TBM邊緣滾刀破巖機(jī)理的數(shù)值研究

夏毅敏，吳 元，郭金成，田彥朝，林賚貺，卞章括

(1.中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.湖南華銀能源技術(shù)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410001)

TBM邊緣滾刀破巖機(jī)理的數(shù)值研究

夏毅敏1，吳 元1，郭金成2，田彥朝1，林賚貺1，卞章括1

(1.中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長(zhǎng)沙 410083；2.湖南華銀能源技術(shù)有限公司,湖南 長(zhǎng)沙 410001)

為研究刀刃角和不同被切削材料對(duì)全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)邊緣滾刀破巖機(jī)理的影響規(guī)律，基于二維離散單元法，利用UDEC仿真軟件建立了一系列邊緣滾刀破巖數(shù)值模型，對(duì)邊緣滾刀作用下被切削體內(nèi)部裂紋生成、擴(kuò)展和破碎過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬。仿真結(jié)果表明：張拉破壞是滾刀破巖時(shí)裂紋生成與擴(kuò)展的主要原因；對(duì)于不同刀刃角的邊緣滾刀接近弧面下端的斜裂紋長(zhǎng)度要比弧面上端的長(zhǎng)；大理巖裂紋擴(kuò)展能力和破巖效率均隨刀刃角的增大先增大后減小，因此對(duì)于硬巖刀刃角不宜過(guò)小也不宜過(guò)大；隨著被切削材料強(qiáng)度增大，裂紋擴(kuò)展越不充分，裂紋擴(kuò)展能力和破巖效率均降低；與其他材料相比，TBM邊緣滾刀對(duì)大理巖破壞損傷范圍最小，破巖效率最低。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)和工程數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真方法的正確性和可行性。

TBM；邊緣滾刀；破巖機(jī)理；裂紋擴(kuò)展

全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)通過(guò)刀盤在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中帶動(dòng)滾刀對(duì)巖石界面進(jìn)行開挖[1]。滾刀在破碎巖石的過(guò)程中承受很大荷載，強(qiáng)沖擊，導(dǎo)致刀具消耗極大，據(jù)統(tǒng)計(jì)刀具的費(fèi)用約占掘進(jìn)施工總費(fèi)用的1/3[2]。滾刀結(jié)構(gòu)與地質(zhì)參數(shù)適應(yīng)性決定了隧洞掘進(jìn)效率與經(jīng)濟(jì)性，如何提高刀具壽命成為當(dāng)前關(guān)注的焦點(diǎn)。因此研究邊緣滾刀破巖特性對(duì)于更深入地探究刀具磨損規(guī)律和提高刀具壽命有重要工程意義。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)采用理論分析，數(shù)值仿真及模型試驗(yàn)等方法對(duì)刀具破巖過(guò)程進(jìn)行了相關(guān)的研究。文獻(xiàn)[3-5]基于全尺寸的線性切割實(shí)驗(yàn)，進(jìn)行了滾刀破巖實(shí)驗(yàn)和理論研究，分析了滾刀切削力與切削參數(shù)關(guān)系，建立了刀具受力計(jì)算預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)[6]對(duì)花崗巖進(jìn)行侵入實(shí)驗(yàn)，分析了巖石損傷劣化破壞過(guò)程及巖石破碎效果。文獻(xiàn)[7]結(jié)合實(shí)驗(yàn)測(cè)試和現(xiàn)場(chǎng)施工，探討了巖石的可掘性，確定了TBM掘進(jìn)過(guò)程中掘進(jìn)參數(shù)。文獻(xiàn)[8] 通過(guò)采用RFPA2D軟件對(duì)TBM盤形滾刀單刀頭和多刀頭作用下巖石破碎機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬研究。文獻(xiàn)[9]通過(guò)數(shù)值仿真手段模擬了刀具切割巖石的動(dòng)態(tài)過(guò)程，分析了滾刀破巖效果及其影響因素。文獻(xiàn)[10] 通過(guò)試驗(yàn)對(duì)TBM滾刀破巖時(shí)不同節(jié)理面與掘進(jìn)方向夾角的影響效果進(jìn)行了研究。這些研究主要是針對(duì)TBM刀盤上正滾刀展開的，目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于TBM邊緣滾刀破巖尚未見(jiàn)公開，在這方面還缺乏系統(tǒng)的研究。邊緣滾刀位置特殊，位于刀盤的最外緣，與刀盤軸線成一定角度布置，受力特性與正滾刀的不同，且線速度很大，相對(duì)于正滾刀而言工作條件更加惡劣、磨損更為嚴(yán)重，其破巖過(guò)程比正滾刀更復(fù)雜。因此，研究邊緣滾刀的破巖特性十分重要。

