地应力下TBM盘形滚刀载荷特性及破岩参数匹配研究.pdf

中图分类号膨名十／ U D C 纠 硕士学位论文 学校代码1 0 5 3 3 地应力下T B M 盘形滚刀载荷特性 及破岩参数匹配研究 M e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fT B Md i s cc u t t e ru n d e rt h e c r u s t a ls t r e s sa n dt h ep a r a m e t e r sm a t c h i n gr e s e a r c h e so f r o c k - b r e a k i n g 作者姓名 学科专业 研究方向 学院 系、所 指导教师 顾健健 机械工程 机械设计及理论 机电工程学院 夏毅敏 论文答辩日期丝l ；皇1 8答辩委员会主席 中南大学 二0 一三年五月 原创性声明 l l 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 tl lll ll Y 2 4 2 2 16 7 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名鏖堡l 童日期业年』月上日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名厘垡] 羹导师签名二匿薹敏日期鲨年』月王日 地应力下T B M 盘形滚刀载荷特性及破岩参数匹配研究 摘要全断面硬岩隧道掘进机 T B M 在长距离、大埋深硬岩掘进环境 下会受到地应力的影响，导致岩石破碎机理发生变化，进而造成破岩效率 低下及冲击载荷大的工程问题。本文以高效破岩为目的，对地应力环境下 盘形滚刀载荷特性及破岩参数匹配进行了研究，主要研究内容如下 1 分析地应力环境下的岩石特性，根据岩石强度随初始主应力的 变化规律，进而对中南大学盘形滚刀三向力学模型进行修正，建立了考虑 初始围岩应力的盘形滚刀破岩力学模型。 2 采用L S ．D Y N A 数值模拟软件建立了地应力下的盘形滚刀单刀 破岩有限元模型，得到地应力环境下岩石破碎特征和滚刀载荷特性，将数 值模拟结果和建立的理论力学模型进行对比分析，得到了滚刀载荷随初始 主应力的变化规律。 3 建立地应力环境下的盘形滚刀双刀破岩数值模型，模拟得到盘 形滚刀典型刀间距和贯入度在地应力环境下对岩石破碎特性和载荷特性 的影响规律，基于滚刀破岩比能耗最小原则提出各个地应力环境下的刀间 距及贯入度的最优匹配值。 4 利用1 0 0 T 回转式T B M 刀具破岩实验台对盘形滚刀破碎模拟材 料进行深入研究，对滚刀作用下的模拟材料破碎特性进行分析，并将滚刀 的载荷数据与数值模拟结果进行对比，验证数值模拟方法的有效性。 图8 0 幅，表2 0 个，参考文献9 2 篇。 关键词T B M ；盘形滚刀；刀间距；贯入度；地应力 分类号U 4 5 5 ．3 1 M e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fT B Md i s cc u t t e ru n d e rt h ec r u s t a l s t r e s sa n dt h ep a r a m e t e r sm a t c h i n gr e s e a r c h e so f r o c k b r e a k i n g A b s t r a c t I n l o n g d i s t a n c e ，l a r g e d e p t h o f h a r dr o c k t u n n e l i n gp r o j e c t c o n d i t i o n ，t h ea f f e c t i o no fc r u s t a ls t r e s st oT B Mc a u s e sr o c k - f r a g m e n t a t i o n m e c h a n i s m c h a n g e a n d t h e r e b y l e a d st o e n g i n e e r i n gp r o b l e m s l i k e i n e f f i c i e n c yr o c k b r e a k i n ga n dl a r g ei m p a c tl o a d ．I nt h i sp a p e r , f o rt h ep u r p o s e o fe f f i c i e n t r o c k b r e a k i n g ，t h e d i s cc u t t e rl o a dc h a r a c t e r i s t i c sa n d r o c k b r e a k i n gp a r a m e t e r si nc r u s t a ls t r e s sc o n d i t i o na r er e s e a r c h e d ．T h em a i n c o n t e n t sa r ea sf o l l o w s 1 A n a l y z i n gr o c kc h a r a c t e r i s t i c si nc r u s t a ls t r e s sc o n d i t i o n ．