考虑岩石细观结构的TBM滚刀破岩过程数值研究

为研究TBM滚刀的破岩机制,基于颗粒离散元方法与Voronoi元素,采用平行黏结接触模型与平节理接触模型,提出具有岩石细观结构特征的改进等效晶质模型,实现对TBM滚刀破岩过程的模拟。通过室内试验与数值模拟计算结果的对比分析,验证该改进等效晶质模型在滚刀破岩研究中的适宜性和可靠性。研究结果表明:滚刀破岩过程可分为4个阶段,即线性加载阶段、屈服硬化加载阶段、卸载阶段和残余跃进阶段;晶间张拉裂纹在总裂纹数中占主导地位,晶内裂纹是引起宏观裂纹产生的重要原因;随晶体平均粒径增加,岩石破碎程度与峰值破岩荷载均增大;随滚刀刀圈宽度增大,裂纹总数与晶内裂纹所占比例均增加,破岩峰值应力与破岩体积也增大。研究结果可为TBM滚刀刀头配置提供参考依据。

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。

预制割缝作用下TBM滚刀切削速度对岩石破岩性能的影响规律

为提高硬岩巷道掘进过程中滚刀破岩性能,结合滚刀切削载荷、比能及温度指标,从多维度研究了割缝深度及其相对滚刀横向距离对岩石破岩性能的影响规律,分析了滚刀切削速度对滚刀载荷及温度的影响规律,并探究了滚刀切削速度与割缝深度及其相对滚刀横向距离间的相互作用关系,获得了割缝参数在匹配安装半径较大滚刀期间的调整方向。研究结果表明,在切削速度由1.0 m/min依次增加至1.5、2.0、2.5、3.0 m/min的过程中,滚刀载荷分别增大了15.04%、43.83%、89.79%、161.84%,滚刀最高温度分别升高了30.01%、87.51%、121.26%、134.55%,推荐的切削速度优选范围为1.0~1.5 m/min。若需要同时兼顾滚刀破岩效率,则切削速度亦可放宽至2.0 m/min,但滚刀切削比能将由此相对增大19.51%。

基于磨料磨损的TBM滚刀磨损预测研究

为准确预测滚刀磨损量及其寿命,通过分析滚刀工作工况及磨损后表面形貌,得出以磨料磨损为主要形式的滚刀磨损中,引起刀圈表面材料去除的机制主要是基于塑性去除的显微切削与犁沟去除,以及基于韧性断裂去除的微观断裂剥离,硬度低韧性高的滚刀以发生塑性去除机制为主,硬度高韧性低时以发生断裂去除机制为主。通过推导塑性去除机制与韧性断裂去除机制产生的磨损量计算式,并利用图像处理技术对滚刀磨损表面SEM图像进行处理确定这2种机制所产生的磨损量之比,建立耦合这2种去除机制的滚刀磨损量预测公式,并在多功能硬岩滚刀试验台上进行实验验证,实验结果表明预测模型能较准确地反映滚刀的实际磨损。

不同围压下节理岩体中TBM滚刀破岩效率研究

为提高TBM掘进效率,降低TBM施工成本,有必要研究节理岩体中的滚刀破岩效率。为此,文章采用二维离散元软件UDEC研究在不同围压下,节理间距、节理倾角、滚刀间距及贯入度对破岩效率的影响规律。研究表明:(1)节理倾角以30°附近为界向上增加或向下减小,比能耗随围压增加而减小的趋势变缓,并且在接近90°和0°时,围压的增加对滚刀破岩呈现不利影响;(2)节理岩体节理间距越小,比能耗受围压影响越明显。随着节理间距的增加,围压对比能耗的影响逐渐弱化,直至消失;(3)节理倾角0°附近,在满足安装要求的情况下滚刀间距宜取小值;节理倾角30°附近,刀间距100 mm左右时比能耗最小;节理倾角60°时,刀间距120 mm左右比能耗最小;(4)在滚刀之间裂隙贯通的前提下,节理岩体取较小贯入度时破岩效率较高。

不同双向侧压作用下TBM滚刀侵入破岩特征及效率研究

为研究不同双向围压条件下TBM滚刀破岩特征及效率,基于真三轴试验平台进行了滚刀顺次侵入试验,并利用形貌扫描仪对滚刀侵入后形成的破碎坑形态及体积进行了分析。结合裂纹发育及滚刀破岩效率分析,结果表明:当较小围压(Sig_1)一定时,随着围压差的增大,虽然TBM滚刀侵入过程中的侵入能量逐渐增大,但其形成的破碎坑体积也随之增大,进而导致其破岩效率的增大。当较大围压(Sig_2)一定时,随着较小围压的增大,其侵入能量也随之增大,但其破碎坑体积随之减小,进而导致其破岩效率降低。