目前離散單元法被廣泛應(yīng)用于巖土工程和地質(zhì)工程。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者運(yùn)用離散單元法對(duì)巖石裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了很多研究，取得很好效果[11-15]。筆者采用離散元建立一系列邊緣滾刀與被切削體相互作用的二維平面等效模型，研究了邊緣滾刀刃角、被切削材料對(duì)邊緣滾刀破巖特征的影響以及裂紋生成與擴(kuò)展規(guī)律，對(duì)仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析并獲得了一些有意義的結(jié)論，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)和工程數(shù)據(jù)驗(yàn)證了相關(guān)結(jié)論。

1 邊緣滾刀破巖過(guò)程數(shù)值建模

1.1 TBM滾刀結(jié)構(gòu)

TBM刀盤掘進(jìn)過(guò)程中，滾刀與巖石接觸，安裝在刀盤上的滾刀在推力的作用下緊壓巖面，隨著刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，滾刀圍繞刀盤中心軸公轉(zhuǎn)，同時(shí)繞自身軸線自轉(zhuǎn)。根據(jù)TBM滾刀在刀盤上的位置不同，盤型滾刀可分為中心滾刀、正滾刀和邊緣滾刀，如圖1所示，其中邊緣滾刀位于刀盤外緣，角度布置范圍為0～75°。滾刀在刀盤上的布置位置不同，距離刀盤中心的距離也不同，因此不同位置的滾刀線速度不同，典型滾刀結(jié)構(gòu)如圖2所示，θ為滾刀刀刃角。正滾刀作用的巖石界面為平面，而邊緣滾刀作用的巖石界面為弧面，邊緣滾刀破巖模型如圖3所示。邊緣滾刀相比正滾刀有一定的傾斜角度，其受力情況如圖4所示，邊緣滾刀除了承受正壓力外，還承受更大軸向力。其線速度大，工作條件惡劣，相對(duì)于中心滾刀和正滾刀而言磨損更為嚴(yán)重。

圖1 滾刀在刀盤半徑上投影示意Fig.1 Disc cutters projection scheme on the radius of cutterhead

圖2 滾刀結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of gage disc cutter

圖3 邊緣滾刀破巖模型Fig.3 Rock-breaking model of gage disc cutter

圖4 邊緣滾刀的受力示意Fig.4 Forces of gage disc cutter

1.2 材料模型及失效準(zhǔn)則

模型采用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，如圖5所示。圖中fs表示Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，屈服函數(shù)如下：

圖5 Mohr-Coulomb失效準(zhǔn)則Fig.5 Mohr-Coulomb failure criterion

AB線段對(duì)應(yīng)的屈服函數(shù)為

(1)

BC線段對(duì)應(yīng)的屈服函數(shù)為

(2)

若巖體內(nèi)某點(diǎn)滿足fs>0，則發(fā)生剪切破壞。若巖體內(nèi)某點(diǎn)滿足ft>0，則發(fā)生張拉屈服。

1.3 二維離散元模型的建立

TBM邊緣滾刀接觸的掌子面為弧面，在一定的推力作用下侵入巖石，當(dāng)推力超過(guò)材料強(qiáng)度時(shí)，材料被擠壓破碎，內(nèi)部將形成壓碎區(qū)和放射狀裂紋，裂紋到達(dá)自由面或與相鄰裂紋貫通，即形成碎片。在掘進(jìn)

