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岩土工程中国软件高级研修班讲座
基于MatDEM的TBM滚刀破岩模拟
薛亚东
同济大学，上海
yadongxue@
2021-10-16
目录
TBM隧道掘进中的滚刀破岩问题1
2
滚刀破岩机理分析与模型试验
基于MatDEM开展滚刀破岩的高效模拟与分析3
MatDEM在隧道及地下工程领域应用的展望4
5QA
2
1
TBM隧道掘进中的滚刀破岩问题
3
1.TBM隧道掘进中的滚刀破岩问题
隧道tunnel
公路隧道，铁路隧道，地铁隧道，水工隧洞，矿山隧道（巷道），电力隧道…
最重要基础设施之一
截至2020年底，铁路运营隧道共16798座，总长约1.96万km。
公路运营隧道共21316座，总长约2.2万km。
城市轨道交通运营总里程约7655km。
4
1.TBM隧道掘进中的滚刀破岩问题
施工掘进excavation
软：土体
开挖出渣支护地层
硬：岩体
钻爆法Drillingandblastingmethod
机械施工法
MechanizedTunneling
悬臂掘进机法
Roadheader
全断面掘进机法TBM
TunnelBoringMachine
盾构法Shieldtunnelling
泥水平衡SPB
土压平衡EPB
顶管法Pipejacking混合模式
开敞式
mainbeam
TBM法
单护盾
双护盾
5
1.TBM隧道掘进中的滚刀破岩问题
施工掘进excavation
全断面掘进机法TBM
（1）岩石——TBM（2）软土——盾构机
引汉济渭工程岭南标段撑靴式TBM福建地铁2号线泥水平衡盾构机
区别：刀盘、切削刀具、工作面压力平衡方式、后配套系统、出渣方式、支护系统等等
6
1.TBM隧道掘进中的滚刀破岩问题
施工掘进excavation
全断面掘进机法TBM
中国交通的可持续发展白皮书（2020）：交通技术国之重器
1.TBM隧道掘进中的滚刀破岩问题
施工掘进excavation
全断面掘进机法TBM
8
1.TBM隧道掘进中的滚刀破岩问题
施工掘进excavation
全断面掘进机法TBM
9
1.TBM隧道掘进中的滚刀破岩问题
施工掘进excavation
全断面掘进机法TBM
盘形滚刀disccutter
10
1.TBM隧道掘进中的滚刀破岩问题
施工掘进excavation
引汉济渭输水隧道工程
11
1.TBM隧道掘进中的滚刀破岩问题
施工掘进excavation
刀具的发展
直径额定荷载
年份
inchmmkN
11279851961
滚刀破岩关键问题：
123051251969
133301451980
143561651976
1、刀具的受力特征
15.53942001973
16.254132001987
2、岩石的破坏机理
3、刀具的磨损机理
174322151983
194833121989
205083122006
4、刀盘、刀具的设计优化
40%地质
5、刀具状态监测与快速换刀
30%30%设备人
12
2
滚刀破岩机理分析与模型试验
13
2.滚刀破岩机理分析与模型试验
滚刀破岩机理
mechanism
（1）理论分析
侧向力Fs
14
2.滚刀破岩机理分析与模型试验
滚刀破岩机理
mechanism
（2）室内模型试验
15
2.滚刀破岩机理分析与模型试验
滚刀破岩机理
mechanism
（3）现场试验
16
2.滚刀破岩机理分析与模型试验
滚刀破岩机理
mechanism
离散元-有限
元耦合
（4）数值模拟试验
有限元-SPH耦合
有限元+统计
损伤
离散元
2.滚刀破岩机理分析与模型试验
进一步思考
?研究滚刀破岩机理的目的？
?如何选择合适的方法？
?进一步理解工程过程
?提炼尚没有解决的问题
18
3
基于MatDEM开展滚刀破岩的高效模拟与分析
19
3.基于MatDEM开展滚刀破岩的高效模拟
关于DEM
连续介质力学非连续介质力学
DiscreteElementMethod（DEM），一种通用的刚体颗粒单元模拟方法，可以模拟颗
粒的堆积、流动及相互作用；
PeterA.Cundall，1971，岩石力学模拟；
采用显式动力学计算，阻尼、时步设置很关键；
Yade
3.基于MatDEM开展滚刀破岩的高效模拟
关于MatDEM
/
2Dor3D？接触模型与微观参数标定；
计算效率？
21
3.基于MatDEM开展滚刀破岩的高效模拟
MatDEM：丰富的案例
/
常规三轴试验直剪试验
地面塌陷、隧道塌方等
衬砌管道变形受力分析等滚刀破岩过程
矿山爆破、钻爆法施工等
22
3.基于MatDE
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