水力切缝上方TBM滚刀贯入破坏机制模拟研究

为了提高坚硬岩层隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)贯入度和降低滚刀受力,高压水射流辅助TBM滚刀破岩已在工业界初步应用。为了揭示水力切缝滚刀破岩机制,基于水力切缝岩石滚刀贯入试验进行了三维颗粒流模拟,研究了滚刀贯入力和贯入刚度随切缝深度的变化规律,揭示了不同切缝深度滚刀纵横剖面内的裂纹扩展和力链演化过程,分析了拉裂纹和剪裂纹随切缝深度的变化规律,明确了不同切缝岩石滚刀贯入的破坏模式和破坏机制。结果表明,第1次贯入的贯入刚度和贯入力随切缝深度的增加大致呈线性降低,第2次贯入的峰值力和贯入刚度小于第1次。而且,50~80 mm刀间距的变化对峰值贯入力的影响并不显著。随着切缝深度的增加,滚刀下方力链集中区边缘的倾角变大。由此导致破坏倾向于倾斜向下发展,当刀间距增加时,破坏由切缝一侧倾斜破坏向两切缝中间岩脊倾斜破坏转变,研究结果可为TBM滚刀与水射流布置和切缝深度的选取提供一定参考。

TBM滚刀破岩时滑移量的数值模拟研究

TBM破岩用的盘形滚刀消耗量大且价格昂贵,不合理的换刀会对工期、施工成本以及TBM本身造成不利影响,研究盘形滚刀的磨损特性以及预测滚刀磨损具有重要意义。滚刀破岩时其受力情况及滑移量对滚刀磨损机理及磨损量的预测至关重要,本文利用软件ABAQUS建立了盘形滚刀破岩过程的有限元模型,研究了滚刀滑移现象以及滚刀受力分布情况。定量地分析了滚刀贯入度以及滚刀与岩石间的摩擦系数对滚刀滑移的影响。结果表明:滚刀破岩时的滑移量与贯入度成正比,与摩擦系数成反比。所得结果可以为滚刀磨损量的预测提供参考。

TBM滚刀作用下岩石破坏过程数值模拟

根据岩石Drucker-Prager塑性屈服准则和岩石的力学特性,利用ABAQUS软件建立了全断面岩石隧道掘进机(TBM)滚刀破岩的仿真模型,并对滚刀的破岩过程进行了仿真。模拟结果表明:岩石内聚力和内摩擦角的选取对滚刀破岩过程中法向力的影响较大,法向力随着岩石内聚力和内摩擦角的增大而增大。在岩石破坏前,法向力随着滚刀下压深度的增加而增加。对于所选定的岩石力学参数,当yz方向剪应变达到0.183时,岩石出现破碎。这对改进刀盘参数的设计、提高掘进效率具有一定的指导意义。

基于集中参数法的TBM滚刀动态响应研究

滚刀是TBM掘进装备的核心部件,工作在极端复杂的地质环境下,承受多点分布强冲击载荷,使得滚刀振动极其剧烈,研究冲击载荷作用下TBM滚刀振动特性十分有必要。文章采用集中参数法建立滚刀的垂向和轴向振动模型,运用ADAMS对滚刀虚拟样机模型进行模拟仿真,得到滚刀质心在竖直和水平方向上的位移、速度和加速度振幅,滚刀输出的变化规律与载荷输入情况相一致。采用雨流计数法进行数值统计。研究结果对滚刀系统参数匹配及动态优化具有参考价值。

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

TBM在我国交通、水利及采矿工程的隧道中大量应用,在掘进中经常遇到复合岩层,有必要研究复合岩层中TBM滚刀破岩机理。本文采用PFC3D(Partical Flow Code in 3 Dimension)探讨复合岩层中随道轴线和岩层走向平行、垂直时TBM滚刀破岩机理,得出相关结论。

TBM滚刀切削花岗岩和灰岩的力学响应差异

为揭示TBM分别穿越花岗岩和灰岩地层时的力学响应差异,采用岩样标准试件力学参数测定、ABAQUS-SPH数值模拟以及现场实测验证等方法开展了双滚刀破岩机理与影响因素研究。结果表明,ABAQUSSPH数值模拟方法可以有效地模拟滚刀破岩过程中岩石的变形和破坏状态;滚刀扭矩对滚刀的切削顺序较为敏感,滚刀推力则对岩石强度较为敏感,岩石强度提升时,达到同一切削水平下的滚刀推力会大幅度增加;在本研究计算参数条件下,滚刀穿越灰岩地层时的破岩效率要比穿越花岗岩地层时更高,滚刀之间的岩脊宽度与岩石强度呈正比。

