多场耦合作用下盘形滚刀与岩体相互作用机理研究

The shield machine is major infrastructure equipment urgently needed in China. It is expected that the shield market value of China will reach 40 billion yuan in the next five years. However, the overwhelming majority of shield machine is completely dependent on imports currently, the relevant core technology of which is monopolized by a few multinational companies in Germany, Japan and the United States. The disc cutter is key components of breaking and stripping rock in the tunneling process. As lack of full understanding the mechanism of the disc cutter breaking rock under the multi-field coupling effects, an effective combination of the disc cutter layout theory and methodology is not yet formed, leading to the tool failure such as the disc cutter stall and partial wear ofter occurring during the construction in the complex geological conditions. To speed up the localization process of the shield machine, based on the existing research, the work of the project is carried out as follows: (1) Research on the interction between the disc cutter and geological body. (2) Research on the the failure behavior of disc cutter breaking rock. (3) Establishment of the disc cutter and geological body interactions evaluation system, and the disc cutter selection and layout theory with geological adaptability, in order to improve cutting efficiency, enhance geological adaptability and extend the disc cutter's life. The successful implementation of this project has great significance for promoting the development of the domestic tool breaking rock theory, speeding up the pace of research on the shield machine rock breaking tool.

掘进机是我国急需的重大基础装备，预计未来5年中国盾构市场产值将达400亿元，目前国内绝大多数掘进机完全依赖进口，相关核心技术主要由德国、日本和美国等的少数跨国公司所垄断。其中盘形滚刀是掘进过程中实现破碎剥离岩体的关键部件。由于缺乏对多场耦合作用下滚刀破岩机理的充分认识，目前尚未形成有效的滚刀组合布局理论及完善的方法体系，导致在复杂多变的地质条件下施工时经常发生滚刀堵转、偏磨等刀具失效现象。本项目以国家加快掘进机国产化进程为背景，在已有研究基础上开展以下内容的研究工作：（1）盘形滚刀与地质体相互作用机理研究；（2）盘形滚刀破岩过程中的失效行为研究；（3）建立盘形滚刀与地质体相互作用评价体系，提出具有地质适应性的滚刀选型和布局理论，以提高破岩效率、增强地质适应性、延长滚刀使用寿命。本项目的成功实施，对于促进国内刀具破岩相关理论的发展，加快掘进机破岩刀具的研究步伐，具有十分重要的意义。

鉴于现有滚刀破岩研究普遍忽视围压、渗流、地热、节理等多场耦合真实地层因素，现有滚刀破岩研究无法真实反映滚刀破岩特征。本项目从滚刀破岩真实工况出发，系统研究了多场下滚刀与岩石相互作用机理，具体主要包括以下几个方面：.1、针对工程地质体多场耦合效应研究，通过TBM施工工地调研，分析了不同场下岩石破碎基本现象，采集了不同地层下岩样，开展了不同场下的岩样测试，获得了不同温度、围压、饱水等情况下的岩石力学参数变化规律。结合岩石破碎学基本理论，并利用离散元法研究了多场下滚刀作用后裂纹的演化损伤动态过程，揭示了不同场下岩体内部损伤机理。.2、针对多场作用下岩体破坏机制研究，研究了不同场下刀岩接触时岩石内部应力分布规律，建立了不同场下滚刀作用后岩体内部应力分布模型。分析了不同场下滚刀作用后裂纹变化规律。模拟了不同场下滚刀破岩动态过程，获得了不同场下滚刀作用后，岩体破碎模式以及破碎能耗等基本变化规律。.3、针对多场作用下盘形滚刀力学性能及失效机制研究，开展了滚刀刀圈应力分布测试，并基于量纲法建立了滚刀刀圈应力分布模型，揭示了刀圈破岩过程中应力分布基本规律。结合刀圈应力分布规律以及密实核原理，建立了不同场下滚刀破岩载荷准则。在分析滚刀各结构体接触面属性的基础上，建立了从多场地质出发的破岩载荷及破岩热传递动力学模型，揭示了不同场下滚刀破岩过程中载荷响应及其温度分布变化规律。采用刀圈对磨实验，揭示了滚刀刀圈磨损失效机理。确定了刀圈硬度、冲击韧性的合理匹配关系，形成了一种刀具失效智能预估模型。.4、针对盘形滚刀与地质体相互作用评价体系，开展了多滚刀组合破岩实验，建立了多刀组合下滚刀破岩载荷模型。基于刀岩接触应力模型及从磨损机理，建立了不同场下滚刀磨损预测模型，并开发了相应磨损预测平台。最后以破岩效率、破岩载荷、滚刀磨损量等为指标，建立了多场下滚刀-地质体相互作用评价体系，形成了一套地层适应性滚刀设计方法。