過(guò)程中，滾刀與掌子面相互作用是一個(gè)三維問(wèn)題，滾刀在推力及扭矩的共同作用下滾壓破碎巖石。刀具對(duì)掌子面的切向力與垂直壓力和刀具與掌子面之間的附著系數(shù)有關(guān)。一般情況下，切向力的最大值不會(huì)超過(guò)垂直壓力與附著系數(shù)的積，與垂直壓力相比，切向力的量級(jí)相對(duì)較小。前人的研究結(jié)果也表明忽略扭矩產(chǎn)生的切向力影響，將滾刀破巖過(guò)程近似簡(jiǎn)化為二維的侵入問(wèn)題基本可行[16-18]，筆者在前人的基礎(chǔ)上也將其轉(zhuǎn)化成二維平面問(wèn)題，近似模擬裂紋在被切削材料內(nèi)部的擴(kuò)展過(guò)程。

筆者建立的邊緣滾刀破巖離散元模型如圖6所示，比例為1∶1。被切削材料劃分成精細(xì)無(wú)限差分網(wǎng)格，約束被切削材料塊體左側(cè)與上下邊界的位移，P為加載荷載，沿y軸負(fù)方向施加2mm/s的推進(jìn)速度。采用4種不同刀刃角的滾刀和4種不同材料(包括混凝土和3種巖石)，其中混凝土和砂巖材料參數(shù)由室內(nèi)力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)量得出，大理巖和花崗巖分別是根據(jù)甘肅省引洮供水一期工程總干渠9號(hào)隧洞工程地質(zhì)勘探報(bào)告和北京昌平地質(zhì)勘探報(bào)告[19]確定的。具體參數(shù)見(jiàn)表1，邊緣滾刀材料參數(shù)密度為7 850kg/m3;彈性模量為206 GPa;泊松比為0.3。

圖6 滾刀破巖計(jì)算模型Fig.6 Numerical simulation model of rock-breaking

表1 4種試樣材料參數(shù)Table 1 Material parameters of different types of rock

2 離散元仿真結(jié)果及分析

假定邊緣滾刀與刀盤軸線成30°布置，仿真數(shù)據(jù)匯總后見(jiàn)表2,3。表2是以大理巖為對(duì)象研究刀刃角θ對(duì)滾刀破巖影響所得到的仿真數(shù)據(jù)。其中，Pa為刀具的切入率，即刀具單位應(yīng)力所產(chǎn)生的破碎塊面積；Pa/P0為標(biāo)準(zhǔn)切入率，是衡量TBM刀具破巖效率的重要指標(biāo)；l/σa為單位應(yīng)力下產(chǎn)生的裂紋長(zhǎng)度，它是衡量裂紋擴(kuò)展難易程度的重要指標(biāo)。

表2針對(duì)不同刀刃角的仿真數(shù)據(jù)
Table2Simulationresultsfordisccutterswithdifferentbladeangles

θ/(°)σa/MPaA/cm2lmax/cml′max/cmlmax/σal′max/σaPa/(cm2·MPa-1)Pa/P0151536 09 07 20 0590 0470 0391 054301716 410 38 30 0600 0490 0371 000451787 911 29 20 0630 0520 0441 189601848 510 09 40 0550 0510 0461 243

注：Pa/P0為相對(duì)于刀刃角為45°下滾刀的標(biāo)準(zhǔn)切入率，其中P0為表格中最小的刀具切入率。

表3針對(duì)不同試樣的仿真數(shù)據(jù)
Table3Simulationresultsfordifferenttypesofrock

材料編號(hào)σa/MPaA/cm2lmax/cml′max/cmlmax/σal′max/σaPa/(cm2·MPa-1)Pa/P016010 014 213 10 2370 2080 1674 28221058 011 69 30 1100 0890 0761 94931207 010 28 00 0850 0670 0591 48741536 09 07 20 0590 0470 0391 000