仿生侵蚀介质对滚刀/大理岩滚动摩擦磨损行为的影响

目的对比去离子水和仿生侵蚀介质2种工况下,滚刀/大理岩摩擦副在不同法向载荷作用下的滚动摩擦磨损行为,阐明仿生侵蚀介质对大理岩破碎去除和滚刀磨损的影响规律和作用机制,为化学手段辅助提升全断面隧道掘进机(TBM)破岩效率提供参考。方法表征自制仿生侵蚀介质对大理岩和H13钢滚刀的腐蚀性,基于自制滚压破岩模拟试验机研究滚刀/大理岩摩擦副的滚动摩擦磨损行为。结果仿生侵蚀介质对滚刀无明显腐蚀性,但会诱导大理岩表面产生次生裂隙和溶蚀孔,弱化岩石表面的力学性能。在法向载荷为45、75、105N时,相较于去离子水工况,在仿生侵蚀介质工况下大理岩的磨损体积分别提高了25.3%、9.3%、17.5%,滚刀破岩比能分别下降了28.3%、11.4%、20.0%。在法向载荷为45 N时,岩石表面的破坏形式主要为矿物颗粒破碎剥落。在法向载荷为75N时,岩石的去除量明显增大,表面形成了密实核。在法向载荷为105N时,岩石表面发生显著开裂和去除现象。结论仿生侵蚀介质能促进大理岩的破碎和去除,降低滚刀磨损和破岩比能。仿生侵蚀介质的作用受到岩石破坏形式的影响,在法向载荷较低时,岩石表面破坏形式以矿物颗粒剥落和密实核形成为主,仿生侵蚀介质仅作用于岩石表层,其效果有限;在法向载荷较高时,岩石表面会产生裂纹和开裂,有利于仿生侵蚀介质向岩石内部的渗透,刀具的破岩效率显著提高。

TBM盘形滚刀破岩过程的数值研究

采用ANSYS/LS-DYNA对TBM(tunnel boring machine)滚刀切削岩石的过程进行动态模拟和动力学分析,研究了破岩过程中滚刀的受力情况和滚刀贯入度及滚动速度对切削力的影响规律.结果表明,当岩石单轴抗压强度为45 MPa时,滚刀承受的侧向力、滚动力及正向力的平均值分别约为0、0.45、4.5 k N,在该工况下滚刀的最佳贯入度及滚动速度分别为10 mm和3.6 r/min.研究结果为工程人员在次硬围岩的工况下设计工作参数提供了合理依据.

深部节理岩体TBM滚刀破岩效果及最优刀间距研究

为了优化深部岩体中TBM刀盘滚刀的布置,提高TBM掘进效率,采用二维离散元软件UDEC分别研究了节理间距、倾角及贯入度对滚刀破岩的影响。研究结果表明:节理间距为50 mm时,裂纹均扩展到节理面,但节理面对裂纹的扩展有阻隔作用,不管节理的倾角如何,裂纹仍然沿着其倾斜的方向扩展;节理间距不大于100 mm时,岩石的裂纹可以扩展到节理面,节理对裂纹扩展起到控制作用;当节理间距不小于150 mm时,裂纹的扩展无法到达节理面,节理基本不影响裂纹扩展;对于水平节理,节理间距较小时,节理的存在不利于滚刀破岩,随着节理间距的增加,这种不利影响逐渐减弱、直至消失。节理倾角为30°时,由于节理倾角较小,节理间距的减小导致最优刀间距也在减小。节理倾角为60°时,节理间距越小越有利于滚刀的破岩。最佳贯入度随着节理倾角的变大存在逐渐上升的变化趋势,倾角0°变大至90°时,最佳贯入度从2 mm左右比较迅速地增大至7 mm左右。

多滚刀协同破岩过程数值模拟与滚刀布置规律研究

刀盘是全断面隧道掘进机(Tunneling Boring Machine,简称TBM)实现隧道挖掘功能的关键部件之一。刀盘持续破岩是滚刀群共同作用下的岩石破坏过程。滚刀作为实现刀盘破岩功能直接工具,在刀盘上的布置方式将直接影响滚刀破岩载荷和能耗等破岩性能指标。围绕多滚刀协同破岩模式下滚刀安装参数对破岩载荷和破岩比能耗的影响规律问题,首先分析了TBM掘进时刀盘上滚刀破岩的特点以及相邻滚刀回转破岩过程中产生协同效应的方式。抓住刀盘上多把滚刀绕刀盘中心回转、缓慢侵入岩石的运动特征,建立了包括滚刀位移加载方式、以及适用于模拟掘进中岩石单元损伤失效形式的岩石本构模型和岩石失效分离准则等技术环节的三滚刀回转破岩有限元模型。模拟了多把滚刀螺旋侵入岩石的破岩过程,通过有限元仿真计算分析了刀间距、相邻滚刀安装极角差和切削顺序三个主要刀盘布置参数对破岩载荷、破岩比能耗等破岩性能指标的单因素影响规律,并设计正交试验分析了多因素交互作用下上述参数对破岩总载荷影响规律及显著性。分析结果表明,刀间距和安装极角差对滚刀破岩性能的影响最为显著。其中,刀间距影响相邻切削路径间侧向裂纹的贯通情况,随着刀间距的增大,相邻切削路径间的侧向裂纹贯通逐渐困难,相邻滚刀沿刀盘径向协同破岩的效果也有所减弱;安装极角差影响侧向裂纹与倾斜临空面的贯通情况,随着安装极角差的增大,与倾斜临空面贯通的侧向裂纹变长,相邻滚刀沿刀盘环向协同破岩的效果有所增强。分析了多滚刀协同破岩工况中,滚刀的布置方式与滚刀破岩性能的关系,为刀盘滚刀合理布置提供参考依据。

