混合地层条件下盘形滚刀切削机理及性能研究

当前，我国已成为世界隧道建设的大国，近万公里的隧道规划，对未来隧道工程的建设提出了快速、经济、安全的高要求，采用隧道掘进机（TBM）技术成为发展的必然。在我国很多地区（包括城市）存在土-砂-石混合地层，其结构、力学性质完全与土层或岩层不同，已导致大量TBM刀具磨损甚至严重的工程事故。深入分析混合地层条件下盘形滚刀的切削机理及性能成为解决此难题的关键。课题通过对大量混合地层的地质调查，采用分形几何学与拓扑学等方法，研究建立混合地层的二维与三维结构特征模型；考虑混合地层特征及原位条件，制作1.5×1.1×0.6m大模型，开展全尺寸滚刀切削模型试验及三维颗粒流数值模拟，分析盘形滚刀的切削机理，并探讨滚刀切削性能与土石混合结构的内在关系，建立混合地层的可掘性评价指标及TBM刀具切削性能预测模型。研究成果可为混合地层下TBM的刀具选型与设计提供理论依据，对复杂条件下TBM技术发展具有重要实践意义。

随着各种地下隧道工程建设规模的快速发展，对不同岩石地层条件下的钻掘设备与技术都提出了更高要求。课题组针对大量赋存的混合体地层条件下的隧道机械开挖关键问题：刀具与地层的相互作用机理开展了较系统的研究。课题主要从三方面开展工作，（1）混合体岩土层本身的结构特征与力学特性的试验研究；（2）盘形滚刀切削破岩机理研究；（3）盘形滚刀在混合体地层条件下的破岩过程与规律。其中有关地层结构特征的研究，提出了表征块石形态特征的球度、磨圆度、形态分形维数的综合指标，编制了基于数学形态学的图像处理软件，可实现块石、混合体平面特征的自动分析。根据混合体结构特征，提出了相应的数值网格模型实现方法。盘形滚刀破岩机理研究方面，主要通过PFC软件，建立了二维和三维条件下滚刀侵入、滚刀破岩的数值模型，对地层岩石强度、围压、切深、刀间距等参数开展了系统的模拟计算与分析。对于混合体材料，采用PFC中的“簇”方法进行模拟，可以较好模拟不同硬度块石与不同基质的搭配。PFC软件的模拟过程比较接近真实的破岩过程，但通常模型单元数量巨大，运算效率比较低，课题组也尝试采用CDEM方法进行试验。与数值模拟相对应，开展了足尺滚刀切削室内试验，由于整套设备为自主研制，时间方面延误，后续将大量开展室内试验，以期获得系统的复杂地层条件下的切削破岩规律，真正为工程实践中的刀具设计与选型提供支持。