A c c o r d i n g t or o c ks t r e n g t hw i t ht h ev a r i a t i o no ft h ei n i t i a lp r i n c i p a ls t r e s s ，t h eC e n t r a l S o u t hU n i v e r s i t yd i s cc u t t e rt h r e e m e c h a n i c a lm o d e li sm o d i f i e d ．F i n a l l ya d i s cc u t t e rr o c k - b r e a k i n gm e c h a n i c sm o d e lc o n s i d e r i n gi n i t i a ls t r e s so f s u r r o u n d i n gr o c ki se s t a b l i s h e d 2 B u i l d i n gad i s cc u t t e r - b r e a k i n gf i n i t ee l e m e n tm o d e li nc r u s t a ls t r e s s c o n d i t i o nb yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r eL S D Y N A ．T h er o c k - b r e a k i n g c h a r a c t e r i s t i c sa n dt h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fT B Md i s cc u t t e ra r e s t u d i e d ．C o m p a r i n gt h en u m e r i c a l r e s u l t sw i t ht h ee s t a b l i s h e dt h e o r e t i c a l m e c h a n i c sm o d e lv e r i f i e st h ef e a s i b i l i t yo ft h et h e o r e t i c a lm o d e l ． 3 B u i l d i n gan u m e r i c a lm o d e lo f d o u b l ed i s cc u t t e r sc r u s h i n gi nc r u s t a l s t r e s sc o n d i t i o n ．I n f l u e n c er u l e so fc u t t e r s s p a c i n ga n dp e n e t r a t i o no nt h e r o c k - b r e a k i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dt h el o a dc h a r a c t e r i s t i c su n d e rc r u s t a ls t r e s s a r es t u d i e d ．T h eo p t i m a lm a t c h i n gv a l u eo ft h ec u t t e r ss p a c i n ga n dp e n e t r a t i o n i nc r u s t a ls t r e s sc o n d i t i o ni sp r o p o s e db a s e do nt h em i n i m u ms p e c i f i ce n e r g y c o n s u m p t i o np r i n c i p l e 。 4 U s i n gal0 0 - t o nr o t a r yT B Mr o c k - b r e a k i n gb e n c h ，ab r e a k i n gt h e a n a l o gm a t e r i a l sr e s e a r c ho nt h ed i s cc u t t e ri ss t u d i e d ，a n a l y z i n gt h em a r b l e c r u s h i n gc h a r a c t e r i s t i c su n d e rt h ec u t t e ra f f e c t i o n ，m a k i n gas t a t i s t i c a la n a l y s i s o nt h ec u t t e r ’Sl o a dd a t a ，t h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h en u m e r i c a l s i m u l a t i o ni sv e r i f i e d ．8 0 f i g u r e s ，2 0t a b l e s ，9 2r e f e r e n c e s ． K e y w o r d s T B M ；D i s cC u t t e r ；C u t t e rS p a c i n g ；P e n e t r a t i o nD e p t h ； C r u s t a lS t r e s s C l a s s i f i c a t i o n IJ 4 55 ．