长按识别二维码阅读全文
考虑破岩模式的TBM滚刀破岩力计算模型
在TBM破岩过程中，刀盘上的滚刀作为核心零部件直接作用在岩石表面，盘形滚刀由于其耐用、高效等优点被广泛应用于硬岩隧道开挖。然而由于硬质岩石的强度较高，在开挖过程中往往会出现刀具损耗大、掘进效率低下等问题。因此，对滚刀破碎硬岩过程及岩石破碎机理进行分析，建立不同破岩模式下的刀具受力计算方法，有利于准确分析刀盘推力、扭矩以及TBM掘进性能，对于提高破岩效率具有重要意义。
针对滚刀破岩过程，国内外学者通过理论及试验分析，推导出了颇具代表性的滚刀荷载计算模型，如拉压、压剪和经验数据模型等。这些模型都能正确地反映出破岩力随贯入度的变化趋势及岩石破碎过程，但是利用不同模型计算出的破岩力值之间却存在着较大的差别。EVANS在研究单把滚刀破岩过程时发现：当岩石受力较大且超过其单轴抗压强度时，岩石便会破坏并伴随着岩片的产生，故其认为主要是挤压破坏导致了岩片的形成且滚刀受力与岩石破碎区域在自由面上的投影面积成正比例关系，由于该模型未考虑岩石破碎角的影响，其破岩力理论值远小于实际值；ROXBOROUGH认为还需在EVANS理论的基础上考虑岩石的剪切破坏，才能使滚刀受力模型与实际吻合，并提出了对应的计算模型，但是在垂直力计算中没有考虑滚刀协同效应；ROSTAMI等以楔形刃为基础开展相关室内破岩试验，针对近似常截面滚刀提出了相应的刀具荷载计算模型，但其在垂直力计算过程中未考虑非协同工况，预测精度有待进一步提高；东北工学院、上海交通大学等科研机构中的金国栋、孙鸿范等也对此进行了相应的研究，但是其在垂直力计算模型中未考虑剪切分量，也没有考虑刀具之间的相互影响。总体上说，现阶段对于破岩力的分析多是以单把滚刀破岩过程为基础，没有考虑滚刀间的协同效应，又或是忽略了垂直破岩力剪切分量，导致破岩力模型预测精度不足，故有必要对新的更精确的破岩力计算模型进行探究。
针对上述问题，笔者通过分析不同刀间距和贯入度组合下的岩石破坏模式，以岩石破坏掉块的主导因素为切入点(协同模式下为压拉破坏，非协同模式下为压剪破坏)，提出了新的破岩力计算模型；鉴于离散元计算在裂纹分析方面的优越性，建立盘形滚刀线性破岩三维离散元仿真模型对岩石破碎全过程进行分析，确定贯入度和侧向裂纹长度之间的关系，分析多种刀间距和贯入度组合下的破岩模式，并对破岩模式划分理论进行了验证；通过分析不同破岩模式下的裂纹分布情况，建立对应的破碎岩石体积的计算方法，推导出了比能耗计算模型。同时，利用相关试验数据和已有破岩力计算模型对新模型的合理性进行了验证。
图 1 不同破岩模式示意
图 2 滚刀安装及受力示意
图 3 岩石受压破坏过程力学示意
图 4 协同破岩受力示意
图 5 非协同破岩受力示意
图 6 滚动力求解示意
图 7 单滚刀线性破岩仿真模型
图 8 双滚刀线性破岩仿真模型
图 9 仿真试验裂纹形式与水平应力分布
图 10 不同刀间距下破岩力随贯入度变化曲线
图 11 岩渣破碎厚度比拟合结果
图 12 不同破岩模式下的裂纹分布及破碎区域示意
图 13 不同刀间距下比能耗随贯入度变化曲线
曹久磊，男，1996年7月生，安徽蚌埠人，共青团员，硕士研究生，发表学术论文1篇。
俞缙，男，1978年7月生，江苏苏州人，民进会员。博士（后），华侨大学教授、博士生导师。入选福建省高层次人才、福建省高校新世纪优秀人才等。现任福建省岩石力学与工程学会副理事长、中国岩石力学与工程学会地下工程分会和工程安全与防护分会常务理事、岩石动力学专委会常务委员；《岩土工程学报》、《岩土力学》、《隧道与地下工程灾害防治》等期刊编委；厦门市政协委员，民进厦门市委常委等。主持国家自然科学基金项目5项，发表SCI和EI收录80余篇，其中热点论文和高被引论文3篇,H因子22，出版学术专著2部，主编教材1部，副主编一级学会团标1部，授权发明专利16项。作为主要完成人获得福建省科技进步一等奖、二等奖，厦门市科技进步一等奖、二等奖、中国岩石力学与工程学会自然科学二等奖各一项，个人荣获中国岩石力学与工程学会青年科技奖银奖、福建省运盛青年科技奖、紫金科技创新奖、福建省自然科学优秀学术论文一等奖等奖项，并获得厦门市青年五四奖章、厦门市最美科技工作者等荣誉称号。
来源：
曹久磊，俞缙，张竹清，等. 考虑破岩模式的 TBM 滚刀破岩力计算模型[J]. 煤炭学报，2023，48(8):3300−3311.
