滚刀作用下节理岩体宏细观破碎机理及破岩效率研究

The rock breaking process of the disc cutter involves the static-dynamic coupled loads and the temperature field produced by the friction. The research on the interaction mechanism between jointed rock mass and disc cutter is of key important to the evaluation of rock breaking efficiency for discontinuous rock mass. Meanwhile, it is of great significance for improving the construction safety and technology level of our tunneling boring machine. So, it is also an important scientific problem in the long distance underground engineering construction in China. By combing the method of indoor test, transparent rock similar material model test and field monitoring analysis and numerical simulation, this project aims to investigate the interaction mechanism of rock and jointed rock mass, based on the testing equipment designed by ourselves. From the view of interaction between disc cutter and jointed rock mass, the crack propagation law in jointed rock mass under the action of disc cutter is analyzed. Considering the thermal-load coupling action, the macro- and mesoscopic damage constitutive model is established on the basis of rock breaking mechanism of disc cutter. This model can be used to reveal formation mechanism for the disc cutter abnormal wear induced by joint’s formation. By testing on the actual engineering under different geological conditions, the optimization methods for the cutting forces selection will be proposed. Thus, it can reduce the construction risk, prolong the service life of the tool, and provide theoretical support for the excavation construction.

滚刀破岩过程涉及动静组合荷载以及摩擦产生的温度场，开展节理岩体与滚刀相互作用机理和非连续地层滚刀破岩效率评价方法研究，对提高我国掘进机施工安全和技术水平有重大意义，是我国长距离地下工程建设中的重要科学问题。本项目拟在自主研发的滚刀破岩平台基础上，采用室内岩样试验、透明相似材料模型试验、现场监测分析和数值模拟相结合的方法，从滚刀与节理岩体相互作用的角度，研究滚刀破岩力作用下节理岩体中裂隙扩展规律，分析节理岩体条件下滚刀破岩机制，建立温度-荷载耦合作用下节理岩体宏细观损伤演化本构模型，揭示节理地层诱发滚刀偏磨的形成机制，并最终依托实际工程，进行不同地质条件下滚刀破岩特性分析，提出非连续地层滚刀破岩效率动态优化方法。从而可以降低施工风险，延长刀具的使用寿命，为掘进施工提供理论支撑。

滚刀破岩过程涉及动静组合荷载以及摩擦产生的温度场，开展节理岩体与滚刀相互作用机理和非连续地层滚刀破岩效率评价方法研究，对提高我国掘进机施工安全和技术水平有重大意义，是我国长距离地下工程建设中的重要科学问题。本项目在自主研发的滚刀破岩平台基础上，采用室内岩样试验、相似材料模型试验、现场监测分析和数值模拟相结合的方法，主要研究内容有：(1)自主开发微型TBM回转切割试验机,揭示滚刀结泥效应形成机理。通过红外热像仪监测滚刀和岩石表面温度场演化过程,观测滚刀结泥现象。通过体视显微镜观测岩石切割面和泥化物微观结构,阐述滚刀结泥效应导致破岩效率下降机理,研究泥化物糊住滚刀和刀盘、滚刀不均匀磨损和二次磨损严重、滚刀与岩石温度过高等问题。(2)基于试验结果,对岩体能量输入和能量耗散进行分析,研究不同节理倾角下滚刀破岩的荷载特征和岩体破坏的红外辐射温度特征。并从滚刀破岩能量利用的角度,研究了不同节理角下滚刀破岩效率和能量利用率的变化,揭示滚刀破岩能量的演化规律。（3）通过小波包分解和逻辑回归理论,将实验所得振动信号进行处理,得到不同法向推力、节理倾角、节理间距和复合地层下滚刀的可靠性指标,并根据可靠性结果推断出滚刀失效阀值,进而预测滚刀使用寿命；（4)建立两种考虑结泥效应的滚刀磨损预测模型,即基于“混合润滑—空腔膨胀”理论的滚刀磨损预测模型和基于“接触滑移—能量”理论的滚刀磨损预测模型。经过四年的研究，项目从滚刀与节理岩体相互作用的角度，研究滚刀破岩力作用下节理岩体中裂隙扩展规律，分析节理岩体条件下滚刀破岩机制，建立温度-荷载耦合作用下节理岩体宏细观损伤演化本构模型，揭示节理地层诱发滚刀偏磨的形成机制，并最终依托实际工程，进行不同地质条件下滚刀破岩特性分析，提出非连续地层滚刀破岩效率动态优化方法。项目成果发表科研论文10篇，授权发明专利1项，可以为地下TBM降低施工风险，延长刀具的使用寿命提供理论支撑。