预切缝位置及深度对SBM滚刀破岩的影响

利用水射流对岩体进行预切缝是提高竖井全断面掘进机破岩效率、实现深部资源机械化开发的关键技术。针对预切缝位置及深度合理参数选取的难题,首先指出了锥面刀盘带动下滚刀破岩的工况特征,进而基于Cohesive单元方法,建立了预切缝条件下的滚刀破岩离散-连续耦合数值模型。以完整岩体为对照组,对比分析了不同预切缝距离和深度对滚刀破岩的受力特征和岩石破碎特征的影响规律。阐述了预切缝条件下,滚刀破岩时密实核形成、块状岩渣形成、Hertz裂纹扩展3个阶段性特征,指出了岩体的非对称破碎特性和不同区域岩渣的形成机制。最终从滚刀受力、破岩面积、破岩比能耗、岩渣破碎程度4个方面综合分析,确定了预切缝的最佳距离和深度取值范围。研究结果表明:预切缝可以显著减小竖井全断面掘进机滚刀破岩过程中的贯入力和侧向力。与完整岩体相比,贯入力峰值降低了44.0%~10.3%。侧向力峰值降低了35.2%~6.5%。预切缝间距及深度较小时,会限制滚刀破岩范围,同时使得破碎岩体块度更小,导致破岩比能耗增高。随着预切缝深度的增大,破岩体积先增大后趋于稳定,比能耗先减小后保持不变。最终,确定了切缝距离为70~90 mm,深度为60~80 mm时破岩效果最佳,破岩体积较无切缝时提高约1倍,破岩比能耗降低69.2%。研究结果为刀盘辅助破岩装备的设计及参数确定提供了参考。

全尺寸滚刀破岩试验重塑大体积弱胶结岩石制备方法及评价

为实现室内全尺寸滚刀破碎弱胶结岩石试验,获取滚刀破岩试验用的大体积岩样是首要且关键技术之一。由于弱胶结岩石的颗粒胶结程度低、易风化、易水解、扰动敏感等特性,用于室内滚刀破岩试验的大体积原状岩石不可能直接现场取样加工而成,亦无法满足滚刀破岩试验中大体岩石的需要。基于以颗粒物质为主的弱胶结岩石在沉积压实、泥质胶结和蚀变作用下的成岩特性,在一定压力和胶结作用下可塑性强的特点,提出了全尺寸滚刀破岩试验重塑大体积弱胶结岩石制备方法,确定了滚刀破岩试验用重塑大体积弱胶结岩样制备的配比参数,对成型的岩样进行了物理力学测试与评价,并阐明了重塑弱胶结大体积岩样的形成机制。结果表明,采用不同的配比和分级加载力方案,可获得重塑弱胶结岩样的单轴抗压强度范围为1.2~43.0 MPa,重塑岩样与原岩的单轴压缩破坏特征相似,均属于脆性破坏;测试单轴抗压强度为12 MPa和43 MPa的重塑大体积弱胶结岩石的纵波波速,分别为1.42 km/s和3.14 km/s,而实际西部侏罗系地层取样测得波速范围为1.36~3.21 km/s;通过与原岩物理力学特性的对比分析,试验制备的重塑大体积弱胶结岩样在单轴抗压强度、波速和破坏形态方面,均属于弱胶结岩石范畴,解决了滚刀破岩试验弱胶结大体积岩样缺乏的难题。

切缝辅助滚刀破岩临界间距试验及预测模型研究

提高坚硬岩石条件下滚刀破岩能力是隧道施工的长期追求目标,而采用水射流辅助滚刀破岩可有效降低岩石开挖难度和刀具载荷,是一种很有前景的新型破岩技术。针对水射流切缝辅助滚刀破岩这一方式,首先采用破岩试验验证了切缝间距对切缝辅助滚刀破岩效果的影响,证明在岩石材料、贯入度、切缝深度一定条件下,切缝辅助滚刀破岩存在一个临界间距,当切缝间距小于临界间距时,切缝侧才能发生贯通破碎;然后采用岩石剪切破坏理论分析并提出了一个线性化临界间距计算模型,该模型表明临界间距的大小与切缝深度L和贯入度H的差值(L-H)线性线性相关。

盾构滚刀破岩的近场动力学模拟简述

盾构施工是目前修建隧道的主要方法之一。在盾构施工中,岩土材料在刀具作用下的响应是盾构掘进主要关心的内容之一。滚刀是盾构机破岩的主要刀具,从数值模拟的角度出发,首先总结了目前应用于滚刀破岩的数值方法,包括有限元法、离散元法以及其他数值方法,并分析了以上方法的不足之处;为了突破现有方法在滚刀破岩领域遇到的瓶颈,提供了一种全新的思路—利用近场动力学模拟滚刀破岩,并简单阐述该方法的理论,同时列举了近场动力学在模拟岩石裂纹扩展以及破冰领域的成功案例;最后利用Peridigm模拟单滚刀破岩的算例,表明将近场动力学应用于模拟岩土材料在滚刀作用下损伤的演化及裂纹扩展等方面将有很大的应用前景。