节理倾角和间距对TBM双刃盘形滚刀破岩效率的影响

通过实验研究不同节理倾角和间距对TBM双刃滚刀破岩的影响效果。实验采用预制节理水泥砂浆试件模拟节理岩体,节理面与侵入力方向夹角?分别为0°,30°,60°和90°,节理面间距分别为20,30,40和50 mm,采集整个加载过程中滚刀的侵入深度和侵入力,并采用相机进行实时拍摄,获得试件表面破坏的发展过程以及最终破坏形态。研究结果表明:节理岩体存在3种基本破碎模式,主要与节理倾角有关;相邻滚刀的协同破岩作用导致滚刀间岩体产生贯通裂纹,形成片状岩碴;当节理倾角为60°时,破岩比能耗最小,滚刀破岩效率最高;节理间距对岩碴的形成有较大影响,比能耗随着节理间距增大而增大,破岩效率降低。

基于LabVIEW的滚压破岩模拟试验机研制

为考察不同环境工况下TBM滚刀的破岩特性,研制了一台小型滚压破岩模拟试验机。该试验机采用模块化设计,主要由基体及动力执行模块、数据采集模块、介质流率与温度控制模块三部分组成。其中,基体及动力执行模块主要包含试验机基体、加载主轴、滚刀夹具和岩石夹具,用来支撑试验装置和提供动力;基于LabVIEW的数据采集模块(力信号监测与分析系统)可在试验过程中实时显示和存储滚刀试样的法向力、滚动力、侧向力和摩擦系数数据;介质流率与温度控制模块由精密恒流蠕动泵、温度控制器和加热负载组成,用于试验过程中介质溶液的引入和温度保持。试验机的滚刀安装半径、介质环境、法向载荷、运动速率和时长等工况参数均可调。滚刀/大理岩在25℃去离子水介质工况下两种法向载荷作用的滚动摩擦磨损试验结果表明,该试验机可开展TBM滚刀在不同温度介质环境下的滚压破岩模拟试验。

TBM滚刀刀圈装配最优过盈量研究

研究TBM滚刀在动态载荷作用下,刀圈内孔与刀毂外表面接触应力分布规律,利用数值模拟对刀圈、刀毂之间过盈量分析计算,确定刀圈、刀毂最优的配合过盈量;对于优化滚刀刀圈、刀毂加工工艺,提高刀圈掘进性能和使用寿命,降低施工成本具有重要意义。

基于空腔膨胀理论的TBM盘形滚刀侵岩载荷模型建模分析及试验验证

刃底密实核动态衍生现象严重影响了盘形滚刀的破岩机理,进而一定程度上影响了全断面岩石隧道掘进机(TBM)的掘进效能。参考H Alehossein钝楔形压头侵岩模型,将密实核衍生现象及密实核区周围复杂的应力场纳入考察,基于空腔膨胀理论和离散化建模思路,建立了常截面平刃滚刀侵岩模型。随后,分别以滚刀所受垂直力和刃底无因次平均接触应力为性能指标,将滚刀侵岩过程中刀圈刃部横截面几何尺寸参数和岩石物理力学性能参数作为考察变量,针对上述所建侵岩模型开展了十因素两水平的正交试验分析,探究了各考察变量的敏感程度,并分析了无因次平均接触应力的变化规律。最后,选取了2种具有不同粒径的岩石试样,制备了4种刀圈压头,并在TRW-3000三轴冲击破岩试验机上开展了侵岩试验验证。研究结果表明:对于垂直力和无因次平均接触应力而言,刀刃宽和侵深均为敏感因素;由于将密实核现象纳入考核,在滚刀压头侵岩作用下位于刃底的岩石应力水平明显大于单轴抗压强度;所建模型对于在第一次阶跃破碎之前的侵岩载荷速率的预测误差最大不超过10%,这表明模型具有良好的准确性。