3 1 I I I 目录 原刨性声明⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I 摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯I I 目录⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．Ⅳ 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 课题研究背景及来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．1 课题研究背景⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 1 ．1 ．2 课题来源⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 1 ．2 国内外研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．1T B M 硬岩隧道掘进机研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．2 岩石力学特性研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．2 ．3 盘形滚刀破岩力学模型研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一5 1 ．2 ．4 盘形滚刀数值模拟研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～8 1 ．2 ．5 盘形滚刀刀间距和贯入度研究进展⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 1 ．3 地应力环境下盘形滚刀研究的目的和意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 1 ．4 论文的主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 2 地应力下盘形滚刀力学模型研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 3 2 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 3 2 ．2 基于m o h r 强度准则的岩石力学性能变化分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 2 ．1 ．I 岩石强度准则分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 3 2 ．1 ．2 岩莅强度变化规律分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 2 ．3 盘形滚刀破岩影响因素分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 2 ．3 ．1 滚刀破岩机理分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 2 ．3 ．2 地应力对滚刀破岩受力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 2 ．3 ．3 刀间距S 和贯入度P 对滚刀破岩受力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 2 ．4 地应力下盘形滚刀破岩模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 l 2 ．4 ．1 中南大学力学模型分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，2 1 2 ．4 ．2 地应力下滚刀三向力模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 地应力下盘形滚刀破岩数值模拟研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 5 3 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 盘形滚刀破岩数值模拟系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 i v 3 ，2 ．1A N S Y S ／L S ．D Y N A 软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．2 ．2 滚刀破岩模拟原理及过程分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 3 ．