TBM滚刀破岩效果及新型刀具的应用研究

TBM滚刀磨损是影响TBM掘进效率和施工成本的重要因素,不同刀刃刃形的破岩效率和磨损均会有所不同。本文对楔形弧刃滚刀的破岩机理进行了分析,建立了滚刀法向切削力计算模型,分析了滚刀刀刃角对法向切削力的影响;继而设计了3种不同刀间距、3种不同刃形滚刀,并进行了室内滚刀破岩试验。试验结果表明:刀间距15 mm为合理刀间距;尖刃滚刀最易磨损,齿刃比弧刃滚刀破岩效果好,破岩效率相对较高且耐磨损。结合工程现场实际情况,研发了一种新型齿刃楔形刀具,并应用到工程现场TBM斜井掘进。应用情况表明:新型齿刃楔形刀具比两种常规刀具的磨损量减少20%,刀具寿命有所提高。新型齿刃楔形刀具的研发和成功应用,解决了斜井TBM掘进刀具的较大磨损和频繁更换问题,为TBM长距离斜井掘进提供了技术支持,缩短了掘进工期,节约了施工成本。

不同岩石和围压下刃形对滚刀破岩性能的影响

滚刀位于全断面隧道掘进机(TBM)最前端,与岩石直接发生接触,是执行破岩掘进的关键零部件.研究TBM滚刀截面轮廓(刃形)对其破岩性能的影响机理和规律,对指导工程实际中滚刀选型与设计、提高TBM掘进效率具有重要意义.首先建立二维颗粒流离散元模型,针对工程中最常用的平头滚刀和圆弧滚刀,选取两种强度不同的岩石并对其中一种施加固定10 MPa围压;然后,开展滚刀破岩仿真,通过分析比能、破岩体积、刀具载荷、裂纹数量等结果,对滚刀刃形与岩石破碎的关联性进行研究;最后,通过缩比滚刀破岩实验验证数值分析所得结论的正确性.分析结果表明:滚刀刃形对其破岩性能影响显著,在本文所涉及参数范围内,对于多数岩石强度与围压组合,圆弧滚刀比能均低于平头滚刀比能,平均降低19.8%;圆弧滚刀破岩力比平顶滚刀破岩力平均低32.6%,表明破岩过程中圆弧滚刀做功较少,而二者产生的岩石碎片总体积相差不大(平均差值7%),则圆弧滚刀破除单位体积岩石所消耗的能量更少.综上所述,两种常用滚刀刃形相比,在岩石强度与围压较高的地层中可考虑优先选用圆弧滚刀.

不同贯入度对掘进机滚刀破岩效率的影响

为了研究不同贯入度对破岩效率的影响,应用机械破岩试验平台,安装17英寸（432 mm）的常切面盘形滚刀,选取80 mm的滚刀间距,以0.5 mm为间隔,从0.5~3.5 mm分7个不同级次的贯入度对北山花岗岩进行线性切割试验,试样长×宽×高分别为1 000 mm×1 000 mm×600 mm。试验中记录滚刀的三向力并分层收集岩片,从平均法向力、平均滚动力、比能、岩片块度及形状的变化,分析了贯入度对滚刀破岩效率的影响,总结了滚刀在切割试验岩样时贯入度对滚刀力的影响规律。研究结果表明,当贯入度增加到一定的程度后单纯地增加贯入度并不能无限地提高破岩效率。

基于线性切割试验碴片分析的滚刀破岩效率研究

为了研究碴片形状与TBM破岩效率之间的关系,应用机械破岩试验平台对北山花岗岩进行线性切割试验。通过对试验所形成的碴片进行粗糙度指数、扁平度以及长轴分析,发现不同滚刀间距及贯入度下所形成的碴片有很好的规律。TBM破岩效率越高,所形成的碴片大岩块的长轴更长,粗糙度指数更大,同时碴片也更加扁平。将粗糙度指数与比能进行回归分析,二者具有很好的线性关系。对于北山花岗岩,当刀间距与贯入度的比值为40左右时,TBM破岩效率最高。因此,碴片分析对评价TBM的破岩效率和优化施工具有重要意义。

