基于离散单元法的TBM滚刀破岩过程数值模拟研究

发布时间：2020-11-15 23:11

　　 TBM掘进机在隧道和输水隧洞开挖方面有着无可比拟的优势,而TBM掘进机能够不断掘进开挖岩石依靠的是TBM刀盘前端的滚刀,包括单刃滚刀、双刃滚刀及多刃滚刀等。由于实际隧洞开挖工程中破岩条件十分复杂,所以为保障隧洞工程开挖的正常高效进行,滚刀破岩的机理及破岩过程中滚刀的受力情况亟待深入研究。相关研究旨在为TBM掘进机实际施工与设备的设计及制造提供部分理论参考。本文依据国家自然科学基金项目“基于离散单元法的隧洞掘进中岩体破碎机理及滚刀破岩过程优化研究”,以现阶段主流的经典滚刀破岩预测模型及相关的理论为出发点,建立新的滚刀破岩预测模型,并采用离散元软件EDEM进行相关的模拟验证工作。主要研究内容如下:(1)总结现阶段滚刀破岩试验及数值模拟方面专家学者进行的研究,并分析其各自存在的缺点。同时对滚刀的结构受力及岩石的破坏准则进行了详细介绍。根据现阶段主流的经典滚刀破岩预测模型建立了适用于CCS型滚刀的新滚刀破岩模型-RCC预测模型,包括滚刀垂直力预测模型、滚动力预测模型以及侧向力预测模型。(2)根据相关的滚刀破岩试验数据对新的滚刀破岩预测模型进行计算分析,并与经典预测模型进行对比,验证RCC预测模型的准确性。(3)采用离散元软件EDEM进行单、双滚刀破岩及刀盘掘进破岩的模拟研究工作,根据模拟结果进一步验证本文所建单滚刀破岩预测模型的合理性及准确性。并对双滚刀破岩过程中滚刀的受力情况与不同刀间距对破岩的影响进行探究,探究双滚刀破岩时最优刀间距的大小。最后对刀盘掘进破岩过程中刀盘的受力情况与刀盘掘进破岩效果进行研究分析,为TBM掘进开挖的实际施工过程及刀盘设计提供了一定的理论支撑。
【学位单位】：山东建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TV554
【部分图文】：

着中国经济建设的快速发展，中国逐渐在国际上确立了“基建大国”的地位。在建工程中，隧道、输水隧洞的开挖等工程占较大比例，掘进机（TBM）在隧隧洞开挖方面有着无可比拟的优势，使用掘进机在隧洞掘进中由于其施工扰动工效率高以及在长隧洞施工的经济效应显著等特点已经广泛的应用于我国的水，能源工程，交通工程和国防工程等领域的地下工程施工建设。由于 TBM 般为圆形，尤其适用于水利工程中的输水隧洞的开挖，和传统的钻爆法相比， 对围岩扰动较小，成洞表面光滑，超挖量小，可以减少衬砌用量，降低完工后成本，国际上采用全断面岩石掘进机施工的隧洞，约有一半是输水隧洞。因此 施工工法在水利工程中起到非常重要的作用。1984 年广西天生桥水电站引水隧国第一个在中国水利行业使用 TBM 施工技术的引水隧洞。近年来，该技术用于水利工程输水隧洞的建设中，比如：甘肃引水入秦工程(1990 年)，山西电项目(1998 年)，辽宁大伙房水电工程(2005 年)，四川锦屏水电工程(2007 年多输水隧洞工程(2016 年)，贵州天生桥二级水电站工程等。

阶段是相邻滚动之间的相互作用，在滚刀作用下相邻裂纹发展并相互贯通时，两滚刀之间形成条状岩片，如图2.1所示。图1.2 滚刀切削作用下的岩石破裂模式示意图综上所述，滚刀的物理破岩过程是滚刀持续向岩石施加荷载进而岩石破坏的过程，TBM 滚刀在液压推进系统的不断推动下侵入岩石，岩石在高压力滚刀的作用下产生比较明显的塑性变形的初始破坏，随即在此压力下产生粉碎性破坏，并在破裂的底部形成密实核。随着岩石破碎过程的继续进行，滚刀施加在岩石上的力增加，致使岩石密实核外的区域开始产生裂纹，裂纹的形态分两种：一是向下的径向裂纹，二是侧向发展的侧向裂纹。当两滚刀之间的侧向裂纹贯通时岩石上就会产生岩片，岩片被刮刀从掌子面上刮下落入铲斗，最终由出碴皮带运出，完成一次完整的破岩过程。结合TBM滚刀破岩时岩石的受力大体上可以归纳出比较经典的三种滚刀破岩理论即挤压破岩理论、剪切破岩理论和张拉破岩理论。（1）挤压破岩理论挤压破岩理论的代表人物是伊万斯

山东建筑大学硕士学位论文4图1.3 岩石挤压破坏示意图（2）剪切破岩理论Paul与Sikasskic[7]等学者通过分析滚刀破岩试验后的岩石碎片，提出岩石破碎是由楔形刀具侵入后的剪切破坏引起的。图1.4 岩石剪切破坏示意图（3）张拉破岩理论Reichmuth和Bieniawki等[8]基于Griffith断裂强度准则建立的张拉破岩机理，认为岩石在滚刀的作用下主要经历裂纹闭合、线弹性变形、裂纹开始扩展、形成压碎区、岩石强度失效及断裂体形成等过程。图1.5 岩石张拉破坏示意图1.2.2 滚刀破岩试验研究
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本文编号：2885324