不同围压及切削顺序对TBM刀具破岩机理的影响

在综合考虑围压及刀具切削顺序的前提下,利用二维离散单元法建立双把TBM刀具切削节理不发育岩石的仿真模型,模拟出岩石裂纹的生产与扩展全过程。根据获得的裂纹扩展形态以及破碎块形成规则,总结归纳出四种典型破碎模式,并从刀具破岩效率、岩石裂纹扩展能力以及岩石破碎块度三个方面对刀具破岩机理进行进一步研究。仿真结果表明:随着围压的增加,刀具的破岩效率与裂纹扩展能力降低;同时加载方式下破岩效率比先后加载方式要大,而裂纹扩展能力则刚好相反;岩石破碎块度与破碎模式有关。     

围压对TBM滚刀破岩影响的数值模拟研究

采用一种新的无网格数值计算方法—广义粒子动力学法(GPD),研究了水平方向围压为0,5,10,15,20 MPa条件下,全断面隧道掘进机(TBM)滚刀的破岩过程及破岩模式,分析了围压对岩体可掘性的影响。得到:(1)围压的存在抑制中央裂纹的扩展;(2)随着围压的增加,赫兹裂纹的扩展方向发生偏转,与水平面的夹角变小;(3)相同贯入度下,随着围压的增加,滚刀法向力及其掘进指数均增加。利用GPD法分析了锦屏二级水电站隧道施工中,含节理的岩层中高地应力对TBM滚刀破岩的影响,成功模拟出高地应力下节理岩体的板裂化现象,得到高地应力能够使岩体产生板裂化促进滚刀破岩。     

围压下掘进机多滚刀顺次破岩机理数值模拟研究

基于统计力学与细观损伤数值模型,运用RFPA^2D建立三把滚刀顺次侵入岩石的计算模型,并展开系列数值试验,模拟了岩石在不同围压、不同加刀次序下裂纹萌生、扩展以及破碎的全过程,并从能量的角度出发对刀间距的优化问题展开了探讨。研究结果表明,滚刀相位角的存在对岩石的破碎模式和破碎效率有着重要的影响;滚刀顺次加刀优于同时加刀;围压增大,裂纹向深部扩展能力降低。相同围压下顺次加载时存在最优刀间距。同时加载时,随着围压的增加,最优刀间距逐渐增加。研究结果可为地下工程岩石破碎理论与隧道掘进机刀盘布置提供依据。     

围压对 TBM 滚刀破岩影响机制研究

穿越高大山体的隧道TBM施工不可避免地会遇到高地应力问题,研究地应力对TBM滚刀破岩机制和掘进效率的影响具有重大的工程价值和科学意义。通过理论分析和UDEC数值模拟技术对围压作用下滚刀破岩模式进行研究,发现围压对滚刀破岩过程影响比较复杂:围压对粉碎区深度和裂纹扩展区内滚刀作用方向的裂纹扩展起到抑制作用;而对围压作用方向的裂纹扩展有促进作用,表现为边裂纹的扩展范围会更大,扩展路径会更加平直,发展更加迅速,滚刀间岩片的形成更加容易。TBM现场掘进试验表明,地应力越高,围压作用越明显,TBM破岩更加容易,掘进效率会更高。从TBM滚刀作用下岩片形成的难易程度角度考虑,理论分析、数值模拟和TBM现场掘进试验都表明围压作用促进TBM滚刀破岩。     

贯入度与刀间距对TBM滚刀破岩推力的影响

针对目前盾构机在硬岩地层施工中经常遇到刀具选型、掘进速度慢及参数设定不确定等难题,本文以施工现场高硬度凝灰岩为岩样,进行了推力与贯入度和刀间距与破岩推力的试验。研究盾构两种常规滚刀的刀间距、掘进转速及贯入度的关系,为类似硬岩盾构施工提供试验基础和参考。     

自由面对滚刀破岩机制影响的数值模拟研究

为了研究自由面对滚刀破岩机理的影响,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：在合理的刀间距和贯人度情况下,破碎坑自由面的存在使裂纹扩展能耗降低,裂纹密度增大,起裂方式增多,容易实现体积破碎,提高滚刀破岩效率。     

