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Differentiation and analysis on rock breaking characteristics of TBM disc cutter at different rock temperatures 被引量:5
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作者 谭青 张桂菊 +1 位作者 夏毅敏 李建芳 《Journal of Central South University》 SCIE EI CAS CSCD 2015年第12期4807-4818,共12页
In order to study rock breaking characteristics of tunnel boring machine(TBM) disc cutter at different rock temperatures,thermodynamic rock breaking mathematical model of TBM disc cutter was established on the basis o... In order to study rock breaking characteristics of tunnel boring machine(TBM) disc cutter at different rock temperatures,thermodynamic rock breaking mathematical model of TBM disc cutter was established on the basis of rock temperature change by using particle flow code theory and the influence law of interaction mechanism between disc cutter and rock was also numerically simulated.Furthermore,by using the linear cutting experiment platform,rock breaking process of TBM disc cutter at different rock temperatures was well verified by the experiments.Finally,rock breaking characteristics of TBM disc cutter were differentiated and analyzed from microscale perspective.The results indicate the follows.1) When rock temperature increases,the mechanical properties of rock such as hardness,and strength,were greatly reduced,simultaneously the microcracks rapidly grow with the cracks number increasing,which leads to rock breaking load decreasing and improves rock breaking efficiency for TBM disc cutter.2) The higher the rock temperature,the lower the rock internal stress.The stress distribution rules coincide with the Buzin Neske stress circle rules: the maximum stress value is below the cutting edge region and then gradually decreases radiant around; stress distribution is symmetrical and the total stress of rock becomes smaller.3) The higher the rock temperature is,the more the numbers of micro,tensile and shear cracks produced are by rock as well as the easier the rock intrusion,along with shear