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人民长江 2021年第11期52卷 175-182,189页

作者：汤胜旗曾亚武叶阳武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072

为提高深部地下高地应力硬岩掘进效率,对有、无中间临空面的板状花岗岩试样进行了楔刀垂直贯入破岩试验,以探究临空面辅助作用下不同围压、不同楔刀与临空面的距离、不同临空面深度等对楔刀破岩效果的影响。试验结果表明:临空面辅助破... 详细信息

为提高深部地下高地应力硬岩掘进效率,对有、无中间临空面的板状花岗岩试样进行了楔刀垂直贯入破岩试验,以探究临空面辅助作用下不同围压、不同楔刀与临空面的距离、不同临空面深度等对楔刀破岩效果的影响。试验结果表明:临空面辅助破岩可大幅降低破岩比能耗;在临空面辅助作用下,楔刀下主裂纹向下延伸后朝向临空面发展贯通,形成三角形大粒径块体岩渣,减小了岩屑的产生;围压对破岩效率具有重要影响,在最优围压时破岩比能耗最低;主裂纹贯通至临空面底部时,伴随楔刀与临空面的距离增大,破岩比能耗呈现非线性增长;临空面深度控制主裂纹朝向临空面发展贯穿,从而影响破岩比能耗。研究结果为TBM高效破岩提供了新思路。

关键词：临空面楔刀破岩超前导洞 TBM 围压破岩比能耗

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临空面辅助楔刀贯入破岩试验及数值模拟研究

临空面辅助楔刀贯入破岩试验及数值模拟研究

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作者：汤胜旗武汉大学

学位级别：硕士

随着我国基础设施建设不断向西部山区进军,越来越多的长大隧道工程成为整个工程建设的主体,其掘进效率往往是工程建设进度的关键。深埋隧道TBM掘进时,往往面临围岩大变形及高地应力等复杂地质条件,TBM组合超前导洞扩挖成孔掘进方式可以... 详细信息

随着我国基础设施建设不断向西部山区进军,越来越多的长大隧道工程成为整个工程建设的主体,其掘进效率往往是工程建设进度的关键。深埋隧道TBM掘进时,往往面临围岩大变形及高地应力等复杂地质条件,TBM组合超前导洞扩挖成孔掘进方式可以有效释放围岩应力,提升破岩效率。进行超前导洞形成的临空面辅助刀具破岩的相关研究,揭示其破岩机理和辅助作用,对于安全高效地进行TBM隧道掘进具有重要意义。本文所做的主要研究工作如下:本研究制备了多种有、无临空面的花岗岩板状试样,利用二维刀具贯入装置,开展了不同侧向压力下楔刀垂直贯入破岩室内试验。分析了不同加载阶段楔刀下岩样裂纹扩展过程,利用贯入力、破岩体积和破岩比能耗等指标对临空面辅助楔刀贯入破岩效果进行了定量研究,讨论了侧向压力大小、楔刀形状、临空面深度、楔刀与临空面的距离对临空面辅助楔刀贯入破岩的影响。此外,在试验研究的基础上,基于二维颗粒流(PFC2D)平节理(Flat-Joint Model)接触模型,建立了不同加载条件下临空面辅助楔刀贯入破岩数值模型。通过监测颗粒间裂纹扩展、楔刀接触力、颗粒位移及碎片面积探讨了楔刀贯入破岩机理,分析了侧向压力、楔刀形状、临空面深度、楔刀与临空面的距离等因素对临空面辅助楔刀破岩的影响规律。试验结果表明:临空面辅助侧向压力约束下楔刀贯入破岩时,随着贯入度的增大,主裂纹逐渐萌生,扩展,并贯通至临空面,形成大粒径岩碴,显著降低了破岩比能耗;侧向压力迫使主裂纹向临空面方向扩展;刃角、刃宽越大,贯入力越大,楔刀越难以贯入岩石,不利于降低破岩比能耗;楔刀与临空面距离较小和临空面深度较大时,有利于楔刀高效破岩。数值模拟结果表明:侧向压力约束下,临空面辅助楔刀破岩时主裂纹扩展贯穿至临空面,形成大粒径岩碴,能够显著降低贯入力和破岩比能耗,从而高效破岩;临空面显著改变了试样中应力分布:临空面两侧形成低接触应力区,临空面底部出现应力集中,底部以下形成均匀高接触应力区,该应力的变化是楔刀高效破岩的直接原因。楔刀贯入破岩时,贯入点形成密实核,剪切微裂隙大量形成,试样以剪切破坏为主;随着贯入度增加,张拉微裂隙大量形成,密实核周围裂纹开始萌生并逐渐扩展,试样以张拉破坏为主。较大刃角、刃宽的楔刀贯入破岩时易产生局部破碎,粉末状岩渣较多,破岩比能耗较大。临空面深度和楔刀与临空面的距离能够控制楔刀下主裂纹的扩展形态,进而影响大粒径岩碴的形成。破岩比能耗随楔刀与临空面的距离增大呈现反抛物线增长,随临空面深度增大先迅速减小后有所增大,但增幅较小。试样破裂面与楔刀贯入力方向夹角较小时更有助于楔刀顺次破岩。

