常截面滚刀贯入试验中岩石破坏行为分析

为研究滚刀贯入过程中不同强度岩石的破坏行为,采用泥岩、花岗岩、砂岩和水泥砂浆制作立方体试样,结合岩石贯入试验加载系统和声发射监测系统,进行无侧向约束条件和有侧向约束条件下TBM常截面盘形滚刀贯入试验,获得完整荷载–贯入度曲线和声发射参数信息,分析不同岩石试样的破坏过程、破坏类型和破坏模式。结果表明:(1)软岩试样荷载–贯入度曲线跌落现象不明显,呈现延性破坏特征,而硬岩试样荷载–贯入度曲线跌落现象显著,具有脆性断裂特征。(2)无侧向约束条件下试样破坏类型属于劈裂破坏模式,有侧向约束条件下试样破坏过程由中间劈裂裂纹和侧向裂纹共同控制。(3)声发射参数曲线和荷载–贯入度曲线之间具有良好的对应关系,可以反映贯入过程中岩石试样内部损伤劣化和宏观裂纹形成过程。(4)类岩石材料滚刀贯入试验在一定程度上有助于更好地理解岩石贯入破坏过程和破坏模式,但类岩石材料与自然岩石材料在强度和变形性质上并不能完全吻合,因此相似材料模拟试验的结果需要进一步的验证。

TBM盘形滚刀破岩力计算模型研究

TBM盘形滚刀破岩力计算对TBM设计及施工具有重要意义。分析滚刀运动规律发现,滚刀法向推力对破岩起主导作用。假定了滚刀与岩石间接触应力分布形态,推导了常截面盘形滚刀的法向推力与滚动力计算公式,并利用多种不同强度岩石的线性切割试验结果进行验证,结果表明计算值与试验数据较为吻合,证实了公式的准确性与适用性。对计算值误差分析发现,滚刀破岩力计算精度与滚刀-岩石接触应力分布形态选取相关,采用最小二乘拟合思想,基于计算值与试验值的相对误差对接触应力分布指数进行修正,发现接触压力分布指数随滚刀贯入深度增大近似呈指数规律变化,提高了破岩力计算公式的预测精度。研究结果可为TBM设计和施工提供依据。

复合地层不同岩石强度下滚刀贯入试验研究

复合地层对滚刀的破岩效率及掘进参数有较大影响。文章针对济南市轨道交通R1线一标段复合地层盾构区间,开展了不同强度试件滚刀贯入力学试验,研究了不同贯入速率对滚刀破岩的影响。结果表明:岩石强度越大,抗侵入系数越大,脆性破坏越明显,滚刀受到的冲击荷载就越大;贯入速率对滚刀破岩的影响与岩石强度的类似,但跃进点贯入荷载、荷载跌落值和临界贯入度都与贯入速率呈对数函数关系;滚刀破岩过程可以划分为压密阶段、密实核形成和发展阶段、裂纹贯通失稳阶段和残余强度阶段。

基于空腔膨胀理论的TBM滚刀破岩模型研究

确定岩石隧道掘进机滚刀破岩过程中岩石力学响应分区是研究滚刀-岩石相互作用过程的基础,也是建立滚刀破岩力计算模型的关键。基于空腔膨胀理论,分析滚刀贯入过程中岩石力学响应过程和分区,建立滚刀破岩过程空腔膨胀模型。在此基础上通过理论推导得到各响应分区力学形成机理和尺寸信息,并分析各响应分区在不同破岩条件下的变化规律。结果表明:在滚刀贯入过程中,岩石可以划分为5个响应分区:处于静水压力状态的密实核区、压剪破坏占据主导地位的破碎区、拉伸破坏控制的径向裂纹区、弹性区和未扰动区。岩石强度和围压是影响破岩效果的重要因素。随着岩石单轴抗压强度的增加,径向裂纹区和弹性区尺寸近似线性增加,破碎区尺寸基本保持不变。随着围压的增加,径向裂纹区和弹性区尺寸迅速减小,破碎区尺寸则不受影响。