陸　峰, 張　弛, 孫　健, 田軍興, 劉　敏, 吳玉厚

(1. 沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 116028；2. 高檔石材數(shù)控加工裝備與技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,

遼寧 沈陽 110168； 3. 北方重工集團(tuán)有限公司 礦山冶金設(shè)備分公司, 遼寧 沈陽 110141)

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基于TBM雙滾刀破巖仿真的實(shí)驗(yàn)研究

陸峰1，2, 張弛1, 孫健1, 田軍興1, 劉敏3, 吳玉厚1

(1. 沈陽建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 116028；2. 高檔石材數(shù)控加工裝備與技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室,

遼寧 沈陽 110168； 3. 北方重工集團(tuán)有限公司 礦山冶金設(shè)備分公司, 遼寧 沈陽 110141)

摘要：為了提高滾刀破巖效率,探究滾刀間距及加載方式對全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)(Full Face Rock Tunnel Boring Machine,簡稱TBM)滾刀破巖效果的影響.以滾刀破巖機(jī)理、巖石破碎理論為基礎(chǔ),選擇某類花崗巖，通過有限元分析軟件ABAQUS建立一系列滾刀破巖模型,對TBM刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行研究,模擬不同刀間距、不同加載方式的雙滾刀對破巖效果影響.通過模擬分析得出:在一定地質(zhì)條件下,滾刀順次加載和同時(shí)加載時(shí)的最優(yōu)刀間距均是80 mm,但是順次加載的破巖效果要優(yōu)于同時(shí)加載.通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析得出破巖比能在刀間距為80~90 mm時(shí)最小,從而驗(yàn)證了仿真模擬的正確性與合理性.研究成果對于探究雙滾刀破巖機(jī)理、加快國內(nèi)TBM設(shè)計(jì)理論與工程應(yīng)用研究有一定幫助.

關(guān)鍵詞：TBM; 破巖機(jī)理; ABAQUS; 刀間距; 順次加載

隨著近幾年我國鐵路、礦山、水利、市政等工程的大力興建,全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)(以下簡稱TBM[1])得到了廣泛的應(yīng)用.TBM作為一種隧道專用施工設(shè)備,主要應(yīng)用在巖石單軸抗壓強(qiáng)度為30~200 MPa的中硬巖層地質(zhì)條件中,通過刀盤旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)滾刀回轉(zhuǎn),對破巖界面進(jìn)行開挖[2],不僅減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度,加快了隧道的開挖速度,且隧道成型好,對圍巖破壞小[3].在掘進(jìn)過程中,滾刀直接與巖石接觸,是實(shí)現(xiàn)TBM破巖的主要工具,按尺寸不同主要有3種滾刀類型:304.8 mm,431.8 mm和482.6 mm,工程中最常用的是431.8 mm類型滾刀.滾刀的力學(xué)性能和滾刀在刀盤上的布置直接影響掘進(jìn)機(jī)的破巖效果.因此,對刀盤刀具結(jié)構(gòu)等進(jìn)行研究具有重要意義.