关键词：临空面试验研究颗粒流数值模拟岩碴破岩比能耗

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线性和回转切割模式下TBM滚刀破岩机理及影响因素研究

线性和回转切割模式下TBM滚刀破岩机理及影响因素研究

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作者：张尧尧山东建筑大学

学位级别：硕士

隧道掘进机(TBM)利用回转刀具开挖,同时破碎洞内围岩及掘进,可一次形成整个隧洞断面,在长大隧洞施工中优势显著。滚刀及刀盘作为TBM关键破岩工具,合理预测其在切割岩石过程中破岩力变化规律,展开不同切割模式下破岩效果及影响因素研究,... 详细信息

隧道掘进机(TBM)利用回转刀具开挖,同时破碎洞内围岩及掘进,可一次形成整个隧洞断面,在长大隧洞施工中优势显著。滚刀及刀盘作为TBM关键破岩工具,合理预测其在切割岩石过程中破岩力变化规律,展开不同切割模式下破岩效果及影响因素研究,对理解隧洞掘进过程中岩体破裂机理和优化掘进过程具有重要意义。本文基于滚刀回转切割模式提出了一种新的破岩力预测模型,补充了以往破岩力预测模型在计算侧向破岩力方面的不足。利用大型非线性显示分析有限元软件ANSYS/LS-DYNA对线性切割和回转切割模式下滚刀破岩过程进行数值模拟分析,对比了两种切割模式下破岩效果的异同,讨论了贯入深度、滚刀间距、围压比对破岩力和破岩比能耗的影响规律。最后建立了全尺寸刀盘掘进过程数值模型,分析了TBM刀盘掘进破岩效果及刀盘掘进速率对围岩的扰动影响。本文主要研究结果如下:(1)将常截面(CCS)盘形滚刀刀头圆弧段简化为直线段,并且把滚刀侵入岩石的过程假设为滚刀的垂直压入运动,基于以上两点,提出新的滚刀破岩力预测模型。经与试验结果进行误差分析得出,垂直破岩力和滚动破岩力计算结果比较可靠,侧向破岩力计算结果符合随着贯入度和刀间距的变化规律,但略小于试验数据,原因可能是侧向破岩力计算公式未考虑相邻滚刀的协同破岩作用。(2)滚刀线性切割破岩过程中,随着贯入度增加,垂直破岩力和滚动破岩力增大,滚动破岩力增长率大于垂直破岩力增长率,岩石中最大Mises应力近似呈线性增大。对于科罗拉多红花岗岩,当贯入度小于4mm,最优刀间距出现在65mm附近,随着贯入度增大,刀间距/贯入度比值(S/P)从34.4减小到17.9;当贯入度大于4mm,随着贯入度增加,最优刀间距从83.67mm增大到115.78mm,S/P值逐渐减小至15附近趋于平稳。当贯入度为6.4mm,刀间距为101.52mm时,得到最小破岩比能耗值31.86 MJ.m。(3)相比于线性切割,回转切割模式下的垂直破岩力减小,滚动破岩力增大,侧向破岩力明显增大。贯入度和刀间距对回转切割模式下破岩力的影响规律与线性切割模式下的基本一致,不同的是,回转切割模式下的最优刀间距大于线性切割的。当贯入度小于4mm,回转切割模式下的最小破岩比能耗值小于线性切割的;当贯入度大于4mm,回转切割模式下的最小破岩比能耗值大于线性切割的。(4)围压作用下滚刀在回转切割岩石过程中,垂直破岩力明显增大,滚动破岩力有相应地减小,并且随围压增大,这一趋势越明显。当围压比?=0.5时,Hwangdeung granite,Macheon granite,Busan granite平均垂直破岩力分别比无围压时提高83.39%,50.78%,72.93%;平均滚动破岩力分别比无围压时降低26.19%,20.41%,16.11%。随着围压比增大,滚刀侵入岩石难度增大,岩石中最大Mises应力从割槽正下方向两侧转移,并逐渐延伸至上自由面。破岩体积随围压比增大而减少,破岩比能耗随围压比增大而增大。并且高强度岩石对围压比的敏感程度明显高于低强度岩石。Hwangdeung granite,Macheon granite,Busan granite三种类型岩石在受到围压作用时的最大破岩比能耗比没有围压约束情况下分别提高14.37%,10.06%,7.86%。(5)结合实际工程案例展开TBM全断面开挖过程的数值模拟研究,在数值建模过程中综合考虑贯入度、刀间距和围压等因素的影响,研究了TBM全断面掘进过程中岩石的破坏形态和掘进速率对围岩扰动区范围的影响,结果表明随着TBM掘进速率增大,围岩扰动区范围逐渐减小。本文研究结果对深入理解TBM隧洞掘进过程中滚刀破岩力变化规律和优化掘进施工过程具有一定理论参考价值和实际指导意义。

