线性和回转切割模式下TBM滚刀破岩机理及影响因素研究.pdfVIP

山东建筑大学硕士学位论文 摘 要 隧道掘进机(TBM)利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，可一次形成整个 隧洞断面，在长大隧洞施工中优势显著。滚刀及刀盘作为 TBM 关键破岩工具，合理预 测其在切割岩石过程中破岩力变化规律，展开不同切割模式下破岩效果及影响因素研 究，对理解隧洞掘进过程中岩体破裂机理和优化掘进过程具有重要意义。本文基于滚刀 回转切割模式提出了一种新的破岩力预测模型，补充了以往破岩力预测模型在计算侧向 破岩力方面的不足。利用大型非线性显示分析有限元软件 ANSYS/LS-DYNA 对线性切割和 回转切割模式下滚刀破岩过程进行数值模拟分析，对比了两种切割模式下破岩效果的异 同，讨论了贯入深度、滚刀间距、围压比对破岩力和破岩比能耗的影响规律。最后建立 了全尺寸刀盘掘进过程数值模型，分析了TBM 刀盘掘进破岩效果及刀盘掘进速率对围岩 的扰动影响。本文主要研究结果如下： (1)将常截面(CCS)盘形滚刀刀头圆弧段简化为直线段，并且把滚刀侵入岩石的过程 假设为滚刀的垂直压入运动，基于以上两点，提出新的滚刀破岩力预测模型。经与试验 结果进行误差分析得出，垂直破岩力和滚动破岩力计算结果比较可靠，侧向破岩力计算 结果符合随着贯入度和刀间距的变化规律，但略小于试验数据，原因可能是侧向破岩力 计算公式未考虑相邻滚刀的协同破岩作用。 (2)滚刀线性切割破岩过程中，随着贯入度增加，垂直破岩力和滚动破岩力增大， 滚动破岩力增长率大于垂直破岩力增长率，岩石中最大 Mises 应力近似呈线性增大。对 于科罗拉多红花岗岩，当贯入度小于 4mm ，最优刀间距出现在 65mm 附近，随着贯入 度增大，刀间距/贯入度比值(S/P)从 34.4 减小到 17.9；当贯入度大于4mm ，随着贯入度 增加，最优刀间距从 83.67mm 增大到 115.78mm，S/P 值逐渐减小至 15 附近趋于平稳。 当贯入度为 6.4mm, 刀间距为 101.52mm 时，得到最小破岩比能耗值 31.86 MJ.m-3 。 (3)相比于线性切割，回转切割模式下的垂直破岩力减小，滚动破岩力增大，侧向 破岩力明显增大。贯入度和刀间距对回转切割模式下破岩力的影响规律与线性切割模式 下的基本一致，不同的是，回转切割模式下的最优刀间距大于线性切割的。当贯入度小 于 4mm ，回转切割模式下的最小破岩比能耗值小于线性切割的；当贯入度大于 4mm ， 回转切割模式下的最小破岩比能耗值大于线性切割的。 I 山东建筑大学硕士学位论文 (4) 围压作用下滚刀在回转切割岩石过程中，垂直破岩力明显增大，滚动破岩力有  相应地减小，并且随围压增大，这一趋势越明显。当围压比 =0.5 时，Hwangdeung granite, Macheon granite, Busan granite 平均垂直破岩力分别比无围压时提高 83.39%, 50.78%, 72.93%；平均滚动破岩力分别比无围压时降低26.19%, 20.41%, 16.11% 。随着围压比增 大，滚刀侵入岩石难度增大，岩石中最大Mises 应力从割槽正下方向两侧转移，并逐渐 延伸至上自由面。破岩体积随围压比增大而减少，破岩比能耗随围压比增大而增大。并 且高强度岩石对围压比的敏感程度明显高于低强度岩石。Hwangdeung granite, Macheon granite, Busan granite 三种类型岩石在受到围压作用时的最大破岩比能耗比没有围压约 束情况下分别提高 14.37%, 10.06%, 7.86% 。 (5) 结合实际工程案例展开 TBM 全断面开挖过程的数值模拟研究，在数值建模过 程中综合考虑贯入度、刀间距和围压等因素的影响，研究了 TBM 全断面掘进过程中岩 石的破坏形态和掘进速率对围岩扰动区范围的影响，结果表明随着 TBM 掘进速率增大， 围岩扰动区范围逐渐减小。 本文研究结果对深入理解 TBM 隧洞掘进过程中滚刀破岩力变化规律和优化掘进施 工过程具有一定理论参考价值和实际指导意义。 关键词：盘形滚刀，线性切割和回转切割，破岩力，破岩比能耗，影响因素，