國內(nèi)外學(xué)者通過理論研究、數(shù)值仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等對TBM刀具技術(shù)進(jìn)行了大量的研究.宋克志、王本福[4]分析了盤形滾刀的受力特征及破巖機(jī)理,給出了刀間距的確定方法.李輝等[5]研究盤形滾刀的受力狀況,發(fā)現(xiàn)刀具在擠壓剪切巖石過程中,接觸力瞬時(shí)最大值為平均值的2~3倍.滿林濤、李守巨[6]根據(jù)D-P準(zhǔn)則,利用ABAQUS軟件模擬了滾刀切割巖石的動(dòng)態(tài)過程,得出不同的滾壓深度會(huì)對巖石破碎產(chǎn)生不同效果.Su等[7]運(yùn)用離散單元法,通過對滾刀破巖過程中的巖石裂紋擴(kuò)展進(jìn)行研究,獲得滾刀相關(guān)力學(xué)特性.Cho等[8]運(yùn)用三維動(dòng)態(tài)模型,對破巖方法進(jìn)行了數(shù)值模擬,根據(jù)滾刀刀間距優(yōu)化了TBM刀盤布置.張珂等[9]運(yùn)用ABAQUS模擬了破巖過程滾刀的受力變形,分析了不同壓入深度對受力和變形的影響.吳玉厚等[10-11]應(yīng)用ABAQUS對巖石滾刀實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了仿真模擬,分析巖體的失效形式,引入了比能概念,發(fā)現(xiàn)隨著刀間距的增加比能先降低后增加,最小處對應(yīng)最優(yōu)刀間距.Gertsch等[12]對滾刀破巖理論進(jìn)行研究,并通過全尺寸線性切割實(shí)驗(yàn)機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,分析了滾刀切削參數(shù)與切削力關(guān)系,建立了刀盤滾刀的力學(xué)預(yù)測模型.莫振澤等[13]通過聲發(fā)射試驗(yàn)研究巖石在楔形刀具作用下的破壞過程,提出鈍刃刀具破巖效果優(yōu)于尖刃刀具,使巖石破碎深度更大,破損范圍更廣.Martin Entacher等[14]將實(shí)驗(yàn)室常用的液壓機(jī)附件設(shè)計(jì)成了小規(guī)模巖石切割機(jī),并用此切割機(jī)進(jìn)行小型滾刀破巖測驗(yàn),用于滾刀及TBM性能預(yù)測.

以上國內(nèi)外專家對雙滾刀破巖機(jī)理及刀間距對巖石破碎影響等方面進(jìn)行了大量研究,并取得了一定成果.但以滾刀不同的加載次序和間距為切入點(diǎn)研究滾刀間距而對刀盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的文章還不多.基于以上不足,本文通過對滾刀破巖機(jī)理的研究,從理論上分析盤形滾刀破巖過程；同時(shí),以某類花崗巖為例進(jìn)行仿真模擬及破巖實(shí)驗(yàn).研究內(nèi)容可為掌握TBM滾刀破巖機(jī)理、優(yōu)化滾刀在刀盤上的布置提供參考.

1滾刀破巖力學(xué)模型的建立

1.1滾刀破巖機(jī)理

在TBM施工過程中,滾刀在刀盤向前推力的作用下接觸并擠壓巖體,接觸處出現(xiàn)一個(gè)弧形擠壓帶,刀尖附近的巖體受到集中力的作用,被壓實(shí)并儲(chǔ)能,產(chǎn)生密實(shí)核.隨著貫入深度的增加,應(yīng)力繼續(xù)向巖體內(nèi)部傳遞,巖體產(chǎn)生裂紋,裂紋延伸到自由面或相互連接,成為碎片并脫落.圖1為滾刀破巖示意圖.

圖1　滾刀破巖示意圖Fig.1　Schenatic diagram of rock breaking of Single disc cutter

在滾刀壓力作用下,巖石發(fā)生變形,隨著受力不斷增加,變形不斷發(fā)展,最終導(dǎo)致巖石破壞.本文將巖石從受力到破壞的全過程分為3個(gè)階段:彈性、損傷與破碎,相應(yīng)地所需要采用的物理模型與分析方法也有所不同.一塊完整的巖石受到載荷作用首先發(fā)生彈性變形,又稱為可逆變形,即外力撤除后巖石恢復(fù)原狀,常用彈性模量和泊松比加以描述研究.當(dāng)載荷超過一定值,巖石由彈性體轉(zhuǎn)化為損傷體,開始產(chǎn)生裂紋源,漸漸成為微裂紋,后發(fā)展成宏裂紋,裂紋擴(kuò)展并相互連接,最終巖石破碎[15].