节理间距对滚刀破岩影响的线性破岩试验研究

掘进机(TBM)开挖过程中受到各种地质因素的影响,其中节理间距是影响TBM滚刀破岩的一个重要因素。设计节理间距为100mm和400mm两组试验方案。试样为甘肃北山花岗岩,应用北京工业大学自行研制的大型机械破岩实验平台,选用17英寸(432mm)的常截面盘形滚刀进行线性切割破岩试验。试验过程中记录滚刀三向力、滚刀下岩样裂纹扩展并收集了岩片。从三向力、裂纹的扩展模式和岩片等角度分析节理间距对滚刀破岩的影响。结果表明:节理间距100mm的岩体切入所需要的推力小于完整岩石的推力,节理间距400mm的岩体破岩过程中推力有一突变的过程。节理间距100mm岩体滚刀作用下存在两种破坏模式,节理间距400mm的岩体破岩过程则包括了正常破岩和节理面影响破岩两个过程,并且节理对竖向主裂纹向节理面扩展有加剧的作用。节理面下方岩石较完整,节理面阻碍裂纹朝节理面下方岩石传播。

TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟

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。

TBM滚刀破岩机理与影响因素数值模拟研究

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。

TBM滚刀破岩过程的声发射特征

为了研究隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀破岩试验过程中的声发射特征,采用北京工业大学自主研制的大型机械破岩试验平台并结合声发射监测技术进行试验。试验中利用常截面盘形滚刀,对北山花岗岩进行不同贯入度下的线性切割破岩试验,并采集试验过程中的声发射信号。分析声发射能率与能量特征,对信号进行小波去噪处理后,利用Geiger算法给出岩石损伤的声发射定位。研究发现:声发射能率与滚刀法向力具有相近的变化趋势;声发射能量随贯入度增大而增加,可用于表征滚刀切削岩石所消耗的能量;声发射定位点大致描述损伤的分布范围,较好地反映出岩石在滚刀切割作用下损伤积累到形成岩片的过程。

临空面辅助滚刀破岩的数值模拟研究

研究目的:TBM掘进硬岩地质时,常会遇到破岩效率低、掘进速度慢、刀具消耗大等问题,基于临空面辅助破岩机理的多级TBM刀盘,是一种解决以上问题的有效手段。针对临空面条件下的TBM滚刀破岩机理问题,本文使用颗粒簇离散元方法开展临空面辅助滚刀破岩的数值模拟研究,旨在深入探究多级TBM刀盘的破岩机理,为多级TBM刀盘设计提供理论依据。研究结论:(1)岩体主裂纹是受密实核的压实和载荷传递的驱使而生长,侧向裂纹是在密实核破坏和膨胀效应的驱使下而生长;(2)针对岩石破碎模式的分析,发现了临空面高度和间距的两个临界值,建议均在第二个临界值附近选取高度和间距的设计值;(3)针对破岩载荷与比能的分析,发现法向力峰值和斜率主要受临空面间距的影响,而贯入比能主要受破岩模式和临空面高度的影响;(4)滚刀破岩载荷随着临空面间距的增大而迅速增大,滚刀破岩比能主要受临空面高度和岩石破碎模式的影响;(5)本研究结果可为临空面和多级TBM刀盘结构的设计提供依据。

海底隧道基岩突起段地层典型滚刀破岩实验研究

为制定高强度花岗岩基岩突起地层的盾构掘进方案,在汕头海湾隧道现场取回花岗岩岩样,测试出CAI值及元素成分,进行滚刀破岩实验,对比分析相同工况下48.26cm(19英寸)2种典型盘形滚刀(镶齿和一般平刃)的破岩效果,研究48.26cm(19英寸)一般平刃在不同推力和刀间距下的掘进参数变化情况。实验结果表明:1)工程现场的花岗岩岩样Si元素平均含量为37.35%,CAI值为3.56~3.91,为高磨蚀性岩石;2)相同工况下,一般平刃滚刀具有更高的掘进效率;3)单把滚刀总推力为300kN时,掘进速度为4.1mm/min。

滚刀破岩机理研究进展

随着地下空间的大规模开发,盾构法施工的应用日益广泛,而掌握盾构机滚刀与围岩的相互作用机理,一直是我国盾构行业急需解决的重要课题。为了明确滚刀破岩机理研究中的重难点,给研究者提供有效的理论参考和趋势信息,本文对滚刀破岩机理的研究现状和进展进行了分析总结。在分析大量文献的基础上,从理论模型、物理试验和数值模拟三个方面,对近些年国内外滚刀破岩规律研究进展情况进行归纳和总结,并对各种研究方法的适用性、优缺点进行了评述,探讨了当前研究热点问题,并阐明了滚刀破岩机理研究的发展趋势。

不同控制模式对TBM滚刀破岩性能影响的室内试验研究

为研究不同控制模式对隧道掘进机(TBM)滚刀破岩力的影响,采用盾构与掘进国家重点实验室的机械破岩平台,分贯入度控制模式和推力模式对水泥砂浆试件进行室内全尺寸旋转切削试验。分析不同控制模式下法向力、滚动力、切削系数、比能和岩体可掘进指数的变化规律,结果显示恒推力模式的岩石切削效率比恒贯入度控制模式高。

