利用近场动力学方法模拟隧道掘进机滚刀三维贯入破岩

近场动力学方法是一种非局部无网格数值方法,在模拟固体的动力损伤断裂方面具有优势,首次提出采用近场动力学方法模拟隧道掘进机（tunnel boring mechine,简称TBM）滚刀三维贯入破岩,并模拟了7组试验来验证。通过模拟压头贯入试验,展示了近场动力学方法模拟刀具贯入破岩的可行性。同时,提出了非线性短程力接触模型,证明了该接触模型可以较好地反映TBM滚刀法向力随贯入深度的变化趋势,还能够反映滚刀在贯入过程中与岩石接触面积的变化情况。利用所提非线性短程力接触模型模拟了5组不同围压作用下的TBM滚刀三维贯入试验,并与试验结果比对。模拟结果表明,提出的接触模型能够计算滚刀峰值力随不同围压的变化,并且可以得到合理的岩石表面破坏形式。近场动力学方法使用简便,仅需要两个标定参数便可以模拟TBM滚刀三维贯入破岩,具有实际工程应用前景。     

水力切缝上方TBM滚刀贯入破坏机制模拟研究

为了提高坚硬岩层隧道掘进机（tunnel boring machine, TBM）贯入度和降低滚刀受力,高压水射流辅助TBM滚刀破岩已在工业界初步应用。为了揭示水力切缝滚刀破岩机制,基于水力切缝岩石滚刀贯入试验进行了三维颗粒流模拟,研究了滚刀贯入力和贯入刚度随切缝深度的变化规律,揭示了不同切缝深度滚刀纵横剖面内的裂纹扩展和力链演化过程,分析了拉裂纹和剪裂纹随切缝深度的变化规律,明确了不同切缝岩石滚刀贯入的破坏模式和破坏机制。结果表明,第1次贯入的贯入刚度和贯入力随切缝深度的增加大致呈线性降低,第2次贯入的峰值力和贯入刚度小于第1次。而且,50～80 mm刀间距的变化对峰值贯入力的影响并不显著。随着切缝深度的增加,滚刀下方力链集中区边缘的倾角变大。由此导致破坏倾向于倾斜向下发展,当刀间距增加时,破坏由切缝一侧倾斜破坏向两切缝中间岩脊倾斜破坏转变,研究结果可为TBM滚刀与水射流布置和切缝深度的选取提供一定参考。     

基于颗粒流模型的TBM滚刀破岩过程数值模拟研究

为了研究全断面岩石掘进机（TBM）盘型滚刀的破岩机制及其影响因素,采用颗粒流方法建立了岩石与滚刀的二维数值模型,实现了对TBM滚刀破岩过程的模拟。分析表明,滚刀的破岩过程可分为冲击挤压破碎、大量微裂纹生成、张拉性主裂纹扩展3个阶段,证实了滚刀破岩的挤压-张拉破坏理论。在滚刀侵入深度相同的前提下,随着刀圈刃角以及刃宽的增加,滚刀下的压碎区也相应增大,张拉性主裂纹数目增多,滚刀的破岩能力提高;与平刃刀圈相比,楔刃刀圈的“楔块劈裂”作用更加显著,使径向裂纹扩展得更快且更深入岩石内部。TBM滚刀对强度较高或较低岩石的破坏损伤较小,而对中等强度的岩石破坏损伤最为显著。     

TBM滚刀破岩过程影响因素数值模拟研究

全断面岩石掘进机（TBM）的破岩效率主要受刀盘设计和岩体特征的影响。采用颗粒流方法建立了岩石试件与滚刀的数值模型,对TBM滚刀破岩过程的影响因素进行了分析。研究表明,单刃滚刀交替作用下强度较低的岩石中易形成规则的张拉裂纹而生成较大岩碴;强度较高的岩石中滚刀的侧向挤压促使形成块度较小的片状岩碴;双刃滚刀作用下岩石表面受到强烈挤压后出现较大的拉应力,使岩石更易破碎,且仅在强度较高的岩石中才易形成透镜状岩碴。滚刀破岩过程中存在能耗最小的最佳间距,该最佳间距随着岩石强度的增大而减小。滚刀破岩过程中,结构面对裂纹扩展具有显著的控制性作用,并阻隔损伤向结构面下的岩石中渗透;随着结构面与滚刀侵入方向夹角的减小,结构面将引导裂纹向岩石深部扩展,而当夹角较大时,结构面则会引导裂纹横向扩展,易导致大块岩碴的形成     