1.2雙滾刀破巖力學(xué)模型

滾刀間距是決定掘進(jìn)機(jī)刀盤刀具破巖效率的關(guān)鍵因素之一,2把滾刀破巖時(shí)滾刀間距存在一個(gè)最優(yōu)值.當(dāng)2把滾刀刀間距小于最優(yōu)值時(shí),雖然滾刀之間的巖石完全破碎,但破碎單位體積巖石受到的能量過大,巖石出現(xiàn)過度破碎,破巖效率較低；當(dāng)?shù)堕g距大于最優(yōu)值時(shí),2把滾刀擠壓巖石出現(xiàn)的裂紋很難相連,滾刀間的待破巖面便不會(huì)產(chǎn)生巖石碎片,這就形成了巖脊.由科羅拉多礦業(yè)學(xué)院的CSM綜合預(yù)測模型公式[16],可以得出刀間距與貫入度、滾刀尺寸、巖石特性等之間的關(guān)系:

(1)

(2)

(3)

式中:p是破碎區(qū)壓應(yīng)力,F是滾刀合力,ψ是滾刀頂刃壓力分布系數(shù),φ是滾刀接觸角,R是滾刀半徑,h是貫入度,T是滾刀頂刃寬度,S是刀間距,σc是巖石單抗壓強(qiáng)度,σt是巖石抗剪強(qiáng)度,C≈2.12,是無量綱系數(shù).

由公式(3)可知,在給定巖石特性、滾刀尺寸的條件下,刀間距S與貫入度h存在某種特定關(guān)系.對于某類型滾刀,即在R，T確定的情況下,S與h存在一定的最優(yōu)關(guān)系，如圖2所示.

圖2　不同刀間距破巖示意圖Fig.2　Schematic diagram of rock breaking in different cutter space

1.3材料與力學(xué)屬性

在滾刀破巖過程中,與巖石直接接觸的是滾刀刀圈,所以本文只建立刀圈模型用來進(jìn)行滾刀的破巖分析.刀圈模型選用美國羅賓斯公司生產(chǎn)的432 mm近似常截面盤形滾刀.其頂刃寬度為13 mm,為保證滾刀的耐久度和高強(qiáng)度,材料選用硬質(zhì)合金鋼,具體參數(shù)如表1所示.

表1　滾刀材料與力學(xué)參數(shù)

本次仿真中,待破巖石為某類花崗巖,尺寸為400 mm×150 mm×750 mm.仿真過程中,設(shè)花崗巖的材料屬性為各向均勻、同性,且具有連續(xù)、小變形材料特性.其材料參數(shù)如表2所示.

表2　花崗巖材料與力學(xué)參數(shù)

1.4仿真條件約束

在仿真過程中,滾刀前進(jìn)方向速度為864 mm/s,貫入速度為6 mm/s,滾刀為純滾動(dòng),更接近真實(shí)的掘進(jìn)過程,滿足公式:v=wr,w=4 rad/s；假設(shè)無圍巖壓力,底部完全約束.網(wǎng)格劃分滾刀刀圈采用C3D10M四面體網(wǎng)格,單元尺寸為28 mm；巖石塊采用C3D8R六面體單元網(wǎng)格,單元尺寸為10 mm,模型網(wǎng)格劃分如圖3.模型選用線性Drucker-Prager準(zhǔn)則作為本構(gòu)方程.Drucker-Prager硬化類型選擇壓縮.

圖3　雙滾刀有限元模型Fig.3　Double cutter finite element model

2仿真結(jié)果與分析

花崗巖屬硬脆性材料,滾刀切割巖石至其破碎的過程屬于非線性接觸過程.因此,巖石破碎過程中會(huì)產(chǎn)生材料屈服,應(yīng)力-應(yīng)變便不再滿足線性對應(yīng)關(guān)系.而滾刀在破巖過程中,當(dāng)巖石受力產(chǎn)生的物理變形達(dá)到巖石極限應(yīng)變時(shí)巖石內(nèi)部出現(xiàn)裂紋,最后發(fā)生破碎.所以可以通過觀察巖石的應(yīng)變來分析其破碎效果.另外,塑性應(yīng)變可體現(xiàn)加載路徑和加載歷史,反映材料在載荷作用下從初始狀態(tài)到最終破壞的全過程.所以在可視化模塊中,采用塑性應(yīng)變PEEQ來演示分析結(jié)果是合適的.

2.1雙滾刀同時(shí)加載下刀間距對花崗巖破碎影響

2把滾刀切割花崗巖的過程中,在保持相同切

削速度及同時(shí)加載條件下,通過改變刀間距對雙滾刀破巖過程進(jìn)行仿真.為更直觀與準(zhǔn)確地觀察破碎效果,分別從2個(gè)視角對破碎后的花崗巖進(jìn)行對比分析,得出在不同刀間距切割條件下花崗巖的應(yīng)變分布情況.圖4(a)至(c)分別是在雙滾刀間距為60,80和100 mm時(shí)作用下的花崗巖破碎塑性應(yīng)變圖.

