考虑破岩模式的TBM滚刀破岩力计算模型
曹久磊1
俞缙1
张竹清2
冯学卫2
常方强1
蔡燕燕1
1.华侨大学福建省隧道与城市地下空间工程技术研究中心,福建厦门 3610212.厦门轨道建设发展集团有限公司,福建厦门 365004
摘要：滚刀破岩力是研究TBM开挖硬岩隧道效率和安全性的核心参数,提高破岩力计算模型精度的重点在于如何使计算模型与破岩模式相匹配.通过对滚刀破岩过程中不同破岩模式下的裂纹交汇情况及岩片产生的主导因素进行分析,认为协同破岩时岩石主要发生压拉破坏,非协同破岩时主要发生压剪破坏,基于此提出了一种新的刀具荷载计算方法;建立单滚刀及双滚刀线性破岩三维离散元模型,统计不同贯入度下的侧向裂纹扩展长度,以此为基础计算各刀间距和贯入度组合下的理论破岩模式,并通过分析各工况下岩石内部裂纹交汇及其水平应力分布情况,验证了破岩模式划分理论的正确性;以岩石内部裂纹分布特征为基础,提出了协同和非协同破岩模式下破碎岩片体积的计算方法,利用指数函数对岩渣破碎厚度比和刀间距之间的关系进行拟合,定义了协同系数β,并结合新破岩力公式推导出了比能耗表达式.研究发现:由新破岩力模型计算得到的垂直力和滚动力相较于实测值的误差分别为7.3％和11.0％,其相比于CSM和线性计算模型的误差较小;岩石破碎区域取决于破岩模式,协同模式下的破碎区域主要为滚刀之间,非协同模式下为刀刃下方及其两侧;随刀间距增大,岩石内高应力区逐渐分离并出现上移现象且面积下降,最优贯入度增大而最小比能耗值减小,当贯入度增大时,比能耗值先减小后增大,同时比能耗曲线变化趋势和相关破岩试验结果具有一致性.
关键词：破岩力计算模型破岩模式比能耗颗粒离散元盘形滚刀
分类号：TD421.54(矿山机械)
资助基金：国家自然科学基金(42077254)国家自然科学基金(51978292)福建省科技计划引导性资助项目(2020H0014)
论文发表日期：2023-08-28
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：12( 3300-3311 )
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