关键词：盘形滚刀线性切割和回转切割破岩力破岩比能耗影响因素全断面开挖数值模拟

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边滚刀破岩特性的数值模拟与优化布置研究

边滚刀破岩特性的数值模拟与优化布置研究

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作者：宋颖鹏西南交通大学

学位级别：硕士

近年来盾构施工法在城市隧道工程中的应用越来越广泛,边缘滚刀作为盾构刀盘系统的主要组成部分之一,其破岩特性和布置方式的研究对于提升盾构施工质量和效率具有重要意义。本文在查阅国内外大量文献的基础上,结合工程实际,建立了边滚刀... 详细信息

近年来盾构施工法在城市隧道工程中的应用越来越广泛,边缘滚刀作为盾构刀盘系统的主要组成部分之一,其破岩特性和布置方式的研究对于提升盾构施工质量和效率具有重要意义。本文在查阅国内外大量文献的基础上,结合工程实际,建立了边滚刀破岩数值仿真模型,利用正交试验方法分析破岩效率影响因素的显著性,并提出了边滚刀的优化布置方案。具体研究工作如下:1、根据滚刀的安装位置将其分为中心滚刀、正面滚刀和边滚刀,在正面滚刀破岩力预测模型的基础上,考虑边滚刀安装倾角的影响,给出了边滚刀的垂直力、滚动力和侧向力的理论计算模型;基于破岩比能耗概念给出了边滚刀破岩体积的计算方法并分析了破岩效率的影响因素。2、以成都地铁某盾构刀盘为例,确定了滚刀与岩体的材料和尺寸参数,利用ABAQUS有限元分析软件对#29-#32边滚刀建立破岩数值仿真模型,将仿真得到的破岩力与理论计算值对比,结果显示,仿真值与理论值的变化趋势基本一致,并计算得到越靠近刀盘边缘的滚刀破岩比能耗越大,与工程实际相符,验证了数值仿真的可行性。3、基于边滚刀破岩仿真模型研究了滚刀刀圈刃宽、刃角、安装倾角、刀盘圆弧过渡半径单因素作用下破岩效率的变化规律,并进一步利用正交试验方法研究多因素综合作用对破岩效率的影响,运用SPSS软件求解得到安装倾角是影响最显著的因素。在此基础上对该刀盘边滚刀安装倾角进行优化,通过多组仿真得到首把边滚刀最优倾角为7°,并以倾角差递减的方式布置后序滚刀,仿真验证了优化后总体比能耗减小12.17%。4、在安装倾角优化结果的基础上对边滚刀的安装位置进行重新布置,建立了以刀盘最小径向不平衡力和最小倾覆力矩为目标函数的多目标优化模型,利用粒子群算法进行求解,结果显示,径向不平衡力减小了15.31%,倾覆力矩减小了19.39%,且满足刀具布置原则。

关键词：边缘滚刀破岩比能耗数值模拟仿真安装倾角

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临空面对破碎锤冲击破岩效果的影响研究

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粉煤灰综合利用 2022年第2期36卷 41-48页

作者：韩科叶阳曾亚武武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉430072

为深入研究液压破碎锤冲击机理,利用自行设计的冲击试验装置展开试验,结合有限元-离散元耦合方法分析其在临空面辅助作用的破坏特性。试验结果表明:在临空面辅助作用下,岩石破坏强度得到劣化,冲击峰值力随临空面距离的增加呈先增加后稳... 详细信息

为深入研究液压破碎锤冲击机理,利用自行设计的冲击试验装置展开试验,结合有限元-离散元耦合方法分析其在临空面辅助作用的破坏特性。试验结果表明:在临空面辅助作用下,岩石破坏强度得到劣化,冲击峰值力随临空面距离的增加呈先增加后稳定趋势,且在保持临空面距离不变情况下与冲击能量不相关;破岩比能耗随临空面距离的增加呈先下降后上升趋势;为达到最优破岩比能耗,临空面距离应选取能使岩石经一次冲击即可完成劈裂破坏时的最大值。研究结果为高效破岩提供了理论依据。

关键词：临空面冲击破岩冲击力峰值破岩比能耗有限元-离散元耦合方法

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