Differentiation and analysis on rock breaking characteristics of TBM disc cutter at different rock temperatures

In order to study rock breaking characteristics of tunnel boring machine(TBM) disc cutter at different rock temperatures,thermodynamic rock breaking mathematical model of TBM disc cutter was established on the basis of rock temperature change by using particle flow code theory and the influence law of interaction mechanism between disc cutter and rock was also numerically simulated.Furthermore,by using the linear cutting experiment platform,rock breaking process of TBM disc cutter at different rock temperatures was well verified by the experiments.Finally,rock breaking characteristics of TBM disc cutter were differentiated and analyzed from microscale perspective.The results indicate the follows.1) When rock temperature increases,the mechanical properties of rock such as hardness,and strength,were greatly reduced,simultaneously the microcracks rapidly grow with the cracks number increasing,which leads to rock breaking load decreasing and improves rock breaking efficiency for TBM disc cutter.2) The higher the rock temperature,the lower the rock internal stress.The stress distribution rules coincide with the Buzin Neske stress circle rules: the maximum stress value is below the cutting edge region and then gradually decreases radiant around; stress distribution is symmetrical and the total stress of rock becomes smaller.3) The higher the rock temperature is,the more the numbers of micro,tensile and shear cracks produced are by rock as well as the easier the rock intrusion,along with shear failure mode mainly showing.4) With rock temperature increasing,the resistance intrusive coefficients of rock and intrusion power decrease obviously,so the specific energy consumption that TBM disc cutter achieves leaping broken also decreases subsequently.5) The acoustic emission frequency remarkably increases along with the temperature increasing,which improves the rock breaking efficiency.

基于数值仿真的复杂岩体TBM掘进性能评估模型

为了评估全断面隧道掘进机(TBM)在复杂岩体环境中的掘进性能,本文提出了基于数值仿真的全断面TBM掘进预测模型。首先,采用4D-LSM和DDA耦合模型数值重现工程尺度完整岩体和节理岩体的TBM掘进测试过程,分析全断面TBM掘进过程中刀盘的力学响应和岩体的破坏特征;其次,研究节理间距、节理方向、岩体单轴抗压强度以及脆性指数对可钻性指数的影响;最后,引入单神经元对数值仿真预测模型进行修正,并与岩体特征模型进行对比分析,验证基于数值仿真的全断面TBM掘进性能预测模型的适用性。研究结果表明:TBM在低强度、高脆性以及节理发育的岩体中掘进效率更高,当节理面与TBM掘进方向之间的夹角为60°~75°时,最有利于TBM的运行。基于数值仿真的TBM掘进性能预测模型提供了一种经济、灵活的可用于评估复杂环境中TBM施工性能的方法。

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。

TBM双刃滚刀破岩过程模拟研究

采用ANSYS/LS-DYNA对TBM双刃滚刀破岩过程进行动态掘进仿真和动力学分析。根据济南R2线工程地质和TBM设备参数,建立双刃滚刀-岩石三维模型,通过对双刃盘形滚刀不同刀刃宽度、不同贯入度进行仿真,分析双刃滚刀受力情况,并与CMS模型对比,研究TBM双刃盘形滚刀刀刃宽度、贯入度在破岩过程中的影响。通过分析结果表明:当双刃滚刀贯入度在5~7 mm时,比耗能较小,对应双刃滚刀破岩效率较高;在贯入度定值下,随着刀刃宽度增加,侧向力与滚刀破岩力随之增加,刀刃宽度在16~20 mm时对应的破岩效率较高。通过分析双刃盘形滚刀破岩特征,对深入研究盘形双刃滚刀优化设计提高破岩效率具有重要的工程价值。

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。

双模式TBM刀具破岩试验台有限元仿真分析

为获得双模式TBM刀具破岩试验台的振动特性,并以此对试验台的结构进行优化,采用ANSYS Workbench仿真软件,通过对预应力下的模态分析完成对试验台在工作状态下的数值模拟分析,得到试验台前8阶固有频率和振型,以体现其结构特性;然后使用模态叠加法对试验台进行谐响应分析,得到位移-频率响应图和应力-频率响应图。研究结果表明:试验台的最大响应频率为145.47Hz,能够验证试验台结构的抗振性能,并为试验台的下一步结构优化提供依据。

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。