failure mode mainly showing.4) With rock temperature increasing,the resistance intrusive coefficients of rock and intrusion power decrease obviously,so the specific energy consumption that TBM disc cutter achieves leaping broken also decreases subsequently.5) The acoustic emission frequency remarkably increases along with the temperature increasing,which improves the rock breaking efficiency. 展开更多
关键词 tunnel boring maching(TBM) disc cutter rock temperature rock breaking characteristic numerical simulation
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TBM常截面盘形滚刀破岩过程受力研究
2
作者 李忠艳 刘杨 +2 位作者 张雯超 吴志强 李瑞红 《人民长江》 北大核心 2025年第1期173-179,204,共8页
针对目前工程上常用的常截面盘形滚刀受力分析问题,应用有限元方法建立了滚刀破岩的三维旋转切割模型,模拟滚刀破岩过程。通过计算得出常截面盘形滚刀破岩时的切削力,并与实验数据和文献数据进行比较,结果表明模拟的滚刀切削力与实际情... 针对目前工程上常用的常截面盘形滚刀受力分析问题,应用有限元方法建立了滚刀破岩的三维旋转切割模型,模拟滚刀破岩过程。通过计算得出常截面盘形滚刀破岩时的切削力,并与实验数据和文献数据进行比较,结果表明模拟的滚刀切削力与实际情况较为吻合,验证了仿真模拟的可靠性。同时,滚刀破岩掘进试验结果表明,所测滚刀垂直力随时间变化曲线与仿真结果一致,呈波动特征,且滚刀切削力试验值与仿真数据误差较小。进一步将模拟数据与科罗拉多矿业大学(CSM)模型对比,发现整体结果较CSM模型值偏大,但与实验值更接近。通过对仿真模型岩石强度、掘进加载速率、刀刃宽度3个因素进行参数敏感性分析,得出在相同贯入度下,垂直力随上述因素的增大而提高,但掘进加载速率对垂直力的影响较小。相关成果可为TBM隧道的掘进设计与施工提供参考。 展开更多
关键词 滚刀破岩 切削力 有限元 掘进试验 CSM模型
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TBM不均匀磨损盘形滚刀破岩力研究
3
作者 张照煌 王鑫鑫 +1 位作者 卓兴建 贾连辉 《力学学报》 北大核心 2025年第5期1188-1201,共14页
全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀破岩力研究一直是领域研究热点,但目前对盘形滚刀破岩力研究多以室内切割试验和数值模拟为主,相应的研究成果多为经验模型,难以全面反映实际工程中滚刀不均匀磨损对破岩力的影响.据此,基于塑性力学理论结... 全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀破岩力研究一直是领域研究热点,但目前对盘形滚刀破岩力研究多以室内切割试验和数值模拟为主,相应的研究成果多为经验模型,难以全面反映实际工程中滚刀不均匀磨损对破岩力的影响.据此,基于塑性力学理论结合数值模拟与理论分析,揭示了盘形滚刀作用下岩石的“塑-脆”特性,推导并建立了磨损盘形滚刀破岩法向力与滚动力理论方程,经验证误差小于4%.通过ABAQUS软件建立了不均匀磨损盘形滚刀破岩数值模型,对比研究了不均匀磨损盘形滚刀破岩力和破岩比能,首次将不均匀磨损盘形滚刀破岩过程划分为可接受、过渡和不可接受非协同破岩3个阶段.建立了不同安装半径下不均匀磨损盘形滚刀破岩比能预测理论,经验证最大误差为6.5%,并首次定义了衡量破岩非协同性程度的不均匀磨损盘形滚刀破岩性能指标η.研究结果表明,不均匀磨损盘形滚刀破岩力随磨损量增加而增大,破岩比能随磨损量和安装半径增加而增大,且具有明显区间效应.论文研究为TBM作业刀具更换和不均匀磨损盘形滚刀破岩力和比能预测提供了有益参考和借鉴. 展开更多
关键词 全断面岩石掘进机 不均匀磨损 盘形滚刀 破岩力
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TBM盘形滚刀接岩域应力分布规律
4
作者 张照煌 韩东 +2 位作者 司健康 苏翠侠 贾连辉 《中国工程机械学报》 北大核心 2025年第4期633-638,共6页
