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临空面辅助TBM滚刀三维贯入破岩的近场动力学研究

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临空面辅助TBM滚刀三维贯入破岩的近场动力学研究

作者：尚肖楠浙江大学

学位级别：硕士

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... 详细信息

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。

关键词： TBM 临空面滚刀贯入破岩三维近场动力学裂纹演化

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临空面数量对爆破振动特征的影响研究

矿冶工程 2018年第6期38卷 17-22页

作者：汪万红冷振东卢文波赵明生涂书芳叶海旺中国葛洲坝集团易普力股份有限公司重庆401121 武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室湖北武汉430072 贵州新联爆破工程集团有限公司贵州贵阳550002 武汉理工大学资源与环境工程学院湖北武汉430070

通过河北丰宁抽水蓄能电站探洞中的逐孔爆破试验,对比了不同临空面条件下爆破诱发振动的差异,并采用SPH-FEM耦合方法分别对不同临空面条件下的单孔爆破破碎过程和爆破诱发振动进行了对比分析。研究结果表明,在岩体条件和单响药量相同的... 详细信息

通过河北丰宁抽水蓄能电站探洞中的逐孔爆破试验,对比了不同临空面条件下爆破诱发振动的差异,并采用SPH-FEM耦合方法分别对不同临空面条件下的单孔爆破破碎过程和爆破诱发振动进行了对比分析。研究结果表明,在岩体条件和单响药量相同的前提下,爆破开挖临空面显著影响峰值振动速度的大小,临空面越多,爆破诱发的峰值振动速度越低。爆破设计过程中需要考虑开挖临空面的影响,随着临空面数量增加,场地系数显著减小,衰减系数则变化不明显。

关键词：岩石爆破临空面爆破振动能量分布单段药量

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单、双临空面岩塞爆破的贯穿机制与试验研究

岩石力学与工程学报 2016年第A02期35卷 3716-3724页

作者：胡英国吴新霞赵根刘美山周先平黎卫超长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室湖北武汉430010

深入研究岩塞爆破技术在工程改扩建或事故抢险中意义重大。首先从爆炸应力场角度分析单、双临空面条件下岩塞爆破的贯穿机制,揭示了2种条件的差异主要由岩塞体底部岩体的夹制作用以及临空面处反射拉应力波的联合作用引起。基于LS-DYNA... 详细信息

深入研究岩塞爆破技术在工程改扩建或事故抢险中意义重大。首先从爆炸应力场角度分析单、双临空面条件下岩塞爆破的贯穿机制,揭示了2种条件的差异主要由岩塞体底部岩体的夹制作用以及临空面处反射拉应力波的联合作用引起。基于LS-DYNA的二次开发技术,分别进行单、双临空面条件下的单孔及全断面爆破开挖的爆破损伤数值仿真,结果表明,单、双临空面实际爆除深度的差异随着钻孔深度的增加而明显增大,当孔深大于5 m后,单临空面岩塞爆破的贯穿深度小于双临空面工况,在后者可贯通条件下,随着孔深增加,前者逐渐趋近后者的1/2。开展单双临空面的贯穿试验并针对已有工程结果进行统计,结果表明,钻孔深度较小时,单临空面条件下能贯穿,但随着孔深的增加,贯穿比例逐渐减小并趋近至0.5,而在同等条件下,双临空面岩塞爆破仍然成功贯穿。试验结果与数值计算结果相互印证且均表明,由于孔底的夹制作用以及临空面导致的拉应力波,当孔深较大时,单临空面岩塞爆破的贯穿深度趋近双临空面条件下的1/2。研究成果期望为类似工程提供参考。

关键词：岩石力学爆破岩塞临空面损伤

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基于临空面特征的采动斜坡变形破坏规律研究

安全与环境学报 2020年第4期20卷 1315-1320页

作者：史文兵李华梁风王小明贵州大学资源与环境工程学院贵阳550025 贵州大学国土资源部喀斯特环境与地质灾害重点实验室贵阳550025

西南山区采动斜坡变形失稳灾害频发,复杂的地质环境条件导致岩质采动斜坡变形破坏规律复杂。而高陡临空地形是西南山区采动斜坡具有的显著特征,研究临空面影响采动斜坡变形破坏规律对于山区采动地质早期识别具有重要意义。以贵州都匀煤... 详细信息