不同双向侧压作用下TBM滚刀侵入破岩特征及效率研究

为研究不同双向围压条件下TBM滚刀破岩特征及效率,基于真三轴试验平台进行了滚刀顺次侵入试验,并利用形貌扫描仪对滚刀侵入后形成的破碎坑形态及体积进行了分析。结合裂纹发育及滚刀破岩效率分析,结果表明:当较小围压(Sig_1)一定时,随着围压差的增大,虽然TBM滚刀侵入过程中的侵入能量逐渐增大,但其形成的破碎坑体积也随之增大,进而导致其破岩效率的增大。当较大围压(Sig_2)一定时,随着较小围压的增大,其侵入能量也随之增大,但其破碎坑体积随之减小,进而导致其破岩效率降低。     

新材质破岩刀具的研制与合理使用

本文从改进和提高制造刀具的材质着手，结合刀具结构的改进和合理使用，使刀具的破岩效率和使用寿命达到新的水平，为施工单位保证施工工期和降低成本提供保证。实践证明，研制成的高性能冲击钻头和电焊硬质合金刀齿滚刀是当前最为有效的破岩刀具。     

锥形聚晶金刚石复合片齿破岩特征与机制研究

锥形聚晶金刚石复合片(polycrystalline diamond compact,PDC)齿是一种具有较强抗冲击性和耐磨性的新型PDC齿,在坚硬、强研磨性和软硬交错地层中取得了非常好的钻井提速效果。为了揭示锥形齿破碎硬岩机制,开展锥形齿破碎花岗岩试验与数值模拟研究,分析了切削深度和前倾角对锥形齿切削力和破岩比能的影响规律,采用高速摄像机和透明K9玻璃观测了锥形齿作用下岩屑形成过程及微裂纹萌生与扩展过程,通过数值模拟分析了破岩过程中岩石应力响应与损伤演化特性,结合对切削槽和大尺寸块体岩屑表面形貌及断口微观特征分析,建立了锥形齿破碎花岗岩机制模型。结果表明,锥形齿破碎花岗岩的过程可以分为挤压成核和块体崩裂两个阶段,前倾角对岩石破碎过程影响较小,切削深度的影响显著;锥形齿周围的裂纹主要由压实核、纵向裂纹和横向裂纹组成,纵向裂纹和横向裂纹扩展的最大深度分别为切削深度的6.69倍和4.53倍;齿尖周围压应力集中,岩石发生压剪破坏,压应力区外围形成弧形条带状拉应力区,并在齿尖及压应力区边界处诱导出拉伸微裂纹;微裂纹向齿前扩展形成弧形拉伸主裂纹,发生块体岩屑崩裂,提高破岩效率,向岩石内部扩展劣化...     

动静组合作用下刀具破岩机制数值分析

基于细观损伤有限元方法,模拟分析了刀具在单一动载、动静联合荷载、静态围压条件下动静联合荷载3种情况下岩体破碎的全过程。模型采用黏弹性人工边界剔除了边界应力波反射对模拟结果准确性的影响。数值模拟结果表明：在弹性情况下,静压的存在对岩体内部最小主应力值影响不大,却显著提高了材料内部最大主应力水平,增大了剪应力的大小,导致剪切破坏可能性增加;当有围压存在时,岩体内部受拉区域减少,岩体强度有所提高。单一动载和动静联合荷载破岩时,岩体内部除刀头附近呈现少量压破坏外,破坏均以拉破坏为主;而围压条件下,岩体破碎面积相对减小,裂纹在围压的作用下向两侧自由面延伸,岩体内部破坏形式则趋于多样化,压破坏比重明显增大,整体表现为拉压复合作用。模拟结果还表明,刀头侵入量主要受动载力大小影响,在相同幅值增量下,动载力增加导致的刀头侵入量远大于静压增加所导致的侵入量。相对单一动载和静压作用下的岩石破碎机制来说,动静组合加载破岩的研究还需更为深入的探讨。研究结果可望对岩体破坏机制以及地下工程作业等实际应用提供一定的参考。     

TBM滚刀破岩的广义粒子动力学数值模拟

提出了一种新的无网格数值模拟计算方法--广义粒子动力学法(GPD),并在GPD算法中引入了粒子损伤理论。运用GPD方法,建立了TBM单滚刀、双滚刀作用下的完整岩体破岩模型,成功模拟了TBM滚刀破岩过程。通过与数值模拟结果及室内试验结果的对比分析,验证了GPD法模拟TBM滚刀破岩过程的有效性。同时,运用GPD方法建立了含节理岩体及高围压条件下岩体的TBM滚刀破岩模型,研究了节理及围压条件下TBM滚动破岩过程。得到了节理对TBM滚刀破岩效率的影响,既可能是促进作用又可能是抑制作用,高围压对TBM滚刀破岩过程中裂纹的起裂及扩展和破岩深度有较大的影响。     