破岩力是盘形滚刀设计、磨损分析以及破岩增效的基础,也是TBM设计的主要依据。在给定盘形滚刀与岩石接触区域应力分布公式的基础上,研究了公式中的关键参数——分布指数(χ)。通过盘形滚刀线性破岩的数值模拟和理论分析,研究了17"... 破岩力是盘形滚刀设计、磨损分析以及破岩增效的基础,也是TBM设计的主要依据。在给定盘形滚刀与岩石接触区域应力分布公式的基础上,研究了公式中的关键参数——分布指数(χ)。通过盘形滚刀线性破岩的数值模拟和理论分析,研究了17"和19"平刃和圆刃等截面(CCS)盘形滚刀接岩域应力分布规律,发现了χ与盘形滚刀刃型、尺寸以及贯入度的关系,并分别建立了χ的理论表达式及相应盘形滚刀垂直破岩力预测理论。结果表明:盘形滚刀的尺寸对应力分布影响较小;圆刃滚刀χ值受到贯入度的影响较大;应用文中所建盘形滚刀垂直破岩力预测理论,预测值与模拟值相比,相对误差均小于10%。本研究为TBM盘形滚刀破岩刃接岩域应力分布和垂直破岩力预测提供了有益借鉴。 展开更多
关键词 盘形滚刀 破岩力 贯入度 刃型 应力分布
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基于小尺度滚刀直线切割试验的岩石强度预测
5
作者 耿麒 李晓斌 +4 位作者 黄雨枫 汪学斌 杨沐霖 郭惠川 章慧健 《山东大学学报(工学版)》 北大核心 2025年第3期111-120,共10页
为支撑岩土、隧道工程中的岩石选样及现场施工的岩石强度测试,研究利用小尺度滚刀直线切割试验反推岩石强度。从隧道工程现场和岩石矿场采集单轴抗压强度为50~230 MPa的岩石试样共9批次,制备棒状和块状试样并分别开展单轴压缩、巴西劈... 为支撑岩土、隧道工程中的岩石选样及现场施工的岩石强度测试,研究利用小尺度滚刀直线切割试验反推岩石强度。从隧道工程现场和岩石矿场采集单轴抗压强度为50~230 MPa的岩石试样共9批次,制备棒状和块状试样并分别开展单轴压缩、巴西劈裂和小尺度滚刀直线切割试验;选取其中7批次试验数据,分别得到单轴抗压强度、劈裂抗拉强度与直线切割试验的法向力均值、峰值及峰均值的拟合函数,用剩余2批次试验结果验证所得预测模型的准确性。结果表明:岩石单轴抗压强度与法向载荷的拟合相关系数大于0.9,劈裂抗拉强度与法向载荷的拟合相关系数大于0.8,说明岩石强度与切割载荷成强线性相关性;验证试验发现,利用法向力均值、峰均值验证时,岩石单轴抗压强度的预测值与试验值误差小于5%,劈裂抗拉强度的预测值与试验值误差小于10%,说明所建模型具有较高的准确性。使用本研究所提出的试验方法及所建模型,可以快速准确地预估岩石试样的强度,为室内试验时岩石采样和现场施工时岩石强度评估提供了一种有效的手段。 展开更多
关键词 滚刀破岩 岩石强度 直线切割试验 缩尺试验 预测模型
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临空面辅助的TBM滚刀群掘进试验与数值模拟
6
作者 耿麒 赵振平 +7 位作者 陈建勋 刘伟伟 罗彦斌 马茂勋 李东 冯如兵 吴特力根 李坤 《浙江大学学报(工学版)》 北大核心 2025年第4期759-768,共10页
为了揭示临空面下全断面岩石隧道掘进机(TBM)滚刀群动态掘进效果,开展中导洞辅助下全尺度滚刀群掘进围岩室内试验,进行预切槽辅助下全尺度滚刀群掘进围岩数值模拟,评价分级刀盘式和水射流辅助式TBM的临空面辅助围岩掘进特性与效果.对于... 为了揭示临空面下全断面岩石隧道掘进机(TBM)滚刀群动态掘进效果,开展中导洞辅助下全尺度滚刀群掘进围岩室内试验,进行预切槽辅助下全尺度滚刀群掘进围岩数值模拟,评价分级刀盘式和水射流辅助式TBM的临空面辅助围岩掘进特性与效果.对于单轴抗压强度约为40 MPa的围岩,中导洞临空面结构呈“竖直—倾斜—水平—竖直”演化规律,影响区域集中在近临空面侧2~4把滚刀,临空面的临界间距和高度分别为180、130 mm,掘进推力降低10%~20%,围岩可掘进性提升6.7%~21.0%.破岩载荷随同心环预切槽深度增大而先减小后稳定,破岩效率随切槽深度增大而先提高后稳定.切槽深度的临界值为40 mm,与无预切槽情况相比,掘进推力减小至少36%,掘进效率提升至少56%.增大临空面影响范围可提升分级刀盘式TBW破岩掘进效果. 展开更多
关键词 全断面岩石隧道掘进机 临空面 滚刀破岩 刀盘掘进 预切槽
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滚刀结构对微波辅助破岩效率的影响研究
7
作者 杜林 温森 +1 位作者 孔庆梅 张敏 《河南大学学报(自然科学版)》 北大核心 2025年第4期461-475,共15页
