多滾刀協同破巖過程數值模擬與滾刀布置規(guī)律研究

劉亞迪 ，齊文聰 ，劉浩飛 ，亢一瀾 ，張 茜

（天津大學 機械工程學院, 天津 300350）

0 引 言

在地下空間廣泛被開發(fā)利用的今天，全斷面隧道掘進機以其效率高、穩(wěn)定性強等優(yōu)點被廣泛應用于地下空間的建設中。刀盤是TBM 前端的關鍵結構，具有切削巖石、維持掘進面穩(wěn)定等功能[1]。滾刀為刀盤上實現破巖功能的直接工具，在裝備動力系統的作用下，多把滾刀同時擠壓、破碎巖石。滾刀在刀盤上的不同安裝布置方式會影響刀盤整體破巖效果。因此，如何科學描述多把滾刀共同作用下的巖石破壞過程，分析滾刀不同安裝參數下破巖載荷與能耗的變化規(guī)律，是實現刀盤滾刀群合理布置，提升裝備掘進性能的基礎和關鍵問題。

圍繞TBM 裝備滾刀破巖過程，國內外學者開展了滾刀-巖體相互作用與載荷變化規(guī)律的相關建模研究，經典工作如科羅拉多礦業(yè)學院通過試驗與工程經驗結合的方法分析了單把滾刀破巖載荷隨地質的變化規(guī)律，提出了用于預測單刀破巖載荷的半經驗模型-Colorado School of Mines（CSM）模型[2]。此外，周思陽等[3]從分析裝備和地質相互作用的力學特征入手，對不同地質條件和不同操作狀態(tài)下TBM裝備總推力進行預估計算，為裝備載荷優(yōu)化設計提供參考依據；GONG 等[4]基于工程中所建立的包含巖體特性和TBM 掘進性能數據庫，通過非線性回歸分析方法，建立了TBM 掘進速度的預測模型。除了上述建模方法，實驗室試驗研究也是分析滾刀破巖過程的重要手段，相關試驗方法主要包括：能考慮弱尺度和弱邊界效應的全尺寸線性切削試驗（Liner Cutting Machine, 簡稱LCM）；……