全断面隧道掘进机护盾受力监测及卡机预警

全断面隧道掘进机(简称TBM)在穿越深部软弱地层时围岩收敛变形较大,围岩容易挤压护盾,导致TBM卡机,影响TBM正常掘进。通过分析TBM卡机灾害孕育过程,得到了预测TBM卡机的重要条件：一是围岩变形量大于预留的空间,二是额定推力不能克服摩擦阻力。为了监测实际工程TBM卡机状态,提出了一种监测护盾变形的方案以及护盾受力的计算方法,可通过监测得到的变形估算护盾的受力,进而计算出护盾受到的摩擦阻力,得到TBM卡机的状态。根据TBM受到的摩擦阻力、TBM正常掘进时所需推力和TBM额定推力之间的关系,将TBM卡机状态分为4个等级,即无卡机、轻微卡机、卡机和严重卡机,并提出了对应的处理措施。结合TBM卡机条件以及护盾受力监测方案,提出了TBM卡机灾害预警流程。在兰州水源地输水隧洞工程中应用了该监测方案和卡机灾害预警流程,应用结果表明,预测的卡机状态与TBM实际状态基本一致,说明该方法具有一定的可靠性,对指导TBM隧道施工具有重要意义。     

基于离散元的超声波振动辅助TBM滚刀碎岩分析

超声振动辅助碎岩技术以其弱化岩石强度、降低切削力、加快钻进速度等优势受到广泛关注,将超声振动技术与滚刀结合,能有效提升隧道硬岩施工滚刀破岩效率。采用颗粒流离散元软件对超声波振动辅助滚刀碎岩过程进行了模拟研究,结果表明,超声波振动能够产生周期性应力波并向岩石内部传播,在岩石的近表面区域出现较强的拉应力,有助于浅层岩石的张拉破坏。超声波振动提升了岩石内部裂纹的生成规模,加快了裂纹的生成速度,提前了裂纹初次萌生时间,对滚刀的破岩性能有良好的增益效果。超声波振动下岩石裂纹生成更加平稳,减少了跃进式破碎现象,能够避免因剧烈振动产生的冲击载荷对滚刀产生异常磨损和破坏,对延长滚刀寿命具有促进作用。     

贯入角度对截齿破岩性能与几何排布的影响研究

截齿贯入角度是双轮铣槽机布齿系统设计中的关键因素之一。基于连续−非连续单元法（CDEM）,建立截齿不同角度冲击贯入破岩的数值模型,通过断裂能本构模型实现岩体弹性−损伤−断裂的破裂过程,开展截齿有效角度50º～90º区间内的9组冲击贯入破岩模拟,研究贯入角度对截齿破岩性能的影响规律,讨论贯入角度对截齿几何排布的影响,总结布齿系统的截齿几何排布规律。结果表明,当贯入角度从90º降低到50º时,岩体由张拉−拉剪破裂向剪切−拉剪破裂转变,截齿平均贯入力与破碎程度提高,截齿的跃进式侵入特性的显著性减低;贯入角度为75º～90º的第I类截齿与小于55º的第III类截齿在破岩中起辅助作用,贯入角度为55º～75º的第II类截齿可在岩体内部产生范围较大的水平非贯通裂隙,在布齿系统破碎岩体过程中发挥主要作用;2个第II类截齿先后贯入岩体可较好地破碎截线间的岩体,可构成一类基本破岩单元,多个基本破岩单元按照正弦线形式排布,由此形成了一种布齿系统设计方法。研究成果为完善双轮铣槽机布齿系统设计方法,打破国外在双轮铣槽机布齿系统设计方法上的技术壁垒提供了理论基础。     

高压水射流破岩规律的数值模拟研究

运用动态非线性有限元法和Hoffman破碎准则,研究了高压水射流破碎岩石的规律,提出了高压射流破碎岩石过程分为射流冲蚀破碎和锤冲破碎及两个临界压力的概念。研究结果表明,提高射流冲击速度、喷射直径、横移速度、射流束数,在35°至40°之间合理选择射流入射角可以提高射流破碎岩石的效率。     

新型锥形PDC齿犁削破岩理论研究

目前关于锥形PDC齿的研究主要集中于数值模拟、现场及室内试验,而关于其切削力学特性的理论分析未见相关报道。通过数值模拟阐述了锥形PDC齿拉伸剪切破岩机理,以及切削载荷分布特性;根据能量平衡原理,推导了锥形PDC齿切削载荷理论公式。结果表明,相比于常规PDC齿,锥形PDC齿破岩过程更加稳定,其切削载荷受岩石性质、齿的形状参数、切削深度以及切削角度的影响,且切削载荷随着锥顶半径、切削角度以及吃入岩石深度的增加而增加。研究成果可为锥形PDC齿及钻头的设计提供理论支撑。     