为探究滚刀结构对微波辅助破岩效率的影响,以花岗岩在微波前后的温度变化、强度损伤和裂纹特征为依据,采用离散元程序(PFC2D)建立微波辅助TBM双刃滚刀破岩模型,从滚刀法向力、裂纹扩展和破岩效率对不同刃形和刃宽的滚刀进行破岩效果分析... 为探究滚刀结构对微波辅助破岩效率的影响,以花岗岩在微波前后的温度变化、强度损伤和裂纹特征为依据,采用离散元程序(PFC2D)建立微波辅助TBM双刃滚刀破岩模型,从滚刀法向力、裂纹扩展和破岩效率对不同刃形和刃宽的滚刀进行破岩效果分析.结果表明:在贯入度16 mm和刀间距180 mm范围内,滚刀平均法向力和平均破岩比能随着滚刀刃宽的增加而增加,且相同刃宽时,弧形滚刀的平均法向力、岩体破碎面积和破岩比能均小于锥形滚刀;弧形滚刀和锥形滚刀在微波辅助破岩时产生的损伤裂纹均以垂直于滚刀贯入方向的侧向裂纹为主,随着刃宽的增加,岩体底部在滚刀挤压作用下产生沿滚刀贯入方向的纵向裂纹,其中,锥形滚刀产生的裂纹效果更为显著;综合破岩效率和耐磨性能的考虑,选用弧形截面、刃宽18 mm、刀间距90 mm的双刃滚刀与微波进行联合破碎此类硬岩较为合理. 展开更多
关键词 滚刀破岩 微波辅助 滚刀结构 比能 离散元
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刃宽对硬岩掘进影响的仿真及试验研究
8
作者 尚勇 孙靖东 +3 位作者 姜海峰 许顺海 段红磊 孙朝阳 《工程科学学报》 EI 北大核心 2025年第1期13-24,共12页
滚刀在硬岩掘进中极易发生崩刃、偏磨等异常失效,研究硬岩掘进条件下刃型参数对滚刀破岩载荷和破岩效率的影响十分重要.本文采用滚刀破岩试验和仿真分析相结合的方法,从载荷曲线、破岩体积、破岩比能等方面分析了刃宽对滚刀破岩的影响.... 滚刀在硬岩掘进中极易发生崩刃、偏磨等异常失效,研究硬岩掘进条件下刃型参数对滚刀破岩载荷和破岩效率的影响十分重要.本文采用滚刀破岩试验和仿真分析相结合的方法,从载荷曲线、破岩体积、破岩比能等方面分析了刃宽对滚刀破岩的影响.基于双线性本构模型及Benzeggagh–Kenane损伤断裂准则建立了岩石材料的内聚力本构模型,通过单轴抗压试验及巴西劈裂试验对内聚力本构模型的微观参数进行了校准,并进一步建立了滚刀破岩的内聚力仿真模型.结果表明:内聚力本构模型可以准确的模拟破岩过程中岩石裂纹的萌生和扩展过程.依据裂纹的萌生和扩展情况,滚刀破岩过程主要分为三个阶段:弹性阶段、裂纹萌生–扩展阶段及岩石破坏卸载阶段.滚刀破岩载荷和破岩体积随着贯入度、刀间距和刃宽的增加而增加;破岩比能随刃宽的增加呈先减小后增大的趋势.对于所选取的硬岩,采用13 mm刃宽滚刀破岩时比能最小,破岩效率最高;7 mm刃宽滚刀破岩时无法形成贯通岩片,相邻滚刀之间仍存在岩脊,破岩效率较低. 展开更多
关键词 滚刀刃宽 Cohesive模型 线切割试验 破岩载荷 破岩效率
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基于FEM-SPG耦合的盾构滚刀破岩仿真研究 被引量:1
9
作者 肖毅凯 董磊 《煤矿机械》 2025年第1期196-199,共4页
隧道施工过程中岩石在盾构滚刀破岩力的作用下会发生破碎,传统的有限元方法(FEM)无法探究这一现象。为解决使用FEM面临网格畸变及无法同时分析岩石破碎的问题,引入光滑粒子伽辽金(SPG)分析方法,通过FEM和SPG耦合的方式建立了滚刀回转切... 隧道施工过程中岩石在盾构滚刀破岩力的作用下会发生破碎,传统的有限元方法(FEM)无法探究这一现象。为解决使用FEM面临网格畸变及无法同时分析岩石破碎的问题,引入光滑粒子伽辽金(SPG)分析方法,通过FEM和SPG耦合的方式建立了滚刀回转切削岩石模型。结果表明:FEM-SPG方法能够有效地展示岩石的密实核破碎过程及岩渣飞溅的现象。通过与CSM模型进行对比验证,发现仿真得到的滚刀垂直力与CSM模型相比误差为1.8%,验证了模型的可靠性。该方法与模型能够为滚刀精准破岩研究及分析岩石破碎机理提供新思路。 展开更多
关键词 盾构滚刀 破岩力 回转切削岩石模型 FEM-SPG
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基于试验和数值模拟的滚刀旋转破岩受力和效率研究
10
作者 张弛 邓龙传 +3 位作者 庄欠伟 李晓昭 王秋平 乔梁 《岩土力学》 北大核心 2025年第9期2995-3006,共12页