3 数值模拟模型的建立和分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 _ 3 ．1 制定数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 3 ．3 ．2 建立有限元模拟模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 3 ．3 ．3 设置材料模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 3 ．3 ．4 控制接触条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯⋯⋯3 6 3 ．3 ．5 确定模拟边界条件⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 6 3 ．3 ．6 控制沙漏和粘性阻尼⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．4 数值模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．4 ．I 盘形滚刀载荷特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 3 ．4 ．2 破岩特征分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 3 ．4 ．3 理论载荷与数值模拟载荷对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 2 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 4 地应力下典型刀间距和贯入度匹配研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 4 。1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．2 现有工程案例分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．2 ．1 甘肃引洮工程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 4 ．2 ．2 锦屏二级水电站工程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 6 4 ．3 建立双刀破岩模拟模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．3 ．1 制定数值模拟方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．3 ．2 颗粒流模型的标定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 4 ．3 - 3 双刀破岩模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 4 ，4 模拟结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．4 ．1 破碎现象和破岩面积分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 4 ．4 ．2 比能耗计算分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 4 ．4 ．3 各地应力下刀间距和贯入度最优匹配值的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 l 4 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 5 实验研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．6 7 5 ．1 引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．2 实验内容和主要目的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．31 0 0 T 回转式T B M 刀具破岩试验台⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．3 ．1 试验台简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 5 ．3 ．2 试验台控制系统及信号采集系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 9 5 ．4 实验试样的制备和实验方案⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 V 5 ．4 ．1 实验材料及其力学性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 0 5 ．4 ．2 实验方案分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 5 ．