岩土力学 ›› 2022, Vol. 43 ›› Issue (8): 2317-2326.doi: 10.16285/j.rsm.2021.1815

• 数值分析 • 上一篇    下一篇

水力切缝上方TBM滚刀贯入破坏机制模拟研究

程建龙1, 2, 3,邹清友1,杨圣奇2,李晓昭2,梁泉1,曲磊1,梅炎1   

  1. 1. 成都理工大学 地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室,四川 成都 610059; 2. 中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏 徐州 221116;3. 山东大学 岩土与结构工程研究中心,山东 济南 250061
  • 收稿日期:2021-10-28 修回日期:2022-03-13 出版日期:2022-08-11 发布日期:2022-08-19
  • 作者简介:程建龙,男,1989年生,博士后,副教授,硕士生导师,主要从事TBM与围岩相互作用控制机理与地下工程方面的教学与科研工作。
  • 基金资助:
    国家自然科学基金青年基金(No. 42007277);中国博士后科学基金第70批面上项目(No. 2021M702000);深部岩土力学与地下工程国家重点实验室开放基金(No. SKLGDUEK2007)

Simulation of indentation behavior of TBM disc cutter and failure mechanism of hard rock assisted by hydraulic precutting kerfs

CHENG Jian-long1, 2, 3, ZOU Qing-you1, YANG Sheng-qi2, LI Xiao-zhao2, LIANG Quan1, QU Lei1, MEI Yan1   

  1. 1. State Key Laboratory of Geohazard Prevention and Geoenvironment Protection, Chengdu University of Technology, Chengdu, Sichuan 610059, China; 2. State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China; 3. Geotechnical and Structural Engineering Research Center, Shandong University, Jinan, Shandong 250061, China
  • Received:2021-10-28 Revised:2022-03-13 Online:2022-08-11 Published:2022-08-19
  • Supported by:
    This work was supported by the Youth Program of National Natural Science Foundation of China (42007277), the 70th General Program of China Postdoctoral Science Foundation (2021M702000) and the Opening Fund of State Key Laboratory for Geomechanics and Deep Underground Engineering (SKLGDUEK2007).

摘要: 为了提高坚硬岩层隧道掘进机(tunnel boring machine, TBM)贯入度和降低滚刀受力,高压水射流辅助TBM滚刀破岩已在工业界初步应用。为了揭示水力切缝滚刀破岩机制,基于水力切缝岩石滚刀贯入试验进行了三维颗粒流模拟,研究了滚刀贯入力和贯入刚度随切缝深度的变化规律,揭示了不同切缝深度滚刀纵横剖面内的裂纹扩展和力链演化过程,分析了拉裂纹和剪裂纹随切缝深度的变化规律,明确了不同切缝岩石滚刀贯入的破坏模式和破坏机制。结果表明,第1次贯入的贯入刚度和贯入力随切缝深度的增加大致呈线性降低,第2次贯入的峰值力和贯入刚度小于第1次。而且,50~80 mm刀间距的变化对峰值贯入力的影响并不显著。随着切缝深度的增加,滚刀下方力链集中区边缘的倾角变大。由此导致破坏倾向于倾斜向下发展,当刀间距增加时,破坏由切缝一侧倾斜破坏向两切缝中间岩脊倾斜破坏转变,研究结果可为TBM滚刀与水射流布置和切缝深度的选取提供一定参考。

关键词: 高压磨料水射流切缝, TBM滚刀, 贯入试验, 破坏机制, 三维颗粒流模拟

Abstract: To improve the penetration rate of tunnel boring machine (TBM) in hard rock and reduce the cutter force, high pressure water jet assisted TBM rock breaking has been initially applied in industry. To investigate the rock breakage mechanism of disc cutter assisted by precutting kerfs, a 3D particle flow simulation was performed based on the indentation test of hard rock with hydraulic cutting kerfs. The variation of indentation force and indentation stiffness with kerf depth was studied. The evolution of crack propagation and contact force chain parallel and perpendicular to the cutter axis are revealed. The variation of tensile and shear cracks with kerf depth and kerf spacing and the corresponding failure mode and failure mechanism are discussed. The results show that the indentation stiffness and indentation force of the first indentation decrease linearly with the increase of kerf depth, and that of the second indentation are less than that of the first indentation. Moreover, the change of kerf spacing between 50 and 80 mm has no significant effect on the peak force. With the increase of kerf depth, the inclined boundary angle of the concentrated force chain under the cutter becomes larger. As a result, the failure tends to be inclined downward. When the kerf spacing increases, the failure mode changes from the inclined failure towards another kerf to inclined failure towards the middle rock ridge. The research results can provide some reference for the layout between TBM disc cutters and water jet nozzles and the selection of kerf depth.