提高滚刀破岩效率和减轻磨损始终是硬岩掘进中一项具有挑战性的任务,因此在实际工程之前关键是确定最佳掘进参数。模型试验对于分析滚刀荷载性能至关重要,采用了新型全尺寸旋转破岩平台以研究滚刀受力特征并获得最佳掘进参数。此外,采... 提高滚刀破岩效率和减轻磨损始终是硬岩掘进中一项具有挑战性的任务,因此在实际工程之前关键是确定最佳掘进参数。模型试验对于分析滚刀荷载性能至关重要,采用了新型全尺寸旋转破岩平台以研究滚刀受力特征并获得最佳掘进参数。此外,采用了有限元法来深化试验分析并提出新见解。基于模型试验初步揭示了滚刀破岩受力和效率随切削深度和切削半径的变化:确定了100 mm刀间距的最佳切削深度为6 mm;随着切削深度增加,岩渣累计百分比先减小后增大;根据滚刀侵入过程的裂纹扩展特征证明了有限元数值模型的准确性,法向滚刀破岩性能数值结果与模型试验结果一致。试验结果为优化刀盘布局和减少滚刀磨损提供了数据支撑。 展开更多
关键词 旋转切削平台 滚刀 有限元法 破岩效率 机械开挖
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TBM盘形滚刀破岩过程的数值模拟综述
11
作者 吴深 韩书晴 +2 位作者 肖艳秋 崔光珍 周向葵 《科学技术与工程》 北大核心 2025年第28期11877-11887,共11页
作为TBM破岩的核心部件,盘形滚刀在复杂工况下易出现磨损速率增加和异常磨损现象,导致滚刀破岩效率降低,严重情况下造成刀盘损坏迫使设备停机以进行刀具更换,延长施工周期。影响滚刀破岩效果的因素多且复杂,包括掘进参数、滚刀特性和岩... 作为TBM破岩的核心部件,盘形滚刀在复杂工况下易出现磨损速率增加和异常磨损现象,导致滚刀破岩效率降低,严重情况下造成刀盘损坏迫使设备停机以进行刀具更换,延长施工周期。影响滚刀破岩效果的因素多且复杂,包括掘进参数、滚刀特性和岩体性质等,采用数值模拟方法可以迅捷准确地模拟滚刀破岩运动过程并输出相关结果,在破岩过程模拟和监测掘进面具有显著优势。系统分析现有隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀在破岩过程模拟中有限元法、离散元法和耦合法的优劣及应用场景,探讨数值模拟在滚刀破岩中的应用现状和发展方向。耦合法能精确捕捉不同物理场之间的动态交互,为复杂系统的深入分析与预测提供更为全面的数据支持,提升滚刀的破岩效率和使用寿命。未来研究可围绕耦合法对破岩过程进行数值模拟,实现多平台结合下的精确模拟分析,以满足工程实际需求。 展开更多
关键词 盘形滚刀 破岩过程 有限元模拟 离散元模拟 耦合模拟
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深地TBM双滚刀作用下岩体破碎能量特征研究
12
作者 高锋 刘小亮 +1 位作者 赵强 邵静静 《矿业研究与开发》 北大核心 2025年第11期29-37,共9页
针对全断面岩石掘进机(TBM)面临的深地高围压复杂条件下高效破岩技术与理论难题,系统探究了深地TBM双滚刀破岩能量演化与耗散特征。基于Abaqus非线性有限元软件构建双滚刀侵入破岩数值模型,分析变围压条件下岩体损伤破坏过程与能量演化... 针对全断面岩石掘进机(TBM)面临的深地高围压复杂条件下高效破岩技术与理论难题,系统探究了深地TBM双滚刀破岩能量演化与耗散特征。基于Abaqus非线性有限元软件构建双滚刀侵入破岩数值模型,分析变围压条件下岩体损伤破坏过程与能量演化特征,研究围压、岩石单轴抗压强度、刀刃宽度、刀间距对岩体能量耗散的影响。研究结果表明:围压会显著改变岩体损伤破坏模式,围压较小时,岩体以纵向损伤发育为主导,围压增大会促进侧向损伤发育,出现拉剪复合断裂;围压为25MPa时,能量突变耗散速率达到峰值,最早进入能量稳定耗散阶段;岩石抗压强度与能量耗散呈非线性关联,贯入度大于1mm时,岩石抗压强度为105MPa能量耗散率最低,该条件下岩石易发生破碎;在高贯入度条件下,增加刀刃宽度和刀间距可以促进岩体内部能量释放,提高TBM掘进效率。研究成果可为深部工程TBM掘进节能增效提供理论依据。 展开更多
关键词 深部掘进 能量耗散 围压 岩体破碎 滚刀参数
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基于水射流切缝辅助破岩的TBM刀盘载荷特性研究
13
作者 唐崇茂 《地下空间与工程学报》 北大核心 2025年第4期1258-1268,共11页
全断面隧道掘进机(TBM)在穿越坚硬岩层时面临破岩困难、刀具损耗大等问题,导致掘进效率低、施工成本高。为提高TBM刀盘破岩性能,各种新型辅助破岩技术备受关注,其中水射流辅助破岩潜力巨大。采用具备水射流切缝功能的滚刀破岩实验台研... 全断面隧道掘进机(TBM)在穿越坚硬岩层时面临破岩困难、刀具损耗大等问题,导致掘进效率低、施工成本高。为提高TBM刀盘破岩性能,各种新型辅助破岩技术备受关注,其中水射流辅助破岩潜力巨大。采用具备水射流切缝功能的滚刀破岩实验台研究了单缝和双缝辅助滚刀破岩效果,发现其存在“临界间距”的规律,基于此规律建立了单侧和双侧切缝辅助滚刀破岩的载荷模型;提出了一种水射流喷头在TBM刀盘上的布置方法并建立了刀盘的倾覆力矩、径向力、推力和扭矩计算模型。结果表明:采用基于临界间距比值S/S_(max)的载荷模型能够反映出滚刀及刀盘载荷降低及变化规律,可以作为水射流切缝辅助破岩和水射流TBM刀盘载荷的一种参考计算方法。 展开更多