5 实验结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．5 ．1 破岩载荷分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 3 5 ．5 ．2 破岩现象分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 5 5 ．5 ．3 破岩量和比能耗分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 8 5 ．6 本章小节⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 0 6 总结与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 1 6 ．1 论文工作总结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 l 6 ．2 后续工作展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 l 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一8 3 攻读学位期问的主要研究成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 0 V 1 硕士学位论文 l 绪论 1 绪论 1 ．1 课题研究背景及来源 1 ．1 ．1 课题研究背景 全断面隧道掘进机 T B M 是通过驱动部件使刀盘发生前进和回转运动，进而使 得盘形滚刀产生回转滚压运动，滚刀与岩石发生接触进而实现岩石破碎，并通过皮带 运输装置将破岩后岩块输送至隧洞外，使之形成全断面隧道的一种高科技的工程装 备。 T B M 拥有掘进、出渣和支护等多种功能，并且将电子信息技术、遥控测试技术 和导向监测技术运用到实际施工之中，因其具有掘进效率高、稳定性好和安全系数高 等优势，已在水利水电、轨道交通、国防工程和铁路建设中得到了广泛的应用。根据 T B M 适用施工环境的不同，可以将其分为硬岩施工T B M 和软岩施工T B M 。其中硬 岩T B M 主要应用在地质稳定性好、施工埋深大、掘进历程长和岩石强度高的环境下， 施工中的主要问题是如何保证高效的破岩、控制围岩扰动和施工进度；软岩T B M 主 要应用在具有地下水、土体压力和掘进历程相对较短的的复合地层环境下，施工的主 要问题是如何稳定开挖掌子面和控制地面沉降。如图1 ．1 和图1 2 所示为两种类型的 掘进机。 伴随着我国经济的高速发展，在标志着国家经济命脉和国家安全的南水北调、西 气东输、城市地铁、高速铁路以及高山采矿等大型工程项目中，全断面隧道掘进机因 其施工效率高、自动化程度高、受气候影响小、环境破坏小、地质适应性强等多种优 势而应用广泛。其中在应用最为广泛的铁路隧道建设中，从2 0 0 8 年的隧道总长4 2 0 0 k m 到2 0 1 5 预计的隧道总长1 2 0 0 0 k m l l - 4 ] o T B M 在我国的现代化建设中起到了至关重要的 作用。 T B M 在国外发展较早，目前掌握T B M 关键制造技术和施工技术的主要以德国海 瑞克、德马克和维尔特、美国的罗宾斯、法国N F M 以及日本的三菱和川崎重工[ 5 - 8 J 为主。T B M 在国内发展相对较晚，国内在2 0 世纪6 0 年代开始使用T B M ，并进行相 应的研发和设计制造。进入2 1 世纪，随着国内各种重大施工项目的进一步实施，也 让T B M 的地位得以进一步的上升，为了提高国内的自主生产能力和掌握先进的关键 技术，我国在2 0 0 6 年将隧道掘进机列为1 6 项重大技术装备之一。为了提升我国工程 实箍装备的生产制造能力，于2 0 0 9 年我国将“装备制造业”提升到十大振兴产业的高 度。为了解决生产制造中的技术问题和设计指导中的理论突破，国家从2 0 0 7 年起， 先后推动了多个与T B M 研制紧密关联的8 6 3 和9 7 3 计划，促使国内生产制造厂商与 科研院校共同合作，力求取得重大突破和发展。 1 硕士学位论文1 绪论 中的课题“硬岩环境下高效破岩机理与掘进载荷传递规律”以及国家8 6 3 计划“大直径 硬岩隧道掘进装备 T B M 关键技术及应用”项目。 1 ．2 国内外研究现状 1 ．2 ．1 T B M 硬岩隧道掘进机研究进展 1 国外T B M 发展概况 目前，国内所说的T B M 通常是指具有隧道开挖掘进、支护、排渣以及通风等多 种功能的适用于硬岩开挖的全断面隧道掘进机。世界上首台T B M 是1 8 5 1 年美国著名 设计工程机C h a r l e s W i l s o n l 9 】与他的团队共同设计的，然而由于没有实际的施工经验， 首台T B M 存在许多设计缺陷，其中盘形滚刀的设计和使用是关键问题之一，进而造 成了施工效率低下、掘进困难、刀具损毁严重等多方面的问题，T B M 施工和其他施 工方案存在很大的差距，之后T B M 的设计制造也出现停滞。直到一百年后1 9 5 6 年， J a m e s R o b b i n s [ 旧】在C h a r l e s W i l s o n 的研究基础上深入分析并改进其设计，最终解决了 T B M 施工中的刀具问题并研制出首台真正意义上的T B M 。 