基于UDEC的隧道掘进机滚刀破岩数值模拟研究

现今全断面隧道掘进机（TBM）施工方法在长大深埋隧道工程中已被广泛采用,对滚刀破岩关键技术的进一步认识具有重要的工程价值。为了研究滚刀破岩机制,分析刀圈断面形态、岩石强度和节理角度对其的影响,运用UDEC方法建立了滚刀贯切岩石的二维数值系列模型,对TBM滚刀破岩过程进行了仿真。分析表明：滚刀破岩是滚刀下岩石拉破坏和剪破坏的综合反映,拉破坏是裂纹萌生与扩展的主要驱动机制;刃宽较大的平刀与刃角较大的楔刀破岩效果较好;平刀与楔刀在软岩中破岩效果相近,平刀在硬岩施工中比楔刀的破岩效果好;滚刀对节理角度为30°～60°的岩石破坏效果较好,由于楔刀的“劈裂”作用,楔刀比平刀更适合用于贯切含有节理的岩石。     

激光辅助TBM盘形滚刀压头侵岩缩尺试验研究

为了验证高能激光技术能够辅助隧道掘进机(tunnel boring machine,简称TBM)盘形滚刀（以下简称滚刀）实现高效破岩,以滚刀破岩过程中基本的运动形式——侵岩为研究对象,参照17 inch（432 mm）工程用滚刀,按1:8的比例制备了缩尺比例滚刀压头（以下引述为滚刀压头）,开展了以孔孔距（2、3、4、5 mm）、刀孔距（3、4、5、6、7 mm）为变量的激光辅助滚刀压头侵岩L20(4×5)正交试验以及无激光作用的对照组试验。试验研究结果表明：随着刀孔距的增加,滚刀压头的破岩量与岩石破碎块度均增加,而垂直力和比能耗均降低,最优刀孔距为6 mm;随着孔孔距的增加,破岩量、垂直力和岩石侵入难度系数均降低,而岩石破碎块度和比能耗均增加,最优孔孔距为3 mm。与传统滚刀回转滚压破岩方式相比,在激光辅助作用下,可促进岩石张拉裂纹的产生,提高了滚刀侵岩效率。所提出的激光辅助滚刀耦合破岩模式在未来TBM极硬岩层隧道掘进中具有一定的应用前景。     

南水北调西线TBM掘进下隧洞围岩损伤研究

为研究隧洞掘进机（tunnel boring machine,TBM）掘进下隧洞围岩的损伤特征,选取南水北调西线工程为背景工程,针对隧洞围岩TBM掘进后的损伤进行了系统的研究与分析。根据板岩在室内试验中表现出来的脆性和屈服后强度特性,提出了以黏聚力弱化-摩擦角强化（cohesion weakening and frictional strengthening,CWFS）脆性模型为基础考虑岩体屈服后损伤的本构模型,通过VC++编译dll动态链接库,并将其植入FLAC3D程序中。应用神经网络和遗传方法等优化算法对本构模型中的参数进行了反演分析,并以室内三轴压缩试验为依据,对该本构模型进行了验证。结果表明,提出的考虑损伤的CWFS模型可以较好地反映板岩的弹性特征、屈服后的强化特征、脆性破坏特征和破坏后残余强度特征。以该模型为基础,模拟了南水北调西线隧洞在TBM掘进条件下隧洞围岩的变形特性、应力发展规律及其损伤演化特征,并与基于Mohr-Coulomb本构关系的计算结果进行了对比分析。提出的考虑损伤的CWFS模型能更好地反映隧洞掘进后围岩损伤特征,即损伤沿着弱势区域发展的规律     

岩石节理倾角和间距对隧道掘进机破岩特性影响的试验研究

为了研究岩体节理参数（节理间距和节理倾角）对全断面岩石掘进机（TBM）盘形滚刀破岩效果的影响,对实际条件进行简化,在改进的试验装置上进行压头作用下相似材料的变形、破坏试验。采集整个加载过程中压头的侵入深度和荷载数据,并采用相机实时拍摄,获得试件表面破坏的发展过程以及最终破坏形态。试验结果表明,当节理倾角一定时,随着节理间距增大,达到跃进点的贯入荷载值增加,侵入功以及主裂纹扩展能量也都呈增大趋势,当 =0°、90°时,抗侵入系数基本一致,当 = 30°、60°时,抗侵入系数逐渐增大。当节理间距一定时,随着 角度的增加,跃进点荷载、抗侵入系数、侵入功以及主裂纹扩展能量都呈现先减小后增大趋势,在 =30°时,各值都为最小值。根据试件破坏后形态分析发现,节理的空间特征对裂纹扩展模式有明显的控制作用,对破坏区域的形成也有明显的限制。