注：Pa/P0為相對(duì)于大理巖的滾刀標(biāo)準(zhǔn)切入率，其中P0為表格中最小的刀具切入率。

2.1 巖石裂紋演化過(guò)程

以巖石類型為大理巖，刀刃角為15°下的破巖過(guò)程為例，分析研究巖石裂紋的演化規(guī)律，圖7為混凝土裂紋演化過(guò)程示意。滾刀侵入前期，邊緣滾刀兩側(cè)出現(xiàn)一些由拉應(yīng)力引起的失效單元，如7(a)所示。隨著滾刀加載荷載增大，刀刃下方1cm處產(chǎn)生了拉應(yīng)力引起的失效區(qū)，巖石內(nèi)部其它區(qū)域還未發(fā)生明顯的破壞，且Hertz裂紋只在失效區(qū)前端產(chǎn)生。隨后壓應(yīng)力失效區(qū)正逐漸在刀刃下一定深度處形成，如圖7(b)所示。同時(shí)，在錐形失效區(qū)內(nèi)部，由于壓應(yīng)力過(guò)大產(chǎn)生了局部粉碎和顯著的塑性變形，并在刀刃下方出現(xiàn)一個(gè)袋狀或球狀的密實(shí)核。由于拉應(yīng)力，錐形失效區(qū)產(chǎn)生更多的微裂紋并有向外擴(kuò)張趨勢(shì)，隨著載荷加載的進(jìn)行，刀刃底部相對(duì)活躍的微裂紋匯聚成了若干中間裂紋和斜裂紋，這些裂紋對(duì)巖石破碎起著主導(dǎo)作用，如圖7(c)所示。滾刀侵入后期(圖7(d)～(f))，中間裂紋和斜裂紋繼續(xù)沿各自獨(dú)立的方向擴(kuò)展，直至“飽和”，該時(shí)期巖石內(nèi)部的應(yīng)力不斷釋放，致使巖石彈性勢(shì)能降低，根據(jù)能量守恒定律，巖石中潛存的變形能積聚減少，減少的能量一部分轉(zhuǎn)化為表面能，用于形成新的裂紋，另外一部分轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使巖石崩裂脫離母巖。上述的裂紋演化過(guò)程與被實(shí)驗(yàn)室里觀測(cè)到的裂紋系統(tǒng)相符[20]。

圖7 刃角為15°時(shí)大理巖裂紋演化過(guò)程Fig.7 Evolution process of crack at the 15°blade angle

從裂紋發(fā)展過(guò)程來(lái)看，邊緣滾刀的巖石掘進(jìn)界面為弧形，下端斜裂紋的位置距離巖石自由面較近，而接近弧面下端的斜裂紋擴(kuò)展速度比弧面上端的更快；從裂紋形態(tài)來(lái)分析，斜裂紋主要由拉失效單元構(gòu)成，中間裂紋的尖端也多出現(xiàn)拉失效單元。仿真中先應(yīng)用拉伸破壞準(zhǔn)則判斷巖土體內(nèi)部某點(diǎn)的單元體是否會(huì)發(fā)生拉破壞，如果是，則按拉破壞處理，再用是否會(huì)發(fā)生剪切破壞，因此破壞區(qū)由拉破壞單元和剪破壞單元組成。又因巖石是脆性材料，其抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)小于抗壓強(qiáng)度。說(shuō)明張拉破壞是邊緣滾刀破巖時(shí)裂紋生成與擴(kuò)展的主要原因。

2.2 刀刃角對(duì)破巖過(guò)程的影響分析

分別模擬了4種不同刀刃角的滾刀作用于大理巖的破壞過(guò)程。數(shù)值模擬結(jié)果如圖8所示。分析結(jié)果說(shuō)明：刀刃角對(duì)裂紋擴(kuò)展規(guī)律影響不大，但對(duì)裂紋擴(kuò)展有重要影響，邊緣滾刀刀刃兩側(cè)的合力方向朝著巖石內(nèi)部，巖石破碎以斜裂紋的發(fā)育為主?？傮w上對(duì)于不同刀刃角接近弧面下端的斜裂紋長(zhǎng)度要比弧面上端的更長(zhǎng)。這從側(cè)面說(shuō)明滾刀傾斜角越大，越難破巖，這與TBM實(shí)際施工遇到的情況一致。從圖8可以看出隨著刀刃角增大，巖石內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋數(shù)也隨之增多，刀刃角為60°時(shí)，裂紋數(shù)最多，巖石破碎區(qū)及損傷范圍也稍微增大，可參考表2。

