盾构机盘形滚刀作用下岩石破碎特征及滚刀振动特性研究

摘要

近年来,盾构机在水利水电涵洞、城市地下工程、海河地下隧洞及矿山、山区铁路、公路隧道施工中得到了越来越广泛的应用。盘形滚刀是盾构机刀盘上主要的掘进刀具,其切削性能直接影响了盾构机的掘进效率。本文来源于国家973项目子课题--“岩土切削机理与刀盘设计理论”,主要围绕切削过程中岩土的破碎特征及滚刀垂直方向的振动特性进行研究,以期改进滚刀的结构设计,提高滚刀的使用寿命及适应性,优化盘形滚刀在刀盘上的布置,最终实现高效、低能耗的隧道掘进。本文主要进行了如下的工作：　　 ⑴在对滚刀实际破岩运动进行运动学分析的基础上,合理简化问题,分别建立了单一特定地层条件下单刀切割含倾斜节理岩石、双刀切割节理不发育岩石以及含水平节理岩石的二维数值模型,仿真观察到岩石在不同围压、节理参数、刀间距和切削顺序下微裂纹的演化过程,并根据裂纹扩展方向和破碎块的形成规则不同,总结归纳出盾构刀具切割岩土时的12种典型破碎模式。最后从破岩效率,裂纹扩展能力,岩石破碎块度等方面对岩土破碎特性展开深入分析。　　 ⑵将赫兹弹性接触理论引入离散单元法建模,并考虑刀具的初始应力分布对裂纹扩展的影响,建立了包含刃形特性的双刃球齿滚刀侵入砂岩的离散元模型。通过对比分析得出了刀具侵入岩石时,刃形对岩土破碎特征的影响规律。　　 ⑶在单把滚刀与岩石构成的系统中,岩石的跃进破碎特性及滚刀特有的蛇行现象,使得滚刀在切削过程中不可避免的发生振动。本文分别采用位移约束及力约束作为滚刀的下端边界条件,建立了适用于滚刀滚压硬、软岩和土壤的一般垂直振动微分方程,并对实验用滚刀进行了算例分析。　　 ⑷在现有线切割试验台的基础上设计了双刃球齿滚刀侵入砂岩的观测试验。利用高速摄像仪成功捕捉到了岩石的崩裂现象,并巧妙地使用普通数码相机不连续地记录了密实核的形成过程,验证了相关结论。　　 ⑸设计了实验用盘形滚刀,并在原有线切割试验台上进行切割混凝土的实验。观测到了混凝土的宏观破坏现象、获得了三向力的特征及岩石破碎块度的变化规律。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及来源

1.2 课题相关方面的研究现状

1.2.1 岩石破碎特征的研究

1.2.2 滚刀受力预测模型的研究

1.2.3 三维滚刀破岩仿真研究

1.2.4 滚刀动力学特性研究

1.3 论文研究的目的、意义和主要内容

1.3.1 本文研究的目的与意义

1.3.2 本文主要内容

第二章 岩石破碎特征研究

2.1 引言

2.2 影响因素的分析及简化

2.2.1 滚刀刃形的简化

2.2.2 切削方式的简化

2.2.3 地质条件的简化

2.2.4 切削参数的简化

2.3 基于离散单元法的建模

2.3.1 离散单元模型的建立

2.3.2 材料组合模式及材料参数的确定

2.3.3 仿真实验设计

2.3.4 数值运算求解

2.4 岩石破碎特征的分析

2.4.1 刃形对岩石破碎特征的影响

2.4.2 岩石典型破碎模式

2.4.3 裂纹的扩展能力、破岩效率及岩石破碎块度

2.5 本章小结

第三章 滚刀振动特性研究

3.1 引言

3.2 引发滚刀振动的因素

3.2.1 岩石的破碎特征

3.2.2 切削过程中的蛇行现象

3.3 垂直振动模型的建立

3.3.1 底部位移激励

3.3.2 底部垂直力激励

3.4 振动模型参数的确定及求解

3.4.1 振动模型的结构参数

3.4.2 振动模型的求解

3.5 本章小结

第四章 实验研究

4.1 实验的目的和内容

4.2 实验条件

4.3 实验试样制备

4.3.1 砂岩试样

4.3.2 混凝土试样

4.3.3 试样的力学特性测试

4.4 实验方案

4.4.1 侵入试验方案

4.4.2 滚压实验方案

4.5 实验结果及分析

4.5.1 侵入试验结果及分析

4.5.2 滚压试验结果及分析

4.6 本章小结

第五章 全文总结

5.1 论文的主要工作和结论

5.2 论文的创新点

5.3 不足与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要的研究成果