基于离散单元法的隧洞掘进中岩体破碎机理及滚刀破岩过程优化研究

Rock excavation by Tunnel Boring Machine(TBM) is an important process in the cavern construction of underground engineering and highly inefficient. The rock failure mechanism and tunnelling process optimisation are ingreat need of scientific understanding and beneficial for environmentally-friendly society and operational efficiency of TBM cutting process..A hybrid of experimental and numerical methods is adopted to investigate the cutting mechanism and hereby optimize the cutting process. The key mechanical properties of rock samples will be measured based on the dynamic testing system. The rock cutting failure mechanism will then be investigated based on the linear cutting test apparatus. A new bonded contact model based on Timoshenko beam theory will be utilized to simulate the rock failure under compression and tension and then validated against the experimental results. Combined with the linear cutting test, the bonded contact model will be used to simulate the rock failure under rock cutting process in TBM. In particular, the crack propagation and evolution resulting in the chip formation will be studied and validated with the corresponding experiments. The big data of discrete simulation will be explored and visualized to exhibit the whole cutting process. A multiscale modelling method of rock cutting mechanism and cutting process optimisation will be proposed. This project is hoped to provide a solid theoretical basis and an improved understanding of rock cutting mechanism and optimisation process.

隧洞掘进机（TBM）岩体破裂技术是地下施工过程中非常重要的开采工艺。开展水工隧洞掘进破岩机理及破岩过程优化研究，对于提高我国水利工程的能源利用效率和滚刀设备优化起到至关重要的推动作用。本项目拟采用室内岩石加载破裂试验和离散单元法相结合的方法，着重开展：岩石试件在压缩试验和拉伸试验下的关键力学性能研究；大型TBM滚刀破岩机理研究，颗粒胶结模型的选取，参数优化及模型验证；依托于大型滚刀切削破岩工艺，开展离散单元法模拟，特别是探究岩体在滚刀破岩过程中裂隙扩展和破裂演化机理，实现离散单元法在隧洞掘进过程中的破岩模型验证，通过基于颗粒动态响应进行离散单元大数据空间和时间的可视化分析，提出一套行之有效的微观尺度和宏观尺度相结合的多尺度模拟岩体颗粒破裂的方法，最终为实现水工隧洞掘进过程中岩体破裂机理和掘进过程优化提供重要的优化方案和理论依据。

滚刀及刀盘作为TBM关键破岩工具，合理预测其在切割岩石过程中破岩力变化规律，对理解隧洞掘进过程中岩体破裂机理和优化掘进过程具有重要意义。基于滚刀回转切割模式提出了一种新的破岩力预测模型并对线性切割和回转切割模式下滚刀破岩过程进行数值模拟分析，讨论了贯入深度、滚刀间距、围压比对破岩力和破岩比能耗的影响规律。主要研究结果如下：.(1).提出了新的滚刀破岩力预测模型。经与试验结果进行误差分析得出，垂直破岩力和滚动破岩力计算结果比较可靠，侧向破岩力计算结果符合随着贯入度和刀间距的变化规律。.(2).滚刀线性切割破岩过程中，随着贯入度增加，垂直破岩力和滚动破岩力增大，滚动破岩力增长率大于垂直破岩力增长率，岩石中最大Mises应力近似呈线性增大。.(3).相比于线性切割，回转切割模式下的垂直破岩力减小，滚动破岩力增大，侧向破岩力明显增大。贯入度和刀间距对回转切割模式下破岩力的影响规律与线性切割模式下的基本一致，不同的是，回转切割模式下的最优刀间距大于线性切割的。.(4).围压作用下滚刀在回转切割岩石过程中，垂直破岩力明显增大，滚动破岩力有相应地减小，并且随围压增大，这一趋势越明显。随着围压比增大，滚刀侵入岩石难度增大。破岩体积随围压比增大而减少，破岩比能耗随围压比增大而增大。.(5).结合实际工程案例展开TBM全断面开挖过程的数值模拟研究，在数值建模过程中综合考虑贯入度、刀间距和围压等因素的影响，研究了TBM全断面掘进过程中岩石的破坏形态和掘进速率对围岩扰动区范围的影响，结果表明随着TBM掘进速率增大，围岩扰动区范围逐渐减小。.(6).建立多滚刀回转切割破岩模型，考虑围压、贯入度、刀间距和公转速度等多种因素综合影响，设计应用正交试验法。由16组对比方案验证可得，不同因素对滚刀破岩效率的敏感度为：刀间距>公转速度>贯入度>围压。.(7).本项目执行期间取得的成果主要有：发表SCI收录论文（14）篇；发明专利2项目。培养硕士研究生3名。联合培养博士生2名。