圖8 不同刀刃角的滾刀對(duì)大理巖的破壞數(shù)值模擬Fig.8 Simulation of rock breaking by disc cutters with different blade angles

臨界應(yīng)力的大小體現(xiàn)了破巖載荷的多少。標(biāo)準(zhǔn)切入率是衡量滾刀破巖效率的一個(gè)重要指標(biāo)。根據(jù)表2，滾刀的臨界應(yīng)力和破巖效率隨刀刃角變化的曲線如圖9所示。從圖9可見(jiàn)，臨界應(yīng)力隨刀刃角的增加而增大，但破巖效率隨刀刃角的增加而先增大后減小。這是因?yàn)閹r石破碎面積隨著刀刃角的變化雖然有增加，但是增加的幅度小，而刀刃角越大，刀刃兩側(cè)與巖石接觸的面積增大，巖石抵抗壓入阻力亦大，滾刀需要增加額外的應(yīng)力才能破碎巖石。

圖9 不同刀刃角下的臨界應(yīng)力與破巖效率Fig.9 Critical stress and breaking efficiency of disc cutter with different blade angles

圖10 不同刀刃角下裂紋長(zhǎng)度與裂紋擴(kuò)展能力Fig.10 Crack length and ability of crack expansion with different blade angles

根據(jù)表2，中間裂紋和斜裂紋長(zhǎng)度隨刀刃角的變化規(guī)律如圖10所示。由圖10可知：隨著刀刃角的增大，中間裂紋長(zhǎng)度先增大后減小，斜裂紋長(zhǎng)度隨著之增大，但增大的幅度減小。為了衡量裂紋的擴(kuò)展能力，將單位應(yīng)力下產(chǎn)生的巖石裂紋長(zhǎng)度作為衡量裂紋擴(kuò)展難易程度的重要指標(biāo)。中間裂紋和斜裂紋的擴(kuò)展能力如圖10所示。分析表明，中間裂紋和斜裂紋的擴(kuò)展能力都隨刀刃角的增大先增大后減小。當(dāng)?shù)度薪菫?5°時(shí)，裂紋擴(kuò)展是最充分。當(dāng)?shù)度薪窃叫?，主要以中間裂紋發(fā)育為主，中間裂紋主要破壞深處巖石結(jié)構(gòu)，對(duì)于剝落破碎巖石貢獻(xiàn)較小，屬于無(wú)效破巖，巖石的剝落主要是依靠相鄰斜裂紋的貫通；刀刃角越大，主要以斜裂紋的發(fā)育為主，斜裂紋雖然發(fā)展更快，裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度越大，但是需要的載荷也隨著增大，導(dǎo)致單位應(yīng)力下產(chǎn)生的巖石裂紋長(zhǎng)度減小，這表明刀刃角的變化大小對(duì)中間裂紋和斜裂紋擴(kuò)展有著重要的影響，但總體上中間裂紋長(zhǎng)度比斜裂紋長(zhǎng)度要大。

對(duì)于刀刃角較大的刀圈，隨使用時(shí)間延長(zhǎng)，刀刃寬變大，刀刃與巖石接觸面積變大，需要克服巖石阻力也變大，破巖效率減小。刀刃和巖石的接觸寬度隨著磨損的增加而增加，要達(dá)到和磨損前同樣的切深所需要的推力變大。邊緣滾刀位于刀盤邊緣，線速度較大，滾刀走過(guò)的路程長(zhǎng)，比正滾刀更容易磨損。一般對(duì)于硬巖，刀刃角不宜過(guò)小也不宜過(guò)大。

2.3 不同材料對(duì)破巖過(guò)程的影響分析

模擬刀刃角為15°的邊緣滾刀分別切削混凝土、砂巖、花崗巖和大理巖的破壞過(guò)程，得到的裂紋擴(kuò)展情況如圖11所示。

圖11 對(duì)不同材料的破壞數(shù)值模擬Fig.11 Simulation of rock breaking at different materials

