TBM掘進(jìn)機在隧道和輸水隧洞開挖方面有著無可比擬的優(yōu)勢,而TBM掘進(jìn)機能夠不斷掘進(jìn)開挖巖石依靠的是TBM刀盤前端的滾刀,包括單刃滾刀、雙刃滾刀及多刃滾刀等。由于實際隧洞開挖工程中破巖條件十分復(fù)雜,所以為保障隧洞工程開挖的正常高效進(jìn)行,滾刀破巖的機理及破巖過程中滾刀的受力情況亟待深入研究。相關(guān)研究旨在為TBM掘進(jìn)機實際施工與設(shè)備的設(shè)計及制造提供部分理論參考。本文依據(jù)國家自然科學(xué)基金項目“基于離散單元法的隧洞掘進(jìn)中巖體破碎機理及滾刀破巖過程優(yōu)化研究”,以現(xiàn)階段主流的經(jīng)典滾刀破巖預(yù)測模型及相關(guān)的理論為出發(fā)點,建立新的滾刀破巖預(yù)測模型,并采用離散元軟件EDEM進(jìn)行相關(guān)的模擬驗證工作。主要研究內(nèi)容如下:(1)總結(jié)現(xiàn)階段滾刀破巖試驗及數(shù)值模擬方面專家學(xué)者進(jìn)行的研究,并分析其各自存在的缺點。同時對滾刀的結(jié)構(gòu)受力及巖石的破壞準(zhǔn)則進(jìn)行了詳細(xì)介紹。根據(jù)現(xiàn)階段主流的經(jīng)典滾刀破巖預(yù)測模型建立了適用于CCS型滾刀的新滾刀破巖模型-RCC預(yù)測模型,包括滾刀垂直力預(yù)測模型、滾動力預(yù)測模型以及側(cè)向力預(yù)測模型。(2)根據(jù)相關(guān)的滾刀破巖試驗數(shù)據(jù)對新的滾刀破巖預(yù)測模型進(jìn)行計算分析,并與經(jīng)典預(yù)測模型進(jìn)行對比,驗證RCC預(yù)測模型的準(zhǔn)確性。(3)采用離散元軟件EDEM進(jìn)行單、雙滾刀破巖及刀盤掘進(jìn)破巖的模擬研究工作,根據(jù)模擬結(jié)果進(jìn)一步驗證本文所建單滾刀破巖預(yù)測模型的合理性及準(zhǔn)確性。并對雙滾刀破巖過程中滾刀的受力情況與不同刀間距對破巖的影響進(jìn)行探究,探究雙滾刀破巖時最優(yōu)刀間距的大小。最后對刀盤掘進(jìn)破巖過程中刀盤的受力情況與刀盤掘進(jìn)破巖效果進(jìn)行研究分析,為TBM掘進(jìn)開挖的實際施工過程及刀盤設(shè)計提供了一定的理論支撐。
【學(xué)位單位】：山東建筑大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TV554
【部分圖文】：

著中國經(jīng)濟建設(shè)的快速發(fā)展，中國逐漸在國際上確立了“基建大國”的地位。在建工程中，隧道、輸水隧洞的開挖等工程占較大比例，掘進(jìn)機（TBM）在隧隧洞開挖方面有著無可比擬的優(yōu)勢，使用掘進(jìn)機在隧洞掘進(jìn)中由于其施工擾動工效率高以及在長隧洞施工的經(jīng)濟效應(yīng)顯著等特點已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于我國的水，能源工程，交通工程和國防工程等領(lǐng)域的地下工程施工建設(shè)。由于 TBM 般為圓形，尤其適用于水利工程中的輸水隧洞的開挖，和傳統(tǒng)的鉆爆法相比， 對圍巖擾動較小，成洞表面光滑，超挖量小，可以減少襯砌用量，降低完工后成本，國際上采用全斷面巖石掘進(jìn)機施工的隧洞，約有一半是輸水隧洞。因此 施工工法在水利工程中起到非常重要的作用。1984 年廣西天生橋水電站引水隧國第一個在中國水利行業(yè)使用 TBM 施工技術(shù)的引水隧洞。近年來，該技術(shù)用于水利工程輸水隧洞的建設(shè)中，比如：甘肅引水入秦工程(1990 年)，山西電項目(1998 年)，遼寧大伙房水電工程(2005 年)，四川錦屏水電工程(2007 年多輸水隧洞工程(2016 年)，貴州天生橋二級水電站工程等。

階段是相鄰滾動之間的相互作用，在滾刀作用下相鄰裂紋發(fā)展并相互貫通時，兩滾刀之間形成條狀巖片，如圖2.1所示。圖1.2 滾刀切削作用下的巖石破裂模式示意圖綜上所述，滾刀的物理破巖過程是滾刀持續(xù)向巖石施加荷載進(jìn)而巖石破壞的過程，TBM 滾刀在液壓推進(jìn)系統(tǒng)的不斷推動下侵入巖石，巖石在高壓力滾刀的作用下產(chǎn)生比較明顯的塑性變形的初始破壞，隨即在此壓力下產(chǎn)生粉碎性破壞，并在破裂的底部形成密實核。隨著巖石破碎過程的繼續(xù)進(jìn)行，滾刀施加在巖石上的力增加，致使巖石密實核外的區(qū)域開始產(chǎn)生裂紋，裂紋的形態(tài)分兩種：一是向下的徑向裂紋，二是側(cè)向發(fā)展的側(cè)向裂紋。當(dāng)兩滾刀之間的側(cè)向裂紋貫通時巖石上就會產(chǎn)生巖片，巖片被刮刀從掌子面上刮下落入鏟斗，最終由出碴皮帶運出，完成一次完整的破巖過程。結(jié)合TBM滾刀破巖時巖石的受力大體上可以歸納出比較經(jīng)典的三種滾刀破巖理論即擠壓破巖理論、剪切破巖理論和張拉破巖理論。（1）擠壓破巖理論擠壓破巖理論的代表人物是伊萬斯

山東建筑大學(xué)碩士學(xué)位論文4圖1.3 巖石擠壓破壞示意圖（2）剪切破巖理論Paul與Sikasskic[7]等學(xué)者通過分析滾刀破巖試驗后的巖石碎片，提出巖石破碎是由楔形刀具侵入后的剪切破壞引起的。圖1.4 巖石剪切破壞示意圖（3）張拉破巖理論Reichmuth和Bieniawki等[8]基于Griffith斷裂強度準(zhǔn)則建立的張拉破巖機理，認(rèn)為巖石在滾刀的作用下主要經(jīng)歷裂紋閉合、線彈性變形、裂紋開始擴展、形成壓碎區(qū)、巖石強度失效及斷裂體形成等過程。圖1.5 巖石張拉破壞示意圖1.2.2 滾刀破巖試驗研究
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