围压对TBM滚刀破岩影响规律的线性切割试验研究

 随着TBM技术在深埋隧道工程领域的应用及发展,TBM开挖过程中由高埋深或各向异性引起的岩石应力问题越来越受到人们的重视。应用北京工业大学自行研制的大型机械破岩试验平台,对4组双向等围压水平下(0,5,10和15 MPa)的大尺寸(1.0 m×1.0 m×0.6 m)北山花岗岩岩样进行线性切割试验,研究不同围压条件下滚刀破岩时作用力的曲线特征,分析围压对滚刀法向力、滚动力、岩体特征掘进指数、破岩岩片厚度和破岩比能的影响效应,并探讨围压对TBM现场掘进速率的影响。研究结果可为不同地应力条件下TBM开挖时刀盘动力参数设计与施工运行参数优化提供参考。     

节理倾向对TBM滚刀破岩模式及掘进速率影响的试验研究

 岩体中节理面与掘进方向的夹角是影响TBM破岩速率的一个重要因素。通过试验对TBM滚刀破岩时不同节理面与掘进方向夹角的影响效果进行研究,试验采用2种不同强度的混凝土试块模拟岩石,节理面与加载力夹角?分别为0°,30°,60°和90°。通过试验分析,主要得出以下结论：(1) 当?从0°增大至60°时,破岩角? 随之增大;当? = 90°时,? = 33°～50°,与Hertzian裂纹破岩角相近。侧向裂纹与节理方向夹角Δ? 随?变化时则保持为40°～70°。对于中间裂纹与节理方向夹角Δ?,当?≤30°时,Δ? = 0°～10°,中间裂纹与节理面接近平行;当?≥60°时,Δ?迅速增大,中间裂纹与节理面相交从而形成破岩碎片;(2) 节理岩体有3种破岩模式：第一种是从刀具下方破碎区生成侧向裂纹并向自由面或节理面扩展形成碎片;第二种是?≥60°时,中间裂纹向节理面扩展而形成碎片;第三种是?≥30°时,由于节理变形使裂纹从节理面起裂并向自由面扩展从而形成破岩碎片;(3) 当? = 60°时,破岩速率达到最高值,节理对高强度岩体的破岩影响程度更大。     

不同围压下的椭圆双极线性聚能管聚能爆破数值模拟

聚能爆破在爆破工程领域应用越来越广泛,而隧道开挖及矿山开采过程中常遇到岩体处于复杂地应力场的情况,给爆破作业带来干扰。针对这一特点,基于ANSYS/LS-DYNA软件,建立椭圆双极性聚能装药结构数值模型,通过施加水平向和竖直向的围压模拟岩体所处的复杂应力场,首先分析无围压加载下聚能爆破的裂纹扩展规律,然后计算单向围压、等值双向围压、不等值双向围压对聚能爆破裂纹扩展以及对爆破应力波传播的影响。结果表明：椭圆双极性聚能装药结构将爆破后的能量主要集中于聚能方向,在聚能方向产生主裂纹,抑制其他方向裂纹的扩展;不同围压会对聚能方向的主裂纹产生较明显的抑制作用,对粉碎区和其他方向的微小裂纹影响较小;围压几乎不会对爆破应力波的传播产生影响。     

TBM隧道在不同围岩条件下的数值模拟分析

通过利用ANSYS有限元分析软件，对TBM法隧道施工的过程进行数值模拟分析，结合隧道的工程地质情况，通过分析其应力应变的状态，提出了ANSYS模拟TBM在不同围岩条件下开挖隧道时围岩应力变化的可行性，得出了TBM隧道在不同围岩条件下的一些基本特征。     

Numerical modelling of the effects of joint spacing on rock fragmentation by TBM cutters

The influence of joint spacing on tunnel boring machine (TBM) penetration performance has been extensively observed at TBM site. However, the mechanism of rock mass fragmentation as function of the joint spacing has been scarcely studied. In this study, the rock indentation by a single TBM cutter is simulated by using the discrete element method (DEM), and the rock fragmentation process is highlighted. A series of two-dimensional numerical modelling with different joint spacing in a rock mass have been performed to explore the effect of joint spacing on rock fragmentation by a TBM cutter. Results show that the joint spacing can significantly influence the crack initiation and propagation, as well as the fragmentation pattern, and can hence affect the penetration rate of the TBM. Two crack initiation and propagation modes are found to fragment the rock mass due to the variation of joint spacing. The simulation results are analyzed and compared with in situ measurements.     