圖4　同時(shí)加載時(shí)不同刀間距的花崗巖應(yīng)變效果Fig.4　Granite strain effect in different cutter space on same load

由圖4花崗巖應(yīng)變分布及破碎情況可以得出,當(dāng)巖石產(chǎn)生的應(yīng)變值大于極限應(yīng)變時(shí),巖石便發(fā)生破碎；當(dāng)巖石產(chǎn)生的應(yīng)變值小于極限應(yīng)變時(shí),巖石只在滾刀作用下發(fā)生物理變形,并不會(huì)產(chǎn)生破碎；與滾刀接觸的巖石區(qū)域出現(xiàn)最大應(yīng)變值,隨著滾刀貫入度的增加,巖石應(yīng)變區(qū)域變大,破碎區(qū)域與破碎量也逐漸變大；巖石受到的應(yīng)變以破碎區(qū)域?yàn)橹行某尸F(xiàn)對稱分布,且應(yīng)變由破碎區(qū)向四周擴(kuò)散并逐漸減小.

對比圖4(a)至(c)可以發(fā)現(xiàn)：在雙滾刀同時(shí)切割條件下,刀間距為60 mm時(shí),巖石破碎區(qū)域不存在巖脊,破碎區(qū)域完整,巖石破碎量相對較小,巖石受到擠壓出現(xiàn)的應(yīng)變區(qū)域也較??；刀間距為80 mm時(shí),巖石表面存在少量巖脊,隨著滾刀繼續(xù)切割,巖脊逐漸消失,破碎區(qū)較完整,巖石的破碎量較之前變大,巖石受到擠壓出現(xiàn)的應(yīng)變區(qū)域也變大；當(dāng)?shù)堕g距為100 mm時(shí),巖石破碎區(qū)域存在巖脊并且不會(huì)隨之消失,巖石破碎量比刀間距為80 mm時(shí)略大,巖石出現(xiàn)的應(yīng)變區(qū)域也變大.綜上,當(dāng)滾刀壓入深度為0~5 mm時(shí),雙滾刀最優(yōu)刀間距約為80 mm.滾刀以最優(yōu)刀間距的條件下破巖時(shí),巖石破碎量大,破碎區(qū)域完整,滾刀之間巖石完全破碎,不存在巖脊.

2.2雙滾刀順次加載下刀間距對花崗巖破碎影響

2把滾刀切割花崗巖的過程中,在保持相同切削速度的條件下,采用順次加載,即2把滾刀在切割路徑上前后相距800 mm,左邊滾刀先加載,右邊滾刀后加載,進(jìn)行順次切割,對不同滾刀間距破巖仿真分析.圖5(a)至(c)分別是刀間距為60,80和100 mm時(shí)花崗巖的破碎塑性應(yīng)變圖.

圖5　順次加載時(shí)不同刀間距的花崗巖應(yīng)變效果Fig.5　Granite strain effect in different cutter space on load in turn

由圖5花崗巖應(yīng)變分布及破碎情況可以得出,巖石在雙滾刀順次加載作用下產(chǎn)生的應(yīng)變分布不均勻,且在巖石表面及內(nèi)部出現(xiàn)的應(yīng)變不以破碎區(qū)域?yàn)橹行某蕦ΨQ分布,當(dāng)?shù)堕g距為100 mm時(shí),可以明顯看出先加載滾刀附近巖石應(yīng)變區(qū)域比后加載區(qū)域大,且先加載的滾刀壓痕比后加載滾刀壓痕范圍更寬、更深.這就說明,與后加載滾刀相比,先加載滾刀對巖石的破碎影響更大.