6 0 多年来，T B M 的设计制造和施工技术都取得了巨大的进步，针对施工中作业 对象的不同，T B M 也出现了新的产品和形式。目前根据开挖围岩特性和支护需求的 不同主要有敞开式T B M 和护盾式T B M 。国外针对不同的施工要求，T B M 的设计直 径也有大的变化对于水利隧道直径一般为3 ．2 ～1 4 m ；铁路隧道直径一般为6 ～1 0 m 。 当前，国外T B M 研制和施工都已经非常成熟，世界上3 0 ％, , - 4 0 ％的隧道施工都由 T B M 完成，据统计在过去的6 0 多年中，T B M 的施工总里程已高达5 0 0 0 k m 。T B M 为 世界硬岩隧道的顺利开挖做出了巨大的贡献。 2 国内T B M 发展概况 2 0 世纪6 0 年代我国开始了T B M 的研制，经过5 0 多年的不断发展，我国在设计 制造和施工技术上取得重大的突破，我国T B M 的发展过程～般可分为四个时期【1 1 1 。 第一时期从2 0 世纪6 0 年代开始到7 0 年代初，1 9 6 4 年在国家相关部门要求和促 成下，北京水电学院和原水电部上海勘探设计院展开合作并对T B M 进行自主开发设 计，经过2 年的不懈努力，终于提出了T B M 设计方案并用于制造，生产出具有自主 知识产权的国内首台直径为3 ．4 m 的掘进机。然而该时期生产出的5 0 多台T B M 都因 为设计和制造缺陷而无法得到有效利用。 第二时期从2 0 世纪7 0 年代到8 0 年代初，国家认识到T B M 在隧道掘进中的重要 作用，组织各方面专家和相关部门进行技术攻关，并取得了巨大的进步。先后研制了 用于国内的多处项目之中的S J 5 8 、E J 3 0 和S J 6 4 型掘进机，并取得了一定的施工成绩。 第三时期从2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代初，我国对T B M 的设备制造工艺和材料上 进行了深入研究，并基于此研制了S J 4 0 和E J 5 0 型掘进机，该机型在新王庄隧洞和古 3 硕士学位论文 1 绪论 人庄隧洞施工中取得了可喜的成绩。 第四时期从2 0 世纪9 0 年代至今，随着国内重大项目的进一步开展，T B M 的需 求进一步加大，要求进一步提高，然而我国自主研发的掘进机在质量上、技术上以及 掘进效率上与国外T B M 有很大的差距，因此我国开始了掘进机引进之路，引进的先 进掘进机在施工中取得了突出的成绩。为进一步缩小与国外T B M 的差距，国内厂家 开始了与国外先进T B M 生厂商的生产合作，主要负责T B M 的零部件和配套件的生产， 在一定程度上提升了我国的生产制造水平，但是国外厂家仍掌握着主要关键技术，我 国在关键技术上还是很匮乏。 经过多年的发展和经营，我国在T B M 的研发和生产制造上取得一定的成绩，国 内主要厂家如中铁隧道、上海隧道、铁建重工、沈阳重工、北京华隧通等厂家都在努 力开发具有自主知识产权的先进T B M 。然而与国外发达国家相比，仍具有很大的进 步空间。 1 ．2 ．2 岩石力学特性研究进展 T B M 在长距离、大埋深隧道的掘进过程中，通常会受到地应力的影响，经地质 勘探和检测拉西瓦水电站、锦屏一级水电站和锦屏二级水电站的施工地段都处在高山 和大埋深环境，具有高地应力特征，其最大主应力分别达到了2 9 ．7 M P a [ 1 2 】、3 7 ．5 M P a [ 1 3 1 和3 9 ．6 M P a [ 1 钔。在工程上当地应力高于2 0 M P a 时则被认为是高地应力[ 1 5 ] ，地应力的 存在会造成岩石力学特性的改变，进而对施工效率和滚刀可靠性产生不利的影响。针 对地应力下的岩石特性，国内外学者大多通过试验的手段进行了研究，并得出了相关 的规律。 K a r m a n [ 1 6 】早在1 9 11 年便对大理岩的力学性能展开研究，并对其进行了不同围压 下的实验，在2 0 世纪7 0 年代P a n e r s o n 【1 7 , 1 8 ] 针对常温下的大理岩做了相似的实验，研 究发现当岩石处在高围压环境下时会发生延性转变。 S w a J l s s o n 【1 9 】对岩石进行常规三轴压缩实验，分析卸围压过程对岩石强度特征的影 响规律，并得出了岩石强度特性与加载应力路径没有紧密关联的结论。 H a i m s o n [ 2 0 】等对玄武岩进行真三轴环境下的各种形式的卸荷实验研究，得出了各 个条件下的岩石抗压特性、变形特性和破坏规律。 徐松林等 2 1 】利用常规三轴压缩试验台对大理岩进行不同围压下的常规三轴压缩、 峰前卸围压及峰后卸围压的的实验，并对其过程进行系统研究，通过分析岩石的破碎 特性和应力路径的演化，进而得到岩石的力学变化特性和塑性转化特征。 山东大学刘豆豆四，2 3 1 等通过三轴试验台对岩石的力学特性进行深入研究，提出了 更加接近实验数据的幂函数型的莫尔强度准则，基于此提出了一种新型的考虑地应力 特性的硬岩材料本构模型。 4 硕士学位论文 1 绪论 胡云华[ 2 4 , 2 5 ] 等对大渡河流域大岗山水电站施工中遇到的花岗岩进行采样，并对其 进行单轴、三轴压缩以及卸围压实验，得出了花岗岩的变形特征、强度特性以及其它 相关参数的变化规律，提出了一种能够反映地应力特性的非线性弹塑性本构模型。 