TBM雙滾刀破巖仿真分析及試驗研究

發(fā)布時間：2020-09-12 14:20

　　隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)比重逐步加大,隧道工程是我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分。全斷面硬巖掘進機(Tunnel Boring Machine)因其快速高效、安全經(jīng)濟的施工方式,作為主要隧道掘進裝備被廣泛應(yīng)用于城市地鐵、市政管道、隧道交通等工程領(lǐng)域。盤形滾刀是安裝在TBM刀盤上的關(guān)鍵部件,在破巖過程中滾刀所受載荷及其在刀盤上的間距布置直接影響著滾刀的破巖效率,進而關(guān)系到隧道開挖的施工進度和成本。因此,基于滾刀破巖機理,利用有限元仿真和試驗的方法,深入研究TBM盤形滾刀破巖過程,這對于提高TBM掘進效率具有深遠意義。具體工作內(nèi)容如下:(1)介紹了盤形滾刀的結(jié)構(gòu)類型和巖石的力學特性,從理論上分析了滾刀破巖機理,并歸納總結(jié)了滾刀受力預測模型,為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)。(2)重點研究了掘進參數(shù)對滾刀受力的影響程度。利用ABAQUS軟件對雙滾刀順次破巖過程進行有限元仿真,分析雙滾刀作用下巖石破碎過程及破碎區(qū)應(yīng)力變化規(guī)律,即在雙刀協(xié)同破巖的作用下,巖石破碎區(qū)應(yīng)力的擴展形式為縱向及橫向擴展,破碎區(qū)域主要集中在應(yīng)力橫向擴展的交匯區(qū);根據(jù)不同掘進參數(shù)設(shè)計正交試驗,利用極差分析和方差分析得到貫入度、刀間距、滾壓線速度對滾刀受力的影響程度及顯著性,其中貫入度對滾刀受力的影響程度最大且影響顯著。(3)重點研究了刀間距對滾刀破巖效率的影響。利用ABAQUS軟件建立不同刀間距的滾刀破巖模型,仿真分析了刀間距對巖石破碎表面形貌及巖石破碎量的影響,提出了一種仿真過程中計算巖石破碎量的方法;同時,研究得出刀間距在66～90范圍變化時,巖石的破碎存在過度破碎、完全破碎、不完全破碎及形成巖脊四種形態(tài),其中刀間距為78mm時,巖石表面破碎最完整且破巖量最大,比能最小,破巖效率最高,為最優(yōu)刀間距。(4)利用掃描電鏡和三維成像CT對花崗巖、大理石、石灰石、片麻巖、砂巖五種巖石試樣進行結(jié)構(gòu)、成分及孔隙裂紋檢測,從微觀角度分析巖石的破碎機制。(5)利用滾刀破巖與耐磨試驗平臺,對貫入度、刀間距、滾壓線速度進行不同巖石的單因素試驗研究,重點分析了不同因素對破巖過程中滾刀受力、巖石破碎表面形貌、巖石破碎量及巖碴長軸大小的影響,確定了在該試驗下滾壓大理石的最優(yōu)刀間距;并對花崗巖等五種巖石的破碎表面形貌進行了橫向比較,結(jié)合巖石的結(jié)構(gòu)特點,分析其內(nèi)部孔隙度對巖石破碎的影響。上述研究結(jié)果為進一步改善滾刀破巖性能,優(yōu)化滾刀間距布置,提高全斷面硬巖掘進機破巖效率奠定了理論基礎(chǔ)。
【學位單位】：沈陽建筑大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：U455.4
【部分圖文】：

TBM雙滾刀破巖仿真分析及試驗研究