关键词 全断面隧道掘进机 滚刀 水射流 辅助破岩 载荷模型
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双模盾构在不同模式下掘进性能与滚刀寿命研究
14
作者 杨延栋 周凯 +3 位作者 周建军 王承山 李帅远 杨国军 《铁道标准设计》 北大核心 2025年第6期151-157,共7页
为了评价双模盾构在不同模式下的掘进性能与滚刀寿命,针对深大城际铁路先开段隧道工程左右线479~562环全断面微风化花岗岩的盾构掘进段,采用数理统计的研究方法,统计分析双模盾构在基本相同地层、不同掘进模式条件下的掘进参数与滚刀磨... 为了评价双模盾构在不同模式下的掘进性能与滚刀寿命,针对深大城际铁路先开段隧道工程左右线479~562环全断面微风化花岗岩的盾构掘进段,采用数理统计的研究方法,统计分析双模盾构在基本相同地层、不同掘进模式条件下的掘进参数与滚刀磨耗数据。结果表明,当盾构推力、贯入度、贯入指数3个参数接近的情况下,TBM掘进模式比EPB掘进模式掘进工效提高约50%,破岩能效提高约15%;双模盾构在TBM模式下提高刀盘转速是提升掘进效率的重要措施,降低土仓内岩渣的堆积高度是提升破岩能效的重要措施;刀盘上绝大部分位置的滚刀在TBM模式下的累计磨损量和破岩体积磨损速率均小于EPB模式,EPB相比TBM模式滚刀寿命缩短44%,TBM相比EPB模式滚刀寿命提高78%,双模盾构在EPB模式下降低土仓内岩渣的堆积高度是提高滚刀寿命的重要措施。建议双模盾构在EPB模式下尽量降低土仓底部岩渣堆积高度,在TBM模式下尽量提高刀盘转速,有利于提高双模盾构掘进性能、延长滚刀寿命。 展开更多
关键词 铁路隧道 双模盾构 掘进性能 滚刀寿命 掘进参数 滚刀磨耗 掘进工效 破岩能效
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Rock deformation equations and application to the study on slantingly installed disc cutter 被引量:18
15
作者 Zhao-Huang Zhang Liang Meng Fei Sun 《Acta Mechanica Sinica》 SCIE EI CAS CSCD 2014年第4期540-546,共7页
At present the mechanical model of the interac- tion between a disc cutter and rock mainly concerns indentation experiment, linear cutting experiment and tunnel boring machine (TBM) on-site data. This is not in line... At present the mechanical model of the interac- tion between a disc cutter and rock mainly concerns indentation experiment, linear cutting experiment and tunnel boring machine (TBM) on-site data. This is not in line with the actual rock-breaking movement of the disc cutter and impedes to some extent the research on the rock-breaking mechanism, wear mechanism and design theory. Therefore, our study focuses on the interaction between the slantingly installed disc cutter and rock, developing a model in accordance with the actual rock-breaking movement. Displacement equations are established through an analysis of the velocity vector at the rock-breaking point of the disc cutter