黄书岭【2 6 】等针对锦屏二级水电站的大埋深大理岩进行采样，对其进行单轴压缩、 三轴压缩、真三轴压缩等多种实验，从多种角度分析大理岩在各种条件下的应力应变 特征和破坏现象，得出了大理岩的基本力学特性和变形变化规律，进而了解大埋深大 理岩的破坏机理。 何满潮[ 2 7 1 等对深埋花岗岩进行采集并对其进行实际工况的模拟，通过其应力路径 的不同对岩石特性的影响进行实验，获得花岗岩发生岩爆的全过程并对发生机制进行 了深入分析。 王雨 2 8 】通过分析实际的高地应力施工案列，研究了高地应力作用下的硬岩和软岩 的破坏特征并进行相关统计，研究发现硬岩在高地应力下有岩爆发生的概率，软岩在 高地应力下有挤压大变形的存在，这些问题都会造成掘进困难，施工效率下降。 李引2 9 l 等人基于摩尔一库伦准则提出了高地应力下岩石的强度特性，并分析了在 此环境下的刀盘破岩机理，提出了高地应力下盘形滚刀刀圈改进措施。 1 ．2 ．3 盘形滚刀破岩力学模型研究进展 T B M 盘形滚刀是实现岩石破碎进而开挖前进的关键部件，在掘进过程中盘形滚 刀主要受到垂直力、滚动力以及侧向力的三向载荷作用，三向力的特性对盘形滚刀的 优化设计、T B M 推进机构以及传动机构的设计优选都具有重要的意义。国内外学者 针对盘形滚刀的破岩过程展开了大量的实验与理论相结合的研究，分析了岩石破碎规 律和盘形滚刀的载荷变化规律，提出了多种滚刀破岩理论和大量的载荷计算理论模 型。 1 伊万斯载荷预测模型 伊万斯【3 0 1 在1 9 6 6 年提出了盘形滚刀破岩时垂直力E 的计算模型，他认为其值为 盘形滚刀压入岩石破碎坑在岩石表面投影面积4 与岩石单轴抗压强度t 的乘积。其 计算公式如下 弓 芸c r c 豇扛2 一 只一厅 2t a n 等 O - 1 式中r 为盘形滚刀半径口为盘形滚刀刀刃；h 为贯入度。 2 秋三藤三郎预测模型 日本学者秋三藤三朗口‘1 认为伊万斯模型具有很好的参考价值，并采用了与之相同 的载荷计算方法，然而对其投影面积的计算做出了一定的改进，将原有的两条抛物线 围成的面积改为两条双曲线围成的面积。他还根据破碎理论的不同，提出了两种不同 的侧向力计算模型，如公式 1 2 和公式 1 3 所示。 与 硕士学位论文 1 绪论 挤压破碎理论 E 睾R 2 矽- s i n 々o c o sq k 1 _ 2 剪切破碎理论R R 筘f 1 3 式中s 为盘形滚刀刀间距；r 为岩石抗剪强度；矽为盘形滚刀与岩石的接触角。 3 罗克斯巴勒预测模型 由于伊万斯垂直力计算理论的可靠性得到了一定的认可，因此罗克斯巴勒‘3 2 ] 也采 用伊万斯理论计算垂直力，但是与秋三藤三朗一样对投影面积进行了进一步的改进， 他通过合力作用点在h ／2 处和合力指向盘形滚刀圆心的假设，提出了滚动力和侧向力 的计算模型。 垂直力 E 4 a c h t a n a 、／2 r h h 2 1 - 4 滚动力 最 4 吒 2 t a n 1 - 5 侧向力 B r _ ．Z _ vc o t t z 2 1 r 1 - 6 4 上海交通大学6 4 0 教研室预测模型 上海交通大学6 4 0 教研室【3 3 1 对盘形滚刀的破岩过程进行深入分析发现可以将滚刀 和岩石近似认为是两圆柱体，其破岩过程是两圆柱体相互挤压的过程，其接触关系为 线接触，并通过实验分析和赫兹理论提出了载荷预测模型。 垂直力 E k 7 0 与兰兰厩。 1 - 7 ／5 1 l g , 2 滚动力 乓 ‘ √台 ∥五d1 1 - 8 侧向力F j L 1 - 9 。2 幻朋竺 2 式中‰为滚刀刀刃圆角半径D 为滚刀刀圈外径；h 为刀盘转进尺时滚刀沿轴向的 切深；巨为滚刀刀刃材料的弹性模量；E ，为岩石材料弹性模量；1 3 - 。为岩石单轴抗压 强度；k 为按实验数据统计确定的计算系数；／2 为当量摩擦系数，一般／z 0 ．0 2 ；d 为 滚刀刀轴直径。 5 东北工学院岩石破碎研究室预测模型 东北工学院岩石破碎研究室[ 3 4 , 3 5 1 对伊万斯模型进行了进一步的分析和改进，将岩 石的抗压强度矿修正为K c r c ，其中K 根据岩石类型的不同可在0 ．扣O 。7 进行选择；将 投影面积爿修正为两条抛物线围成面积的1 ／2 。 垂直力 昂4 ．k 。吒壳撕F 二琢丽等 1 - l O 滚动力 最 e k d c rA s k d a c h 2t a n 妥 1 - 1 1 式中s 为换算系数；∥为根据岩石的类型确定的破碎角。 6 硕士学位论文1 绪论 6 科罗拉多矿业学院预测模型 美国科罗拉多矿业学酣3 6 l R u s s e l lM i l l e r 以及L e v e n tO z d e m i r 等人通过深入研究盘 形滚刀的破岩机理，并依据其实际破岩过程进行线切割试验和压头压痕试验，基于此 提出了两类滚刀切削受力预测公式。 其中基于线切割试验台建立的预测模型为 垂直力 乃 。j 1 厅j 3 I ；％ 2 f 孚一2 细n 詈 f t a n n 兰 c ，- ，2 ， I ＼Z ，lZ 滚动力 曝 C F v 缸焉 1 - 1 3 式中以为岩石单轴抗压强度；C 为切割系数；D 为盘形滚刀直径；h 为滚刀切深； f 为岩石抗剪强度；o N Z l V J 角；S 为刀问距；≯为盘形滚刀与岩石的接触角。 基于压痕实验建立的受力预测模型为 ‘争 坐尝挚型 1 _ 1 4 式中％。为第一次破碎岩石时的载荷；t 刀、失附- - 取E l 终w 深, “ ；A 为F P 曲线下的面积 K 为测量系统坐标记录仪标定值；P 为压头任一点切深。 7