TBM掘進(jìn)機(jī)在隧道和輸水隧洞開(kāi)挖方面有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì),而TBM掘進(jìn)機(jī)能夠不斷掘進(jìn)開(kāi)挖巖石依靠的是TBM刀盤(pán)前端的滾刀,包括單刃滾刀、雙刃滾刀及多刃滾刀等。由于實(shí)際隧洞開(kāi)挖工程中破巖條件十分復(fù)雜,所以為保障隧洞工程開(kāi)挖的正常高效進(jìn)行,滾刀破巖的機(jī)理及破巖過(guò)程中滾刀的受力情況亟待深入研究。相關(guān)研究旨在為T(mén)BM掘進(jìn)機(jī)實(shí)際施工與設(shè)備的設(shè)計(jì)及制造提供部分理論參考。本文依據(jù)國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“基于離散單元法的隧洞掘進(jìn)中巖體破碎機(jī)理及滾刀破巖過(guò)程優(yōu)化研究”,以現(xiàn)階段主流的經(jīng)典滾刀破巖預(yù)測(cè)模型及相關(guān)的理論為出發(fā)點(diǎn),建立新的滾刀破巖預(yù)測(cè)模型,并采用離散元軟件EDEM進(jìn)行相關(guān)的模擬驗(yàn)證工作。主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)總結(jié)現(xiàn)階段滾刀破巖試驗(yàn)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(diǎn)。同時(shí)對(duì)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(cè)模型建立了適用于CCS型滾刀的新滾刀破巖模型-RCC預(yù)測(cè)模型,包括滾刀垂直力預(yù)測(cè)模型、滾動(dòng)力預(yù)測(cè)模型以及側(cè)向力預(yù)測(cè)模型。(2)根據(jù)相關(guān)的滾刀破巖試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)新的滾刀破巖預(yù)測(cè)模型進(jìn)行計(jì)算分析,并與經(jīng)典預(yù)測(cè)模型進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證RCC預(yù)測(cè)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(pán)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(yàn)證本文所建單滾刀破巖預(yù)測(cè)模型的合理性及準(zhǔn)確性。并對(duì)雙滾刀破巖過(guò)程中滾刀的受力情況與不同刀間距對(duì)破巖的影響進(jìn)行探究,探究雙滾刀破巖時(shí)最優(yōu)刀間距的大小。最后對(duì)刀盤(pán)掘進(jìn)破巖過(guò)程中刀盤(pán)的受力情況與刀盤(pán)掘進(jìn)破巖效果進(jìn)行研究分析,為T(mén)BM掘進(jìn)開(kāi)挖的實(shí)際施工過(guò)程及刀盤(pán)設(shè)計(jì)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(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類(lèi)】：TV554
【部分圖文】：

著中國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展，中國(guó)逐漸在國(guó)際上確立了“基建大國(guó)”的地位。在建工程中，隧道、輸水隧洞的開(kāi)挖等工程占較大比例，掘進(jìn)機(jī)（TBM）在隧隧洞開(kāi)挖方面有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)，使用掘進(jìn)機(jī)在隧洞掘進(jìn)中由于其施工擾動(dòng)工效率高以及在長(zhǎng)隧洞施工的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)顯著等特點(diǎn)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于我國(guó)的水，能源工程，交通工程和國(guó)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(kāi)挖，和傳統(tǒng)的鉆爆法相比， 對(duì)圍巖擾動(dòng)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(guó)際上采用全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)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(guó)第一個(gè)在中國(guó)水利行業(yè)使用 TBM 施工技術(shù)的引水隧洞。近年來(lái)，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(xiàng)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(jí)水電站工程等。

階段是相鄰滾動(dòng)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(shí)，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(guò)程是滾刀持續(xù)向巖石施加荷載進(jìn)而巖石破壞的過(guò)程，TBM 滾刀在液壓推進(jìn)系統(tǒng)的不斷推動(dòng)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(shí)核。隨著巖石破碎過(guò)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(shí)核外的區(qū)域開(kāi)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(shí)巖石上就會(huì)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(yùn)出，完成一次完整的破巖過(guò)程。結(jié)合TBM滾刀破巖時(shí)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(wàn)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P(yáng)aul與Sikasskic[7]等學(xué)者通過(guò)分析滾刀破巖試驗(yàn)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(qiáng)度準(zhǔn)則建立的張拉破巖機(jī)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(kāi)始擴(kuò)展、形成壓碎區(qū)、巖石強(qiáng)度失效及斷裂體形成等過(guò)程。圖1.5 巖石張拉破壞示意圖1.2.2 滾刀破巖試驗(yàn)研究
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