TBM单_双滚刀破岩理论分析及点压破岩实验研究

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1、分类号：学校代码：10153UDC：密级：公开硕士学位论文TBM单/双滚刀破岩理论分析及点压破岩实验研究作者姓名：张弛入学年份：2013年9月指导教师：陆峰教授学科领域：机械工程(专业学位)申请学位：工程硕士所在单位：机械工程学院论文提交日期：2015年11月论文答辩日期：2015年12月学位授予日期：2016年1月答辩委员会主席：赵凯军答辩委员会组成：赵凯军孙红张丽秀赵德宏闵莉论文评阅人：硕士研究生学位论文摘要I摘要随着我国经济的快速发展，铁路隧道、市政管道、地下交通等隧道工程建设与日俱增，为满足隧道施工的迫切需求，全断面硬岩隧道掘进机(TBM)凭借高效、安全、环保

2、等优点，在全球范围内得到了广泛的认可和使用，成为隧道掘进施工技术的主流。在我国未来的基础建设中，TBM的应用比例还会增加。盘形滚刀是掘进机实现破岩的关键部件，在掘进过程中直接与待破岩层接触，其破岩效率直接关系到工程施工进度以及经济效益。另外掘进机施工过程中，滚刀间距及其在刀盘上的布置对岩石破碎效率更是有较大的影响。因此，研究盘形滚刀的破岩力学特性，分析滚刀间距等参数对破岩效果的影响，对于理解滚刀破岩机理、改进刀盘刀具设计、提高破岩掘进效率具有十分重要的理论和现实意义。本文归纳总结了盘形滚刀的受力模型和岩石的破碎理论，从理论上分析了滚刀破岩机理和岩石的本构模型。通过CS

3、M综合预测模型推导得出刀间距与贯入度、滚刀半径、岩石特性等之间的关系，建立了双滚刀破岩的最优刀间距力学模型。应用有限元分析软件建立了滚刀破岩模型，模拟单滚刀点压岩石的动态过程，得到岩石的Mises应力云图和应力变化曲线。将现有的压力试验机设计改造成适用于滚刀破岩研究的TBM滚刀破岩实验平台进行实验，探究了岩石的破碎情况，并通过仿真和实验的对比分析得到仿真模型的合理性和可行性。建立双滚刀的线性破岩模型，分析了不同刀间距、加载次序及加载间距等条件下的岩石应力应变分布及破碎情况，探究其对滚刀破岩的影响。结合实际工况，对双滚刀进行三维回转破岩仿真，分析了不同的刀间距和相位角对

4、滚刀破岩效果的影响。研究成果对于理解滚刀破岩机理、岩石受力特征、双滚刀间距与加载方式等切削因素对破岩的影响和优化滚刀在刀盘上的布置都提供了一定的参考价值。论文研究结果表明在滚刀点压破岩仿真中，与滚刀接触的岩石区域应力值最大并发生变形，随着滚刀的不断加载，岩石应力由与滚刀接触区域向岩石内部传递，传递中伴有能量消耗，但是各点的应力值随时间变化趋势相同。在岩石内部垂直传递方向上各点应力随着与接触区域距离的增加，应力变化会出现延迟；水平传递方向上各点应力随着与接触区域距离的增加，应力变化不会出现延迟，只是应力变化幅值变小。通过实验数据得出，滚刀在贯入芝麻灰和黄金麻花岗岩过程中

5、，岩石脆性破坏裂缝贯穿整个岩体，崩落出的岩石碎渣最大直径以小于5mm为主，随着加载速率的增加，芝麻灰黄岗岩破碎力缓慢递增，而黄金麻黄岗岩破碎力急剧上升。使用三维扫描仪对断裂面进行检测，发现断裂面凹凸起伏，与滚刀接触区下方存在裂痕。芝麻灰裂纹整体呈斜直线，黄金麻裂纹波动剧烈且无规律。由滚刀线性仿真发现，双滚刀线性破岩时同时加载和顺次加载对确定最优刀间距影响不大，但顺次加载的破岩效果要更好，先加载滚刀比后加载滚刀对岩石破碎的影响更大，压痕也更深，这种效果随刀间距的增加而明显。滚刀加载间距在0-500mm时花岗岩的失效单元量随之增加而变大。由回转破岩仿真中得出了滚刀的安装位

6、置距刀盘旋转中心的距离大于500mm时，其岩石失效单元变化量呈线性较为稳定。在贯入度为5mm、刀盘回转速II摘要硕士研究生学位论文度为6.28rad/s的条件下，确定了双滚刀同时回转的最优刀间距为120mm、顺次回转的最优相位角为120°。关键词：TBM；滚刀；破岩机理；花岗岩；刀间距硕士研究生学位论文AbstractIIIAbstractWiththerapiddevelopmentofeconomyinourcountry,thetunnelengineeringconstructionofrailwaytunnels,municipalpipelinesandu

7、ndergroundtrafficisgrowing.Thefullfacerocktunnelboringmachine(TBM)hasbeenwidelyrecognizedandusedinordertomeettheurgentneedsofthetunnelconstruction.Ithasbecomethemainstreamequipmentwiththecharacteristicsofhighefficiency,safetyandenvironmentalprotection.Ontheconstructionprojectsi