對比圖5(a)至(c)可以發(fā)現(xiàn)：雙滾刀順次加載的條件下,刀間距為60 mm時(shí),巖石破碎區(qū)域不存在巖脊,巖石破碎量相對較小,巖石受到擠壓出現(xiàn)的應(yīng)變區(qū)域也較小；刀間距為80 mm時(shí),巖石破碎量增加,沒有巖脊出現(xiàn)在破碎區(qū)域之間,巖石受到擠壓出現(xiàn)的應(yīng)變區(qū)域相應(yīng)變大；刀間距為100 mm時(shí),出現(xiàn)的應(yīng)變區(qū)域繼續(xù)變大,巖石的破碎量也繼續(xù)變大,但兩邊壓痕深度已經(jīng)明顯不同,不平穩(wěn)的巖面會(huì)使刀盤上的滾刀受力不均,對刀具損壞嚴(yán)重,降低破巖效率,增加掘進(jìn)成本.

所以,當(dāng)雙滾刀貫入深度、轉(zhuǎn)速等條件不變的情況下,采用順次加載方式破巖,即2把滾刀在切割路徑上的前后距離為800 mm時(shí),雙滾刀最優(yōu)刀間距為80 mm左右.

滾刀同時(shí)加載和順次加載條件下,最優(yōu)刀間距都為80 mm,但是兩者還是存在一定差異.對比圖4(b)與圖5(b)發(fā)現(xiàn)：同時(shí)切削時(shí),應(yīng)變區(qū)域均勻?qū)ΨQ,破碎區(qū)域也整齊完整；順次切削時(shí),應(yīng)變與破碎區(qū)不再對稱整齊,但破巖量更大,破巖效果更好.

以上研究說明,在其他施工參數(shù)不變的條件下,2把滾刀的加載方式對滾刀破巖的最優(yōu)刀間距影響不大,但是順次比同時(shí)同條件下破巖效果更好.

2.3雙滾刀順次加載間距對破巖效果的影響

為了深入了解2把滾刀順次加載間距對巖石破碎效果的影響,以雙滾刀間距100 mm、滾壓速度800 mm/s、貫入深度3 mm為例,采用不同的加載間距對雙滾刀切割花崗巖過程進(jìn)行仿真分析.使2把滾刀順次加載間距分別為0，100，200和300 mm,得出在不同順次加載間距下花崗巖破碎效果圖,如圖6所示.

圖6　不同順次加載間距的巖石破碎圖Fig.6　Rock crushing in different sequentially space

對圖6中破碎后花崗巖的失效網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行對比分析,可以得出:在刀間距不變的情況下,隨著2把滾刀順次加載間距的增加,巖石失效網(wǎng)格數(shù)量增加,破碎量變大.花崗巖在雙滾刀不同順次加載間距切割作用下均在巖石末端形成巖脊,但隨著加載間距變大,巖脊長度減小.以上現(xiàn)象說明在滾刀間距、貫入度等施工參數(shù)一定的條件下,2把滾刀的順次加載間距越大,巖石破碎效果越好.并且,隨著加載間距的增加,先加載滾刀與后加載滾刀相比對巖石破碎的影響越來越大.

基于以上雙滾刀間距、滾壓速度、貫入深度等仿真參數(shù)不變的條件下,改變2把滾刀順次加載間距,對其切割花崗巖的過程進(jìn)行大量仿真與分析,并通過統(tǒng)計(jì)破碎后巖石失效單元數(shù)量得出花崗巖破碎量變化曲線,如圖7所示.

圖7　不同滾刀加載間距下花崗巖破碎量變化曲線Fig.7　Granite crushing volume curve in different sequentially space

由圖7可以得出:雙滾刀切割花崗巖的過程中,在其他施工參數(shù)不變的條件下,當(dāng)2把滾刀順次加載間距在500 mm范圍內(nèi)變化時(shí),隨著加載間距增加,花崗巖破碎量變大,所形成的巖脊變少,破巖效果更加明顯；當(dāng)2把滾刀順次加載間距大于500 mm時(shí),花崗巖的破碎量幾乎不隨滾刀加載間距的增加而增大,即巖石破碎效果受滾刀加載間距影響較小.