blade; the func- tional relationship between the displacement parameters at the rock-breaking point and its rectangular coordinates is established through an analysis of micro-displacement vectors at the rock-breaking point, thus leading to the geometric equations of rock deformation caused by the slantingly installed disc cutter. Considering the basically linear relationship between the cutting force of disc cutters and the rock deformation before and after the leap break of rock, we express the constitutive relations of rock deformation as generalized Hooke's law and analyze the effect of the slanting installa- tion angle of disc cutters on the rock-breaking force. This will, as we hope, make groundbreaking contributions to the development of the design theory and installation practice of TBM. 展开更多
关键词 TBM disc cutter· Geometric equation Slant-ingly installed Rock-breaking
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矿用硬岩巷道机械化掘进破岩形式研究现状及展望 被引量:7
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作者 李潮 鲁义强 +2 位作者 陈召 易海洋 王明耀 《煤炭科学技术》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第S01期259-268,共10页
硬岩巷道快速掘进是实现煤矿智能高效开采的重要环节,悬臂掘进机、TBM和底切割装备都在尝试解决这一难点,掘进技术和装备的发展直接影响采矿的安全生产和经济效益。首先,总结了悬臂掘进机在硬岩截割工况的适用范围和截齿消耗现状,分析... 硬岩巷道快速掘进是实现煤矿智能高效开采的重要环节,悬臂掘进机、TBM和底切割装备都在尝试解决这一难点,掘进技术和装备的发展直接影响采矿的安全生产和经济效益。首先,总结了悬臂掘进机在硬岩截割工况的适用范围和截齿消耗现状,分析截割破岩形式的现场试验,发现在较高的岩石强度条件下,截齿消耗量较正常磨损翻倍,掘进速度与开采速度的不匹配,严重制约了矿井生产。其次,分析了滚刀破岩形式和装备在矿山领域的应用和新产品现状,得出移动式矿用掘进设备采用滚刀挤压破岩,块状渣土少,粉末多,刀盘推力小,导致破岩能力不足。最后,分析了线性底切割破岩技术和非线性底切割技术的原理和装备研发现状。结果表明:随着振荡频率的提高,切削力显著降低,非线性底切割破岩单位体积消耗能量少,优势明显。但在硬岩条件下的掘进效率、设备稳定性等关键问题有待验证,非线性底切割技术有望突破未来矿山硬岩掘进的技术难题。 展开更多
关键词 硬岩巷道 掘进技术 破岩形式 截齿破岩 滚刀破岩 底切割技术
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碟盘刀具截割姿态倾角与破岩模式特征 被引量:2
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作者 刘春生 程硕 +3 位作者 刘延婷 徐鹏 刘若涵 郝鑫 《煤炭学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2024年第2期1183-1198,共16页