西南山区采动斜坡变形失稳灾害频发,复杂的地质环境条件导致岩质采动斜坡变形破坏规律复杂。而高陡临空地形是西南山区采动斜坡具有的显著特征,研究临空面影响采动斜坡变形破坏规律对于山区采动地质早期识别具有重要意义。以贵州都匀煤洞坡变形体为例,构建了采动斜坡工程地质模型,通过数值试验分析了有无临空面及不同临空面坡度条件下的斜坡变形破坏规律。结果表明:有临空面的采动斜坡岩层会同时发生朝向采空区和临空面的拉裂变形,距离坡表近的煤层开采对斜坡坡顶变形影响较大,煤洞坡斜坡坡顶大裂缝与下方的A4煤层开采直接相关;而无临空面的斜坡变形破坏范围局限在采空区覆岩,覆岩冒落范围和变形开裂程度也小于有临空面的采动斜坡。有临空面采动斜坡水平位移和范围明显大于无临空面的斜坡,而斜坡下沉位移受临空面影响较小,但受重复采动影响较大。同时随斜坡临空面坡度增加,靠近临空面区域的覆岩水平位移会加剧;随临空面坡度增大,采空区覆岩朝向临空面及采空区方向拉裂变形范围和程度也逐渐增大。临空面增大了山区采动斜坡水平移动范围和斜坡开裂程度,临空面具有变形"增大效应"。

关键词：安全工程地下开采采动斜坡临空面数值试验

临空面下滚刀破岩方法数值模拟及试验研究（英文）

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Journal of Central South University 2018年第9期25卷 2107-2118页

作者：张旭辉夏毅敏曾桂英谭青郭犇 State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing(Central South University) Changsha 410083China School of Mechanical and Electrical Engineering Central South UniversityChangsha 410083China

为了研究临空面下滚刀新型破岩方法,采用离散元法建立了临空面下滚刀破岩模型,模拟了临空面下滚刀作用后密实核形成、裂纹起裂、裂纹扩展等动态过程,并结合线性切割实验研究了不同临空距下裂纹扩展模式、比能耗等变化规律。研究结果表明... 详细信息

为了研究临空面下滚刀新型破岩方法,采用离散元法建立了临空面下滚刀破岩模型,模拟了临空面下滚刀作用后密实核形成、裂纹起裂、裂纹扩展等动态过程,并结合线性切割实验研究了不同临空距下裂纹扩展模式、比能耗等变化规律。研究结果表明:临空面下滚刀破碎岩石过程以张拉破坏为主,存在一个临界临空距促使裂纹能有效扩展到临空面。当临空距合理时,临空面下滚刀新型破岩方法能显著降低破岩载荷并提升破岩效率。

关键词：临空面隧道掘进机滚刀破岩方法

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岩体临空面块体振动响应规律研究

爆破 2024年第1期41卷 8-13页

作者：沙剑鸣郭运华翟浪宝罗忆李新平武汉理工大学土木工程与建筑学院武汉430070 武汉理工大学三亚科教创新园三亚572024

结构面是控制岩体工程局部稳定的关键因素之一,查明结构面赋存及组合状态是岩体稳定性分析的前提条件,目前常采用地质调察的方法,由于勘察手段的局限性,存在遗漏时常需要补充勘察,成本耗费高。通过开展室内试验,对结构面模型的表面振动... 详细信息

