌｌ ｆａｃｅ ｔｕｎｎｅｌ ｍａｃｈｉｎｅ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓ ｍｏｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｂｏｔｈ ｅｄｇｅ ｃｕｔ— ｔｅｒ ｃｅｎｔｒｏｉｄ ａｎｄ ｐｏｉｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｃｕｔｔｅｒ ｒｉｎｇ ｖｉａ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ．Ａｓ ｆｏｒ ｅｄｇｅ ｃｕｔｔｅｒｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ｔｒａｊｅｃｔｏｒｙ， ｖｅｌｏｃｉｔｙ ｃｕｒｖｅｓ ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ Ｃｕｒｖｅｓ ａｒｅ ｄｒａｗｎ ｔｏ ｃｏｍｐａｒｅ ｍｏｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｃｕｔｔｅｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｅｎｔｒｏｉｄ ｏｆ ｅｄｇｅ ｃｕｔｔｅｒ ｍｏｖｅｓ ｉｎ ｓｐｉｒａｌ ｍｏｔｉｏｎ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｐｏｉｎｔ ｏｆ ｃｕｔｔｅｒ ｒｉｎｇ ｍｏｖｅｓ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｃｙｃｌｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ．Ｔｈｅ ｏｕｔｅｒ ｔｈｅ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｉｓ，ｔｈｅ ｌｏｎｇｅｒ ｔｈｅ ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｈａｒｐｅｒ ｏｆ ｔｈｅ ｃｈａｎｇｅ．Ａｓ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｃｌｉｎａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ，ｔｈｅ ｃｙｃｌｅ ｔｉｍｅ ｏｆ ｖｅ— ｌｏｃｉｔｙ ａｎｄ ａｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃｕｔｔｅｒ ｒｉｎｇ ｉｓ ｓｍａｌｌｅｒ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｐｅａｋ ｖａｌｕｅ ｉｓ ｌａｒｇｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｄｇｅ ｃｕｔｔｅｒ；ｄｉｓｃ ｃｕｔｔｅｒ；ｍｏｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ；ＴＢＭ
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量和形态变化，以及贯入度对滚 力的 &
1依托工程
重庆轨道交通环线南桥寺~体育公园区间位于江北区
盘溪路之下，YDK13 +439. 134 ~YDK14 +063.044 为双洞双 线隧道，采用复合式TBM施工。
该工程 中等
中，围岩以砂岩为主,地下水
为 裂隙水，裂
育~较发育， 质 为微透水
岩层,水量小，主 以滴水、局部股状水的形式岀现。
重， 频繁;刀盘布置
不合理会造成刀盘受力 具偏磨：1_2]o
， 造成刀盘 区域的刀
具和刀盘的研究是TBM破岩的关键问题。张志强
等（3] 滚 力与贯入度
线多峰值跃进特征，得
性
合理的贯入度及与
的最优方案&程
永亮⑷用有限元 转式 实验得到在特定地 的最
贯入度。 明等⑸对 花
线性切割试验，结
表明，当贯入度增加到一定的程度后单纯地增加贯入度并
程采用双护盾TBM，刀盘 有50把滚刀，根据滚刀
在刀盘上
的不同，可以分为中心滚刀、正滚刀、过渡
刀和边缘滚刀&
用正滚
间距为80 ~ 95 33,贯
入度为6. 35 33/转"0. 25英寸/转）&
2滚刀破岩数值模型
2.1离散元模型建立
采用PFC36数值模拟滚刀的线性切割实验对TBM滚刀
破
深入。采用刚性 模拟滚刀,其中滚刀模型
0.2
3.0 X109
1.8 X109
平行粘结抗 拉强度/N
平行粘结 粘聚力/N
平行粘结 摩擦角/°
8.0 X106
7 X106
45
