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全断面岩石隧道掘进机(以下简称TBM)在进行穿山越岭隧道等地下空间工程建设时,其位于刀盘上的盘形滚刀(以下简称滚刀)与掌子面岩石直接接触破岩;期间,由于地质条件复杂多变,加之滚刀切削工况恶劣,极易造成滚刀失效行为频发,并导致工程施工时间成本和刀具损耗成本大幅增加。本论文在深刻理解传统滚刀破岩机理和激光热裂成孔效应的基础上,针对“三高”(岩石高硬度、高围压、高石英含量)等特殊极端地层下滚刀贯入硬岩困难、刀圈径向磨损失效剧烈等问题,拟提出一种激光辅助TBM滚刀破岩的新构想,并尝试运用理论分析、有限元仿真和物理试验相结合的手段,以缩尺比例滚刀压头为研究对象,系统研究激光辅助TBM滚刀破岩过程中的切削载荷特性、宏微观岩石破坏机制和多因素影响规律,本论文主要研究工作如下:(1)基于热力学原理,运用ANSYS生死单元法,建立了激光破岩有限元模型,研究了不同功率下激光与花岗岩试样相互作用机制,所获岩石孔深/孔径随激光功率的变化规律与试验结果基本一致,验证了所建激光破岩有限元模型的正确性。(2)在LS-DYNA环境下,建立了花岗岩试样的HJC本构模型,对比分析了SHPB仿真与实验过程中花岗岩应力应变特性及其宏观破损形貌的异同,验证了花岗岩试样HJC本构模型在模拟瞬态非线性大变形问题上的有效性;进一步建立了滚刀侵岩有限元模型,通过开展滚刀侵岩仿真与物理试验,验证了所建有限元模型在预测滚刀切削载荷及岩石损伤形貌方面的有效性。(3)提出了可模拟激光辅助滚刀破岩过程的“两步法”,即第一步采用激光破岩有限元模型预测激光孔孔隙形貌;第二步在已有滚刀破岩有限元模型中重构出具有相同孔隙形貌的岩石HJC有限元模型。(4)基于前述“两步法”,初步开展了激光辅助缩尺比例滚刀破岩仿真研究,其结果表明:激光孔能有效降低滚刀破岩垂直力载荷,并促进了滚刀刃侧侧向裂纹向激光孔处扩展,使得破岩量大幅增加,从而显著降低了滚刀破岩比能耗。(5)开展了两因素(孔孔距和刀孔距)五水平的激光辅助滚刀侵岩正交试验,其研究结果表明:刀孔距过小时,花岗岩主要以挤压/剪切方式破碎;随着刀孔距的增加,张拉型破岩效果逐渐增强;当刀孔距超过临界值时,激光孔的存在对滚刀压头侵岩效果几乎无影响;在一定范围内,孔孔距越大,花岗岩破碎块度越高;激光孔的存在,扩大了滚刀侵岩破碎区域、增大了岩碴总质量和岩石破碎块度、降低了滚刀侵岩垂直力载荷、侵入难度系数和比能耗,使得滚刀破岩性能全面提升。本论文初步验证了激光辅助TBM破岩的可行性,提出了一种满足工程精度要求的“两步法”激光辅助TBM滚刀破岩仿真建模方法,并初步探究获得了激光辅助滚刀破岩的最优切削参数。本论文的研究成果对于今后探讨激光辅助滚刀破岩技术具有一定的参考价值。