刀具破岩模式识辨是提高截割能力的关键基础,而刀具截割姿态对破岩模式影响显著,探究截割姿态与破岩模式之间的内在关联,反演低能耗、高效能破岩的最佳截割姿态参数。基于碟盘刀具轴向向上振动时楔面作用岩石的大块崩落状态,在非线性岩... 刀具破岩模式识辨是提高截割能力的关键基础,而刀具截割姿态对破岩模式影响显著,探究截割姿态与破岩模式之间的内在关联,反演低能耗、高效能破岩的最佳截割姿态参数。基于碟盘刀具轴向向上振动时楔面作用岩石的大块崩落状态,在非线性岩石破坏准则的基础上,根据Mohr-Coulomb准则给出了岩石拉剪耦合破坏条件,扩展延伸成三段式线性岩石破坏全域准则(拉破坏、拉剪耦合破坏、剪破坏、压剪耦合破坏和压破坏),给出了不同破岩模式下刀具楔面挤压应力的数学描述,基于楔面作用的最小能量原则提出了破岩模式识辨方法,构建了刀具倾斜姿态截割岩石的载荷模型,并通过数值模拟和实验分析了不同截割姿态倾角下刀具载荷特性和岩石破碎特征(岩石块率分布和粉尘粒度分布)与破岩模式之间的关联特性。结果表明:碟盘刀具楔面能耗表征值与姿态倾角呈正比,破岩模式由拉剪耦合破坏向压剪耦合破坏转变;振动截割时刀具楔面能耗表征值明显小于无振动截割,且多以拉剪耦合破坏为主,而无振动截割时拉剪、压剪耦合破坏近似等比存在;当轴向速度楔面分量大于进给速度楔面分量时,摩擦力转变为破岩助力,楔面能耗明显下降;碟盘刀具破碎岩石宏观形态呈大块月牙状,岩粉细观形态呈类多面体和类球状,刀具姿态倾角与岩石碎片量呈反比,与岩粉量呈正比(类球状粉尘减少、类多面体粉尘增加),表明姿态倾角增大,刀具齿刃碾挤压作用减弱,楔面挤压产生粉尘能耗增加,与破岩模式识辨过程中截割姿态对楔面能耗的影响规律相一致;碟盘刀具径向载荷与姿态倾角呈下凹规律,理论和模拟与实验径向载荷规律具有一致性,其平均误差分别为8.46%和9.55%,验证了碟盘刀具破岩模式识辨方法、倾斜姿态截割岩石的载荷模型和数值模拟的合理性。 展开更多
关键词 碟盘刀具 截割姿态 破岩模式 应力耦合破坏 破碎特征
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盾构机扁齿型和球齿型镶齿滚刀破岩性能对比研究 被引量:3
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作者 陈辰 郭宏海 +1 位作者 傅杰 罗星臣 《人民长江》 北大核心 2024年第8期174-179,186,共7页
盾构机在复杂地质条件下施工时,易出现刀具磨损严重、刀具消耗量大和掘进效率低等一系列问题。为了明晰不同岩石特性下镶齿滚刀破岩性能变化规律,提高镶齿滚刀破岩效率和使用寿命,保证水利隧洞工程安全高效施工,基于非线性有限元动力学... 盾构机在复杂地质条件下施工时,易出现刀具磨损严重、刀具消耗量大和掘进效率低等一系列问题。为了明晰不同岩石特性下镶齿滚刀破岩性能变化规律,提高镶齿滚刀破岩效率和使用寿命,保证水利隧洞工程安全高效施工,基于非线性有限元动力学软件,开展了不同岩石特性下扁齿型和球齿型镶齿滚刀破岩仿真模拟。通过多组仿真模拟,探究了不同岩石特性下两种镶齿滚刀和贯入度的最优组合,并通过室内破岩试验对仿真结果进行了验证。研究结果表明:凝灰岩地质条件下扁齿型和球齿型镶齿滚刀破岩载荷差异性较小,但球齿型镶齿滚刀破岩效率更高;砂岩和花岗岩地质条件下,扁齿型镶齿滚刀贯入岩石能力更强,可进一步提升滚刀破岩效率。此外,在不同岩石特性下,两种镶齿滚刀破岩比能耗均随着贯入度的增大而呈现出先减小后增大的趋势,并在贯入度6 mm左右出现最小值。研究结果可为隧道工程的盾构机刀具选型提供参考。 展开更多
关键词 盾构机 镶齿滚刀 岩石特性 破岩性能 有限元方法
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切缝辅助滚刀破岩临界间距试验及预测模型研究 被引量:3
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作者 唐崇茂 《科学技术与工程》 北大核心 2024年第3期1131-1137,共7页
提高坚硬岩石条件下滚刀破岩能力是隧道施工的长期追求目标,而采用水射流辅助滚刀破岩可有效降低岩石开挖难度和刀具载荷,是一种很有前景的新型破岩技术。针对水射流切缝辅助滚刀破岩这一方式,首先采用破岩试验验证了切缝间距对切缝辅... 提高坚硬岩石条件下滚刀破岩能力是隧道施工的长期追求目标,而采用水射流辅助滚刀破岩可有效降低岩石开挖难度和刀具载荷,是一种很有前景的新型破岩技术。针对水射流切缝辅助滚刀破岩这一方式,首先采用破岩试验验证了切缝间距对切缝辅助滚刀破岩效果的影响,证明在岩石材料、贯入度、切缝深度一定条件下,切缝辅助滚刀破岩存在一个临界间距,当切缝间距小于临界间距时,切缝侧才能发生贯通破碎;然后采用岩石剪切破坏理论分析并提出了一个线性化临界间距计算模型,该模型表明临界间距的大小与切缝深度L和贯入度H的差值(L-H)线性线性相关。 展开更多
关键词 滚刀破岩 水射流 切缝辅助破岩 临界间距 预测模型
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