掘进机刀盘滚刀间距对北山花岗岩破岩效率的影响实验研究

掘进机(TBM)开挖隧道过程中,其刀盘上滚刀间距设计的合适与否关系着破岩效率的高低。由于岩石非均匀、非连续、各项异性的特性,使用数值模拟方法研究滚刀破岩过程存在局限性。现场掘进实验主要是针对特定的掘进机做出机械运行参数优化,无法研究不同刀间距对破岩的影响。全尺寸滚刀破岩实验可以人为调整刀间距,且实验中采用大体积岩石可以避免尺寸效应的影响,因此受到了广泛的关注。采用北京工业大学自制的机械破岩试验平台,安装17英寸(432 mm)盘形滚刀,选取尺寸为1000 mm×1000 mm×600 mm的北山完整花岗岩试样,进行了5组刀间距的线性切割试验。实验中采集滚刀三向力,分层收集岩片且对其进行称重。对不同刀间距作用下的平均法向力、平均滚动力和比能进行了分析研究。当贯入度较小时,刀间距对平均法向力和平均滚动力的影响都不明显,随着贯入度的增加,刀间距对平均法向力和平均滚动力的影响增加。对于所有的刀间距而言,增加贯入度会产生更多的岩片,但并不一定会提高破岩效率,对于北山花岗岩而言,当刀间距与贯入度的比值为30左右时,比能值最低,此时破岩效率最高。     

Numerical modeling of the effects of joint orientation on rock fragmentation by TBM cutters

The performance of tunnel boring machines (TBM) highly depends on the fragmentation efficiency of the cutters. Many geological factors can influence the rock fragmentation process. In this study, a series of two dimension numerical modeling were performed using the discrete element method (DEM) to explore the effect of joint orientation on rock fragmentation by a TBM cutter. Results show that the joint orientation can significantly influence the crack initiation and propagation as well as the fragmentation pattern, and hence affect the penetration rate of the TBM. Such observations are also noted by laboratory and site studies. It also indicates that discontinuum-based DEM has the potential in simulating rock indentation and fragmentation by TBM cutters when rock joints are taken into consideration.     

不同围压作用下岩石损伤破坏的数值模拟

利用RFPA2D对岩石在不同围压下损伤破坏演化过程进行了数值模拟 ,基于岩石损伤定义分形维数以描述试样在各种加载条件下微破裂的演化过程。计算结果表明 :分形维数和损伤变量随着荷载的增加逐渐增大 ,岩石的起始损伤随着围压增加而被延迟 ,试样强度随着围压的增加而增加 ,其宏观破坏符合Mohr -Coulomb破坏准则。     

岩石三轴压缩任意围压下应力–应变曲线的预测方法研究

岩石三轴压缩试验中通常只做有限种围压情况下的压缩试验,得到的应力–应变曲线只是岩石在具体围压下本构关系的表现,限制了通过拟合应力–应变曲线得到岩石本构的实用性。认为不同围压下的应力–应变曲线虽然形状差别较大,但都是同种岩石所表现出来的特性,曲线间蕴含着一定联系。对此进行了研究,并提出一套基于有限种围压情况下的应力–应变曲线预测任意围压下应力–应变曲线的方法。通过实例,说明所提方法的可行性。     

高围压下不同孔隙水压作用时岩石蠕变特性及 改进西原模型

基于高围压下不同孔隙水压作用时细砂岩蠕变试验结果,分析蠕变规律。研究表明：黏弹性模量随孔隙水压增大呈线性递减关系,并根据线性参数随时间变化的数据分布特点,分别用线性函数和幂函数进行拟合,进而得到黏弹性模量随孔隙水压和时间变化的表达式,据此提出一个修正的广义Kelvin模型。根据不同孔隙水压下加速蠕变试验曲线特征,采用指数函数对其拟合,并通过类比的方法引入一个非线性黏性元件,得到一个能反映不同孔隙水压作用下加速蠕变特征的二元件黏塑性蠕变模型,将该模型与修正的广义Kelvin模型串联组成一个新的改进西原模型。基于试验结果,利用优化分析软件1stOpt,对模型参数进行辨识,效果比较理想;对比试验曲线和理论曲线,二者吻合较好,验证了模型的正确性。