临空面辅助TBM滚刀三维贯入破岩的近场动力学研究

作     者：尚肖楠 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：周建;刘福深

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 080104[工学-工程力学] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：TBM 临空面 滚刀贯入破岩 三维近场动力学 裂纹演化 

摘      要：近年来,临空面辅助TBM滚刀破岩受到了广泛的关注,该方法能够有效克服TBM在高强度或强磨蚀性硬岩地层掘进中遇到的一系列挑战,具有很好的应用前景。由于临空面辅助TBM滚刀破岩问世时间不长,其相关研究还处于初始阶段,用于临空面辅助滚刀破岩模拟的有限元法与离散元法在研究岩石断裂方面存在一定的局限性;而且关于垂直临空面工况下单滚刀三维破岩以及相邻滚刀间协同破岩的研究还不充分,同时在倾斜临空面工况下滚刀破岩的研究仍不系统。对此,本文首次将近场动力学方法引入到TBM滚刀贯入破岩的研究当中,并针对临空面辅助TBM滚刀三维贯入破岩开展了一系列研究。近场动力学方法在模拟固体断裂方面具有一定的优势,能够弥补有限元法模拟复杂岩石裂纹的不足以及离散元法标定参数较多带来的不便利性。本文的主要研究内容及结论如下:(1)本文利用近场动力学方法模拟了楔形刀贯入试验与压头贯入试验,证明了该方法研究刀具贯入破岩的可行性,并提出了非线性短程力接触模型来模拟TBM盘形滚刀法向力随贯入深度的变化,通过7组TBM滚刀三维贯入试验证明了所提接触模型的合理性。研究结果表明:近场动力学方法只需要两个标定参数便可以得到刀具贯入作用下岩石破坏的演化过程,本文提出的非线性短程力接触模型相比于传统短程力接触模型,能够得到与试验结果更加接近的滚刀法向力变化趋势。另外,当标定参数确定后,非线性短程力接触模型可以模拟滚刀贯入破岩峰值力随围压的变化,并得到合理的岩石表面破坏形式。(2)论文建立了垂直临空面辅助滚刀贯入破岩模型,得到了岩石破碎的三维过程,分析了岩石渣片三维尺寸的变化规律,并研究了双滚刀间的协同破岩,对比了双滚刀顺次破岩与同时破岩的情况。研究结果表明:在保证滚刀破岩效率的前提下,可以通过减小滚刀临空距离或岩石临空面高度来缩小岩石渣片尺寸,实现渣片的顺利运输,防止刀盘卡顿的发生。为了避免岩石破碎效率的大幅度降低,双滚刀顺次破岩刀间距的设计要考虑滚刀临空距离的影响,而双滚刀同时破岩刀间距的设计在一定程度上受到滚刀临空距离的影响较小。(3)滚刀在垂直临空面附近完成破岩后,将形成倾斜临空面,为了进一步研究倾斜临空面对后续滚刀破岩的影响,本文考虑了临空面倾斜程度以及滚刀临空距离的变化。研究结果表明:在本文工况下,岩石破碎出现内部裂纹扩展模式与内部压碎区扩大模式。随着临空面倾角的减小,岩石破碎会从内部裂纹扩展模式转变为内部压碎区扩大模式,造成滚刀破岩效率的显著降低。而且当临空面倾角固定时,不同的滚刀临空距离所造成的岩石破碎模式不完全相同。在工程中,需要防止滚刀在垂直临空面附近完成破岩后形成倾角较小的临空面,同时要设置合理的滚刀临空距离使得岩石在倾斜临空面下以内部裂纹扩展模式破碎,从而提高滚刀破岩效率。