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全尺度TBM滚刀线性切削花岗岩试验研究

贺飞;田彦朝;尚勇;马洪素;殷丽君

【摘要】为了研究滚刀刃宽、刀间距和贯入度等关键参数对滚刀破岩过程的影响

规律,基于全尺度线性切削试验平台,使用CCS型盘形滚刀开展了不同参数条件下的

花岗岩切削试验。使用13mm和17mm2种刃宽的滚刀,在60、65、70、75、

80mm刀间距和0.5、1.0、2.0、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、6.0mm贯入度条件

下,直线切削单轴抗压强度约140MPa的岩石,获取破岩法向力、滚动力等载荷数据,

并计算各次切削试验的破岩比能。研究结果表明:1)平均法向力和滚动力随刃宽、

贯入度和刀间距的增大而增大,但增长速率有所不同;2)刃宽和贯入度对平均破岩载

荷的影响程度明显强于刀间距;3)刃宽对平均法向力的影响程度强于对平均滚动力

的影响程度;4)对不同的刃宽和刀间距,破岩比能总体上随贯入度的增大先减小后增

大,而刃宽的增大会引起破岩比能的增大。

【期刊名称】《隧道建设（中英文）》

【年(卷),期】2018(038)012

【总页数】8页(P2063-2070)

【关键词】TBM;滚刀;破岩机制;线性切削试验;破岩比能;花岗岩

【作者】贺飞;田彦朝;尚勇;马洪素;殷丽君

【作者单位】[1]中铁工程装备集团有限公司,河南郑州450016;[1]中铁工程装备集

团有限公司,河南郑州450016;[1]中铁工程装备集团有限公司,河南郑州450016;[2]

核工业北京地质研究院中核集团高放废物地质处置重点实验室,北京100029;[3]北

京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京100124;

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【正文语种】中文

【中图分类】U455.3

0引言

全断面岩石隧道掘进机(tunnelboringmachine,TBM)是一种用于隧道全断面开

挖的大型专用工程机械，被广泛应用于高速铁路/公路、城市轨道交通和区域引水

工程的隧道建设[1-2]。CCS(constantcrosssection)型盘形滚刀是现有TBM的

主要破岩刀具，其破碎岩石的过程是TBM掘进施工的关键，直接影响着掘进速度

和成本。

滚刀的基本破岩过程为：刀盘运动带动滚刀刃滚压掌子面，刀刃下形成高压密实

核并驱动侧向裂纹贯通成碴。滚刀破岩过程受到刀间距、刀具直径、刀具刃宽、贯

入度、岩石岩体力学参数等的综合影响。针对这些参数的影响，国内外学者进行了

大量的试验研究。

目前，主要采用全尺度线切割试验台(LCM)的方法开展室内滚刀破岩试验。

Rostami[3-4]使用LCM试验台，研究了岩石强度、刀间距、刀刃宽度、刀具直径、

贯入度等参数对破岩过程的影响，提出了CSM(coloradoschoolofmines)滚刀

破岩载荷预测公式，由于该公式可直接用于载荷预测并指导滚刀布局和刀盘设计，

因此被广泛采用。Balci等[5-6]使用LCM试验台，开展了不同刃型(V型和CCS

型)、刃宽、刀间距、贯入度条件下滚刀切削砂岩、页岩和石灰岩的试验，提出了

新的破岩载荷预测公式，并将破岩载荷与CSM模型进行了比对。Cho等[7]使用

LCM试验台，研究了刀间距和贯入度对破岩比能的影响规律，得到了相应的最优

刀间距和贯入度比值。Xia等[8]使用LCM试验台切削了大量的国内岩石，对比所

得破岩载荷与CSM模型预测