Key words: high pressure abrasive water jet, TBM disc cutter, indentation test, failure mechanism, 3D particle flow code simulation

中图分类号: 

  • TD 263.3
[1] 王刚, 宋磊博, 刘夕奇, 包春燕, 吝曼卿, 刘广建, . 非贯通节理花岗岩剪切断裂力学特性及 声发射特征研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(6): 1533-1545.
[2] 周辉, 徐福通, 卢景景, 高阳, 肖建成, . 切槽对TBM刀具破岩机制的影响研究[J]. 岩土力学, 2022, 43(3): 625-634.
[3] 万志辉, 戴国亮, 龚维明, 高鲁超, . 海水环境下钙质砂水泥土加固体的 微观侵蚀机制试验研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(7): 1871-1882.
[4] 舒荣军, 孔令伟, 师文卓, 刘炳恒, 黎澄生, . 湛江结构性黏土自钻旁压试验的加载速率效应[J]. 岩土力学, 2021, 42(6): 1557-1567.
[5] 王力, 李高, 陈勇, 谭建民, 王世梅, 郭飞, . 赣南地区人工切坡降雨致灾机制现场模型试验[J]. 岩土力学, 2021, 42(3): 846-854.
[6] 周超彪, 刘东, 姜清辉, . 拉剪作用下类岩石试样的力学 特性与损伤破坏机制[J]. 岩土力学, 2021, 42(12): 3335-3344.
[7] 王伟, 梁渲钰, 张明涛, 贾泽钰, 张思怡, 王奇智, . 动静组合加载下砂岩破坏机制 及裂纹密度试验研究[J]. 岩土力学, 2021, 42(10): 2647-2658.
[8] 杨括宇, 陈从新, 夏开宗, 宋许根, 张伟, 张褚强, 王田龙. 崩落法开采金属矿巷道围岩破坏机制的断层效应[J]. 岩土力学, 2020, 41(S1): 279-289.
[9] 杨峰, 何诗华, 吴遥杰, 计丽艳, 罗静静, 阳军生. 非均质黏土地层隧道开挖面稳定运动 单元上限有限元分析[J]. 岩土力学, 2020, 41(4): 1412-1419.
[10] 冯君, 王洋, 吴红刚, 赖冰, 谢先当, . 玄武岩纤维复合材料土层锚杆抗拔性能 现场试验研究[J]. 岩土力学, 2019, 40(7): 2563-2573.
[11] 杨 琪,张友谊,刘华强,秦 华,. 一种气泡轻质土路基受载-破坏模型试验[J]. , 2018, 39(9): 3121-3129.
[12] 马 凯,尹立明,陈军涛,陈 明,王自起,崔博强,. 深部开采底板隔水关键层受局部高承压水作用破坏理论分析[J]. , 2018, 39(9): 3213-3222.
[13] 郭昭胜,贺武斌,白晓红. 桩-承台-土复合受力体的拟静力模型试验[J]. , 2018, 39(9): 3321-3330.
[14] 马旭强,施锡林,尹洪武,杨春和,李银平,马洪岭,. 三轴压缩下含夹层盐岩破坏机制[J]. , 2018, 39(2): 644-650.
[15] 李 韬,徐奴文,戴 峰,李天斌,樊义林,李 彪,. 白鹤滩水电站左岸坝肩开挖边坡稳定性分析[J]. , 2018, 39(2): 665-674.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 姚仰平,侯 伟. 土的基本力学特性及其弹塑性描述[J]. , 2009, 30(10): 2881 -2902 .
[2] 徐金明,羌培,张鹏飞. 粉质黏土图像的纹理特征分析[J]. , 2009, 30(10): 2903 -2907 .
[3] 向天兵,冯夏庭,陈炳瑞,江 权,张传庆. 三向应力状态下单结构面岩石试样破坏机制与真三轴试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2908 -2916 .
[4] 石玉玲,门玉明,彭建兵,黄强兵,刘洪佳. 地裂缝对不同结构形式桥梁桥面的破坏试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2917 -2922 .
[5] 夏栋舟,何益斌,刘建华. 土-结构动力相互作用体系阻尼及地震反应分析[J]. , 2009, 30(10): 2923 -2928 .
[6] 徐速超,冯夏庭,陈炳瑞. 矽卡岩单轴循环加卸载试验及声发射特性研究[J]. , 2009, 30(10): 2929 -2934 .
[7] 张力霆,齐清兰,魏静,霍倩,周国斌. 淤填黏土固结过程中孔隙比的变化规律[J]. , 2009, 30(10): 2935 -2939 .
[8] 张其一. 复合加载模式下地基失效机制研究[J]. , 2009, 30(10): 2940 -2944 .
[9] 易 俊,姜永东,鲜学福,罗 云,张 瑜. 声场促进煤层气渗流的应力-温度-渗流压力场的流固动态耦合模型[J]. , 2009, 30(10): 2945 -2949 .
[10] 陶干强,杨仕教,任凤玉. 崩落矿岩散粒体流动性能试验研究[J]. , 2009, 30(10): 2950 -2954 .