從圖11可知：混凝土與3類巖石的損傷及主裂紋的擴(kuò)展規(guī)律大致相同，但隨著被切削材料強(qiáng)度增大，裂紋擴(kuò)展越不充分，混凝土強(qiáng)度較低，抗變形能力較弱，破壞損傷范圍最大，裂紋充分?jǐn)U展；大理巖強(qiáng)度大，彈性模量大，抗變形能力強(qiáng)，對(duì)巖石裂紋擴(kuò)展的阻礙作用大，滾刀更難侵入巖石深處，巖石內(nèi)部損傷范圍較小，裂紋擴(kuò)展不充分，裂紋數(shù)量少。

根據(jù)表3，滾刀切削不同強(qiáng)度材料所需要的臨界應(yīng)力和破巖效率如圖12所示。從圖12可見(jiàn)，混凝土臨界應(yīng)力最小，破巖效率最高；大理巖的臨界應(yīng)力最大，破巖效率最低。這是因?yàn)槠扑槊娣e隨著被切削材料強(qiáng)度的增加而減小，而強(qiáng)度高的巖石也需要更大應(yīng)力才能破碎巖石，這可以解釋在實(shí)際工程中TBM掘進(jìn)硬度較高巖石時(shí)施工效率較低這一事實(shí)。

圖12 不同材料下的臨界應(yīng)力與破巖效率Fig.12 Critical stress and breaking efficiency of disc cutter with different materials

根據(jù)表3，邊緣滾刀在不同材料中產(chǎn)生裂紋長(zhǎng)度和裂紋擴(kuò)展能力如圖13所示。由圖13可知：隨著被切削材料強(qiáng)度增大，中間/斜裂紋長(zhǎng)度和中間/斜裂紋擴(kuò)展能力均減小。當(dāng)滾刀侵入大理巖和花崗巖時(shí)，裂紋擴(kuò)展最不充分。這是由于大理巖和花崗巖的強(qiáng)度高，對(duì)裂紋的擴(kuò)展起著阻礙作用，滾刀很難侵入到巖石內(nèi)部，斜裂紋和中間裂紋發(fā)展較慢，裂紋長(zhǎng)度小。

圖13 不同材料下的裂紋長(zhǎng)度與裂紋擴(kuò)展能力Fig.13 Crack length and ability of crack expansion with different materials

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及工程驗(yàn)證

2.4.1實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

采用自行設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)切削實(shí)驗(yàn)臺(tái)(圖14(a))，對(duì)邊緣滾刀滾壓混凝土進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此實(shí)驗(yàn)臺(tái)由主推進(jìn)油缸推動(dòng)滾刀壓入混凝土，回轉(zhuǎn)馬達(dá)帶動(dòng)物料盤進(jìn)行回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由此滾刀完成回轉(zhuǎn)切削。本次實(shí)驗(yàn)貫入度為8mm，回轉(zhuǎn)速度為n=2.6 r/min。通過(guò)邊緣滾刀實(shí)驗(yàn)得到的碎片如圖14(b)所示，由于受實(shí)驗(yàn)條件的限制，無(wú)法細(xì)觀觀察試樣的裂紋擴(kuò)展過(guò)程及衡量裂紋長(zhǎng)度，只能從外觀上對(duì)破碎塊進(jìn)行定性分析?；炷疗扑閴K左右邊緣呈坡形，中間厚，邊緣??；破碎塊大部分粗糙，不規(guī)則；邊緣小部分區(qū)域較光滑，且有明顯的摩擦痕跡，從側(cè)面上說(shuō)明混凝土破碎是以張拉破壞為主并伴有部分剪切破壞的拉剪共同作用結(jié)果。

圖14 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Fig.14 Experimental verification