结构面是控制岩体工程局部稳定的关键因素之一,查明结构面赋存及组合状态是岩体稳定性分析的前提条件,目前常采用地质调察的方法,由于勘察手段的局限性,存在遗漏时常需要补充勘察,成本耗费高。通过开展室内试验,对结构面模型的表面振动响应规律进行了研究,研究表明:对于单结构面模型,结构面前方的质点振幅存在增幅效应,对于由两条结构面切割的块体模型,仅在远离动力输入侧的结构面前方存在振幅放大效应。在试验成果的基础上开展了数值模拟分析,分别对不同结构面倾角的岩体模型进行计算,结果表明:相对于萨道夫斯基经验公式得到的振动衰减规律,当结构面与爆源方向地面夹角θ值小于90°时,结构面前方的振动波入射区域质点振幅存在明显放大效应,结构面后方质点振动幅值则显著衰减。随着结构面与边界面夹角θ的减小,结构面前质点峰值振速增幅率逐渐增大,并在θ=20°时波幅放大2.8倍。通过合理布置爆破振动监测测点,这一规律为爆破工程中识别结构面及块体提供判据。

关键词：节理岩体岩石块体临空面振动响应衰减特性

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临空面处自承式折管支墩抗滑计算

城市建设理论研究(电子版) 2018年第1期 166-168页

作者：李洪煊夏秀丽高滢中国市政工程中南设计研究总院有限公司南京分院

为了研究临空面处自承式折管支墩的抗滑稳定性,采用规范分析法,通过对垂直向上弯管支墩及自承式折管支墩各自抗滑稳定分析,提出了临空面处自承式折管支墩抗滑稳定修正计算公式。分析结果表明:临空面处自承式折管支墩抗滑稳定计算不宜计... 详细信息

为了研究临空面处自承式折管支墩的抗滑稳定性,采用规范分析法,通过对垂直向上弯管支墩及自承式折管支墩各自抗滑稳定分析,提出了临空面处自承式折管支墩抗滑稳定修正计算公式。分析结果表明:临空面处自承式折管支墩抗滑稳定计算不宜计入被动土压力;当自承式折管拱脚推力大于弯管内水压力水平分力时,支墩潜在滑动趋势朝向外侧,齿坎宜布置在外侧;当自承式折管拱脚推力不大于弯管内水压力水平分力时,支墩潜在滑动趋势朝向内侧,支墩迎推力侧主动土压力计入滑动力,齿坎宜布置在内侧。这些认识可为同类自承式折管结构支墩的抗滑设计提供参考。

关键词：抗滑自承式折管临空面

城市浅埋隧道多临空面爆破振动强度影响因素分析

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建井技术 2018年第3期39卷 52-57页

作者：张明高重庆巨能建设(集团)有限公司重庆401120

通过现场爆破试验及振动监测,对城市浅埋隧道多临空面条件下的爆破参数对振动强度的影响作了对比分析。结果表明:首排掏槽孔至临空面的距离,对降低掏槽孔振速有重要影响;该距离较大时,临空面的降振作用将弱化。本工程首排掏槽孔至临空... 详细信息

通过现场爆破试验及振动监测,对城市浅埋隧道多临空面条件下的爆破参数对振动强度的影响作了对比分析。结果表明:首排掏槽孔至临空面的距离,对降低掏槽孔振速有重要影响;该距离较大时,临空面的降振作用将弱化。本工程首排掏槽孔至临空面的距离为2.1m时,即可显著降振。合理的雷管段位设计及炮孔布置对利用临空面降振有重要作用。

关键词：城市浅埋隧道临空面爆破振动降振

临空面理论在兰渝铁路LYS-2标隧道中的应用

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兰州交通大学学报 2014年第1期33卷 19-22页

作者：张秀良中铁十六局集团第五工程有限公司河北唐山063000

合理控制临空面可以获得较好的爆破效果,软弱、破碎地质围岩的洞室內缩及坍塌变形一般朝临空面方向发生,且变形幅度与坍塌风险均随临空面的增大而增大.以兰渝铁路LYS-2标隧道实际施工控制为例,分析了临空面在隧道施工中正反两方面的作用... 详细信息

合理控制临空面可以获得较好的爆破效果,软弱、破碎地质围岩的洞室內缩及坍塌变形一般朝临空面方向发生,且变形幅度与坍塌风险均随临空面的增大而增大.以兰渝铁路LYS-2标隧道实际施工控制为例,分析了临空面在隧道施工中正反两方面的作用,从控制临空面角度阐述了防止隧道变形的措施.

关键词：临空面隧道工程应用与控制