3贯入度对滚刀破岩影响研究
对贯入度4 33、6 mm,8 mm三种工况下岩石裂纹扩展、
滚刀三向力等展开分析，得到贯入度对滚刀破岩的 &
3.1不同贯入度破岩产生裂缝
对 贯入度,PFC提
为432 33（17 in）盘形滚刀， 宽度取19 33。滚 力
方式如图1所示,受到垂 面的法向力和垂 轮迹方向
的侧向力以及 轮迹方向的滚动力&
法向力
图1滚刀受力作用
为了从
度研究分析滚刀侵压破岩、滚压破岩时岩
石裂纹 ，建 把滚刀破岩模型（图2）。 中 模型
尺寸为1.8 3X1.2 3X0.6叫考虑到滚刀破岩边界效应的
:定稿日期]2018 -09 -03 [作者简介#李欣（1993 ~ ）,男，硕士，主要从事隧道与 地下工程研究。
四川建筑第39卷3期2019. 6
153
•岩土工程与地下工程・
图2数值模拟模型 表1岩石力学参数表
容重/
抗压强度/MPa 变形特性
比重
吸水率/%
(g • cm"3 )
干
湿 1/GPa *
•岩土工程与地下工程・
TBM滚刀贯入度及受力影响研究
李欣，张志强
（ ， ） 西南交通大学交通隧 程教育部重点实验室 四川成都610031
【摘 要】 掘进机（TBM）刀盘滚刀间距布置是否合理关系着其破岩速率的高低。为了探究滚刀间距
对TBM破岩的影响，文章采用离散元软件PFC36模拟滚刀的线性切割实验,对不同贯入度的滚刀破岩效果进
裂纹扩展如图4&
图7 贯入度8mm侧向力与位移关系曲线
根据图5~图7，垂 力、滚 力 向力均呈锯齿状波 动变化。综合不同贯入度数值计算三向 力(表3 )&
表3不同贯入度平均力
贯入度 / mm
平均垂直力/kN 平均滚动力/kN 平均侧向力/kN 前滚刀 后滚刀 前滚刀 后滚刀 前滚刀 后滚刀
4
32.3 44.7 0.6
0.7
0.5
0.9
6
61.6 55.2 1.4
1.4
0.8
1.5
8
88.2 43.0 1.7
2.4
1.3
2.2
由表3，根据对 贯入度 表明，随着贯入度增大,
能无限地提高破 率。赵 等 滚刀破 验，得
到了贯入度对滚刀垂直偏移和横向偏移的
律。刘泉声
等"8] 滚 贯入过程中 破坏特 验 ，认为滚
贯入过程中泥岩破坏模式以 破坏为主。郑聪等⑼
有限元分析,得到滚 力与贯入度呈 线性关系&
本文通过PFC36模拟滚刀的线性切割实验，对不同贯入
度的滚刀破
深入 ，得
贯入度下裂缝数
(a)贯入度4mm ( b)贯入度6mm
( c)贯入度8mm
图4岩石裂缝扩展
由图4可知，贯入度为4 mm时，
能产生贯穿裂
纹，形成岩脊。贯入度为6 mm时，裂缝两滚 间且分布较
密，裂缝
形成贯通裂缝。贯入度8 mm时，滚 球
，
度破碎。
3.2不同贯入度破岩滚刀受力情况
提取PFC数值计算 贯入度的滚动力、侧向力和垂直
2.65
2.59
0.35
43.8 32.6 3.2 0.20
2.2 细观参数标定
用PFC；
算时,为了得到岩石宏观力学参数，建
与颗粒流
数之间的联系。
宏力学
数，
元模型中 模拟单轴压缩试验和巴西劈裂试
验等
数。
以为
， 室内单轴压缩试验获得宏 ：
数，见表1,以 宏观力学参数为目标， 单轴压缩和单
轴抗拉试验(图3)，岩石宏细观参数分别见表2&
影响，滚 分别从坐标点（-0.6, -0.05 ,0 ）、（ -0.2,0.05,
0）向X轴侵入 ，达到 贯入度后，沿T轴滚压破碎岩
，至 点（0.6,0,0），即滚 T方向滚到1.23。针对
贯入度， 用 间 为 90 33， 贯入度 4 33、6 33、8 33
三种工况。
数值模型 的围 数见表1。采用双滚刀模型，其 中8号滚 为前滚刀,7 滚 为后滚刀&
(a)前滚刀
(b)后滚刀
图5 贯入度4mm垂直力与位移关系曲线
( a) 滚刀
( b) 滚刀
图6 贯入度6mm滚动力与位移关系曲线
颗粒密度 /( fg・m"3 )
2500 法向切 向刚度比
3.0
表2岩石数值模型的细观参数
初始孔隙率
等效弹性模量
/( N • m " 2 )
等 效弹性模量
/( N • m " 2 )
行研究。研究结果表明：（1）随着贯入度增大，平均滚动力和平均侧向力逐渐增大;后滚刀的平均滚动力和平
均侧向力略大于前滚刀。（2 ）随贯入度增大，前滚刀平均垂直力逐渐增大。贯入度为4 33时，岩石未产生
贯穿裂缝，形成岩脊，后滚刀平均垂直力
滚刀；贯入度为6 33时，裂缝分布较密且扩展
成贯通
裂缝,后滚刀平均垂直力相对前滚刀降低10 % ；贯入度为8 33时，裂缝贯通且岩石过度破碎，后滚刀平均垂
直力相对于前滚刀大幅度降低，降低幅值达51 %。
【关键词】TBM；离散元PFC；线性切割；贯入度；裂缝
【中图分类号】U455.43
【文献标志码】A
TBM工法是一种 、高、安全、机械程度很高的施 方法& TBM刀具破岩是整个 技术的 ，刀具寸、
滚刀间距、滚刀转速及贯入度等不合理会造成刀具贯入
困难，
度缓慢， 具