岩土力学 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (S1): 705-714.doi: 10.16285/j.rsm.2023.0074

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倾斜临空面下隧道掘进机滚刀贯入破岩研究

周建1, 2，尚肖楠1, 2，刘福深1, 2, 3，沈君逸1, 2，廖星川1, 2   

  1. 1. 浙江大学 滨海和城市岩土工程研究中心，浙江 杭州 310058；2. 浙江大学 浙江省城市地下空间开发工程技术研究中心，浙江 杭州 310058；3. 浙江大学 岩土工程计算中心，浙江 杭州 310058
  • 收稿日期:2023-01-19 接受日期:2023-04-27 出版日期:2024-09-18 发布日期:2024-09-21
  • 通讯作者: 刘福深，男，1980年生，博士，研究员，博士生导师，主要从事计算岩土力学、新型有限单元法、多尺度多物理场耦合、断裂与地表过程模拟等方面的研究。E-mail: fushenliu@zju.edu.cn
  • 作者简介:周建，女，1970年生，博士，教授，主要从事软黏土力学、软土地基处理、非饱和土本构模型等方面的研究工作。E-mail: zjelim@zju.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金面上项目（No.52179112）。

Incline free-surface rock fragmentation caused by disc cutters of tunnel boring machine

ZHOU Jian1, 2, SHANG Xiao-nan1, 2, LIU Fu-shen1, 2, 3, SHEN Jun-yi1, 2, LIAO Xing-chuan1, 2   

  1. 1. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China; 2. Engineering Research Center of Urban Underground Development of Zhejiang Province, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China; 3. Computing Center for Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou, Zhejiang 310058, China
  • Received:2023-01-19 Accepted:2023-04-27 Online:2024-09-18 Published:2024-09-21
  • Supported by:
    This work was supported by National Natural Science Foundation of China (52179112).

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摘要： 在临空面辅助隧道掘进机（tunnel boring machine，简称TBM）滚刀破岩的过程中，当滚刀在垂直临空面附近完成破岩后，垂直临空面将变为倾斜临空面。为了研究倾斜临空面对滚刀贯入破岩的影响，利用近场动力学方法建立了三维模型，考虑了临空面倾斜程度以及滚刀临空距离的变化，开展了一系列数值研究。模拟结果表明，在倾斜临空面辅助TBM滚刀贯入破岩工况下，岩石存在两种破碎模式，一种为内部裂纹扩展模式，另一种为内部压碎区扩大模式。在滚刀临空距离固定为40 mm的情况下，随着临空面倾角θ 余切值cotθ的增加，岩石破碎逐渐从内部裂纹扩展模式转变为内部压碎区扩大模式，滚刀的法向峰值力与破岩消耗能量也逐渐增大，而且内部压碎区扩大模式的破岩效率比内部裂纹扩展模式低。随着滚刀临空距离的增加，滚刀法向峰值力、破岩消耗能量与破岩体积逐渐增加，同时滚刀的破岩效率也得到了提升。

关键词: 近场动力学, 三维TBM滚刀破岩, 临空面, 倾斜程度, 临空距离

Abstract: During the process of rock fragmentation assisted by free surfaces using cutters of tunnel boring machine (TBM), once the disc cutters complete breaking the rock near the vertical free surface, the vertical free surface transforms into an inclined one. To investigate the impact of the inclined free surface on rock fragmentation by disc cutters, three-dimensional models were created using peridynamics. A series of numerical studies was conducted, considering variations in the inclination degree of the free surface and the distance between the cutter and the free surface. The simulation results indicate two rock fragmentation modes: internal crack extension and internal crushed zone expansion. With the distance between the cutter and the free surface fixed at 40 mm, the rock fragmentation mode transitions from internal crack extension to internal crushed zone expansion as the tangent cot θ of the inclination angle θ of the free surface increases. The peak normal force of the disc cutter and rock fragmentation energy consumption increase as the cotangent of the free surface angle increases. The rock fragmentation efficiency of the internal crushed zone expansion mode is lower than that of the internal crack extension mode. Furthermore, within the increase of distance range from the cutter to the free surface, the peak normal force of the disc cutter, rock fragmentation energy consumption, and rock fragmentation volume increase gradually, leading to an improvement in rock fragmentation efficiency.

Key words: peridynamics, three-dimensional rock fragmentation by TBM disc cutters, free surface, degree of inclination, distance from cutter to free surface

中图分类号: O242
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