不同刃型组合的TBM滚刀破岩数值模拟研究

为了有效提高破岩效率、降低刀盘推力,本文通过数值模拟,研究了不同CCS和V型滚刀组合下的破岩过程,使用有限元方法建立了64组破岩模型,并开展全尺度回转破岩试验(RCM)验证了所建数值模型,研究的刃型组合包括:CCS-CCS-CCS,CCS-V-CCS,V-CCS-V和V-V-V,刀刃磨损量包括:0、5、10和15 mm;贯入度包括:2、4、6和8 mm。分析所获取每1组模拟的破岩效果图和破岩载荷表明:滚刀破岩效果直接受到刀刃与岩石接触区域宽度的影响;在使用V型滚刀替换CCS型滚刀时,其刀刃磨损量不应超过某个临界值,V型滚刀处于该临界值时,其刃宽与CCS型滚刀刃宽相等。

TBM滚刀贯入度对破岩效能的影响规律研究

合理设置TBM贯入度参数对于特定地质条件下的掘进效率至关重要。为研究TBM盘型滚刀在不同贯入度下的破岩效果,采用自主研发的滚刀破岩缩尺试验平台,在不同边界条件下对花岗岩开展盘型滚刀线性切割试验,通过使用FEM(finite element method)和SPH(smooth particle hydrodynamics)相耦合的数值模拟方法重现相关试验以验证模型的合理性,并在此基础上建立原尺双滚刀回旋破岩三维数值模型,研究TBM盘型滚刀不同贯入度下对花岗岩的破岩效果。研究结果表明:有侧限条件下滚刀受力和岩碴体积往往更大,且相邻贯入度之间的法向力和岩碴体积增长幅度随着贯入度的增大而减小,但无侧限条件下的破岩效率更高;滚刀破岩过程是阶跃性的,岩碴的产生主要集中在滚刀荷载跌落阶段,无论刀侧是否存在限制,刀下岩石均被碾压至极细的粉末,刀侧岩石崩出,且岩碴的大小与滚刀荷载跌落幅度正相关;刀下岩石破坏区域近似呈“V”形,随着贯入度的增大,滚刀间的“V”形破坏区域持续向安装半径内侧倾斜;滚刀破岩效率随着贯入度的增大先提高后减小,针对试验岩样,最佳贯入度为2~4mm;本研究所采用滚刀破岩缩尺试验与FEM-SPH数值模拟相结合的方法可以很好地重现花岗岩破裂过程,且两者切削力相对误差均在10%以内,可以为后续TBM滚刀破岩研究提供一定参考。

基于机器学习的TBM破岩效率预测模型研究

在TBM施工中经常会遇到复杂地质环境,导致TBM自身设备参数受到干扰,因此有必要针对相应条件下TBM滚刀破岩效率变化规律展开分析研究。相较于传统钻爆法,TBM拥有掘进迅速,破岩时间短的优越性。因TBM的这一突出优越性,所以保障TBM破岩效率已成为研究的关键问题之一。本文依托重庆轨道交通十号线二期工程,以项目所在地采集的花岗岩为研究对象进行室内试验,基于二维节理岩体试验,引入机器学习的方法,基于优化的BP神经网络,建立TBM滚刀破岩效率预测模型,并对模型预测结果准确性进行验证。结果表明,本文预测结果准确度高,适用于TBM破岩效率预测,为TBM滚刀破岩效率预测方法研究提供了理论参考。

不同结构参数TBM盘形滚刀的破岩效率分析

根据福州滨海快线特定的岩石参数,借助有限元软件ABAQUS进行数值模拟,分析在不同刀刃角、刀刃宽、过渡圆弧半径情况下,滚刀所受的滚动力、垂直力、侧向力和破岩体积的大小情况;分析各参数变化对滚刀三向力和破岩体积的影响规律。结果表明:随着刃宽增加,滚刀所受的垂直力与滚动力均增大;随着过渡圆弧半径增大,滚刀所受的垂直力、滚动力与侧向力均减小,与岩石接触面积减小,破岩体积随之减小;随着滚刀刀刃角增大,滚刀所受侧向力整体呈现增大趋势,滚刀对两侧岩石的压力增大,刀刃角比刃宽与过渡圆弧半径引起的侧向力变化更大。对于滚动力和垂直力的影响范围而言,刃宽>刀刃角>过渡圆弧半径;对于破岩体积的影响范围而言,刃宽>过渡圆弧半径>刀刃角;且相较于刃宽与过渡圆弧半径,刀刃角对侧向力的影响程度最大。