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。