全断面掘进机滚刀破岩机理及优化布刀研究

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全断面掘进机(TBM)作为一种快速、高效、安全、经济的地下工程设备在我国得到广泛应用和飞速发展。盘形滚刀作为盾构掘进机在掘进过程中破岩的主要刀具,其破碎效率直接影响了地下工程施工的效率和成本。实践证明TBM在硬岩地质条件下施工过程中,刀具的费用要达到机组施工成本的三分之一左右。故对岩石破碎机理进行深入研究很有理论价值和工程指导意义。刀盘设计是TBM的设计关键,是影响其掘进性能的决定性因素。其中,刀具的布置更是影响刀具的破岩效率、刀盘的受力平衡、刀盘工作时的稳定性、刀具间载荷分布的均匀性以及工作平面的稳定性等性能指标的重要因素。故有必要对刀具优化布置进行研究。本文的主要研究工作有:(1)滚刀作用下的岩石破碎机理及滚刀受力模型:总结了滚刀结构和选型、归纳了滚刀受力预测模型、研究了岩石力学性质、岩石损伤现象及破坏机理、岩石本构关系的细微统计损伤模型,分析了盘形滚刀破岩机理,为数值仿真奠定理论基础。(2)采用数值方法模拟的单刀、双刀、三刀作用下盘形滚刀破岩过程,结果表明滚刀作用下岩石破裂过程分为粉末体出现、粉核体形成、侧向裂纹产生与扩展、破碎块体产生四个阶段。多刀具同时作用下,能够促进裂纹的扩展和贯通。分析不同工况(围压、岩石强度、刀圈截面、刀间距等)下的岩石破裂模式和载荷数据,得出高效合理的破岩条件和参数。(3)采用显示动力学方法模拟盘形滚刀到破碎岩石的连续过程,得到了整个过程中滚刀和岩石的应力应变特性。(4)建立滚刀的优化布刀模型,采用遗传算法求解优化模型的布刀方案,与现有布刀方案比较,各项指标均有较大改善,验证了优化模型可行性和有效性。
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