2.4.2工程驗(yàn)證

甘肅省引洮供水一期工程總干渠9號(hào)隧洞全長(zhǎng)18275m，橫斷面型式為圓形，設(shè)計(jì)縱坡為1/1650。隧洞進(jìn)口50m、隧洞中部920m和隧洞出口810m均采用鉆爆法施工，剩余洞段全部采用一臺(tái)TBM進(jìn)行施工，采用滾刀直徑為432mm,刀刃角為15°。開挖長(zhǎng)度為16 495m。開挖洞徑為5.75m，襯砌后凈斷面直徑為4.96 m。隧道沿線地質(zhì)包括了砂巖、砂礫巖、含礫砂巖、云母石英片巖、大理巖。在TBM掘進(jìn)大理石地段時(shí)現(xiàn)場(chǎng)收集的破碎塊如圖15所示，巖渣的一些區(qū)域粗糙，不規(guī)則，一些區(qū)域較光滑，且有明顯的摩擦痕跡，表明出現(xiàn)了拉破壞和剪破壞，測(cè)量的破碎塊面積約為5.0cm2，仿真結(jié)果與工程結(jié)果基本吻合，從而驗(yàn)證了仿真方法可行性。

3 結(jié) 論

(1)TBM邊緣滾刀破巖過(guò)程包括裂紋萌生、擴(kuò)展和破碎3個(gè)階段，張拉破壞是滾刀破巖裂紋生成與擴(kuò)展的主要原因，并得到了實(shí)驗(yàn)和工程驗(yàn)證。

(2)邊緣滾刀的掘進(jìn)界面為弧形，對(duì)于不同刀刃角滾刀接近弧面下端的斜裂紋比弧面上端的擴(kuò)展更快，且先產(chǎn)生拉失效單元后產(chǎn)生壓失效單元。

(3)刀刃角對(duì)邊緣滾刀的破巖具有重要的影響。大理巖裂紋擴(kuò)展能力隨刀刃角的增大先增大后減小，破巖效率也隨刀刃角的增大而先增大后減小。邊緣滾刀刀刃角不宜過(guò)小也不宜過(guò)大。

(4)4種不同材料的裂紋演化規(guī)律大致相同，但隨著被切削材料強(qiáng)度增大，裂紋擴(kuò)展越不充分，裂紋擴(kuò)展能力和破巖效率降低。其中大理石和花崗巖破巖效率較低，混凝土最高，其次是砂巖。

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Numericalsimulationofrock-breakingmechanismbygagedisccutterofTBM

XIA Yi-min1，WU Yuan1，GUO Jin-cheng2，TIAN Yan-chao1，LIN Lai-kuang1，BIAN Zhang-kuo1

(1.StateKeyLaboratoryofHighPerformanceComplexManufacturing,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;2.HunanHuayinEnergyTechnologyCo.,Ltd.,Changsha410001,China)

In order to study the impact by disc cutter’s blade angle and different materials to be cut on the rock breaking mechanism of the full face hard rock tunnel boring machine(TBM)，a series of interaction numerical models for rock-breaking with the gage disc cutter were established by UDEC.Based on the two-dimensional discrete element method,the process of the materials crack initiation，propagation and rock breaking due to the effect of the gage disc cutter were simulated.The results show that:(1)The tensile failure is the main reason for the crack initiation and propagation;(2)The length of cracks close to the upper end of cambered surface is longer than those which are close to the lower end;(3)Both of the crack expansion ability of marble and the breaking efficiency of disc cutter show an increasing trend at first and decreasing with the increasing of blade angle in the next part,so a proper blade angle should be chosen for hard rock;(4)Due to the increasing materials’ strength,the cracks show insufficient propagation,and the ability of crack expansion and the breaking efficiency of disc cutter are both decreased.In addition,compared with other materials,the gage disc cutter shows the smallest damage range for marble and the lowest breaking efficiency.Finally,the correctness and feasibility of the numerical method are verified by the experiment test and engineering data.

TBM；gage disc cutter；rock breaking mechanism；crack propagation

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0177

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)資助項(xiàng)目(2013CB035401)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863)資助項(xiàng)目(2012AA041803)；國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51074180)

夏毅敏(1967—)，男，江西永新人，教授。Tel：0731-88876926。 E-mail：xiaymj@mail.csu.edu.cn

TD421

A

0253-9993(2014)01-0172-07

夏毅敏，吳 元，郭金成，等.TBM邊緣滾刀破巖機(jī)理的數(shù)值研究[J].煤炭學(xué)報(bào),2014,39(1):172-178.

Xia Yimin，Wu Yuan，Guo Jincheng，et al.Numerical simulation of rock-breaking mechanism by gage disc cutter of TBM[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):172-178.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0177