2.4試驗(yàn)臺(tái)的巖石破碎研究

為驗(yàn)證巖石破碎過程模擬的準(zhǔn)確性,利用北方重工集團(tuán)有限公司的雙滾刀巖石綜合試驗(yàn)臺(tái),對此類花崗巖進(jìn)行破碎實(shí)驗(yàn).試驗(yàn)臺(tái)整體由 4個(gè)部分組成:主機(jī)、液壓系統(tǒng)、電控和測試系統(tǒng).試驗(yàn)前先確定好2把滾刀的刀間距及順次間距,在試驗(yàn)中采用液壓系統(tǒng)作為動(dòng)力源,垂直油缸下壓使?jié)L刀壓入巖石指定深度,樣巖在工作臺(tái)的承載帶動(dòng)下前后單向移動(dòng),利用相對原理來模擬滾刀破巖運(yùn)動(dòng).圖8為試驗(yàn)臺(tái)雙滾刀布置和樣巖的破碎示意圖.

圖8　雙滾刀安裝位置與樣巖的破碎圖Fig.8　Double cutter arrangement and rock breaking on test cutting machine

破巖能耗SE是表征破巖效率的重要參數(shù),定義為破碎單位巖石體積切削所消耗的能量,公式為SE=fs/V,f為工作臺(tái)的推力,s為樣巖移動(dòng)的距離,在實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)用便攜式三維激光掃描儀(EXAscan)對花崗巖巖體進(jìn)行掃描,得出破碎體積V.其他條件保持不變,只改變加載方式和刀間距,進(jìn)行多組實(shí)驗(yàn),并由以上參數(shù)算出比能,繪制出以下關(guān)系曲線.

圖9　刀間距和破巖比能的關(guān)系曲線Fig.9　The SE curve under different cutter spacing

圖9描述了2種加載條件下不同刀間距和破巖比能的關(guān)系.從圖中可以看出,2種滾刀加載方式相似之處為:當(dāng)?shù)堕g距由小變大時(shí),破巖比能都呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢；當(dāng)?shù)堕g距從60 mm增加到80 mm時(shí),比能急劇減??；當(dāng)?shù)堕g距從80 mm增加到100 mm時(shí),比能又逐漸增大；刀間距為80~90 mm時(shí),比能最低,破巖效率最好.2種滾刀加載方式不同之處在于:在其他條件相同時(shí),滾刀順次加載比滾刀同時(shí)加載比能更低,破巖效率更好.實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論與仿真得出的結(jié)論基本一致,從而驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的適用性和正確性.

3結(jié)論

不同的巖石,其結(jié)果會(huì)有所不同,就本文研究的某類花崗巖巖石材料而言:

1)在其他條件相同時(shí),加載方式對滾刀破巖的最優(yōu)刀間距影響不大,最優(yōu)刀間距均約為80 mm,但是順次加載的破巖效果要比同時(shí)更好.

2)當(dāng)雙滾刀順次加載時(shí),先加載滾刀比后加載滾刀對巖石破碎影響大,壓痕也更深,這種效果隨刀間距的增加而變大.

3)在其他施工參數(shù)不變的條件下,當(dāng)2把滾刀順次加載間距在500 mm范圍內(nèi)變化時(shí),花崗巖的破碎量隨著滾刀加載間距增加而變大；當(dāng)2把滾刀順次加載間距大于500 mm時(shí),花崗巖破碎效果受滾刀加載間距影響較小.

4)實(shí)驗(yàn)得出刀間距為80~90 mm時(shí),比能最低,破巖效率最好.這與仿真得出的結(jié)論基本一致,從而驗(yàn)證了數(shù)值模擬方法的適用性和正確性.

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Experimental study on rock-breaking simulation of double disc cutter of TBM

LU Feng1，2, ZHANG Chi1, SUN Jian1, TIAN Jun-xing1, LIU Min3, WU Yu-hou1

(1. School of Mechanical Engineering, Shenyang Jianzhu University, Shenyang 116028；2. National and Local Joint Engineering Laboratory of CNC Machining Equipment and Technology on Grade Stone,

Shenyang 110168, China;3. Mining Metallurgical Equipment Branch, Northern Heavy Industries Group Co., Ltd., Shenyang 110168, China)

Abstract：In order to improve the efficiency of cutter rock-breaking, the impact of cutter spacing and loading on the rock-breaking effect of TBM were explored. With the mechanism of rock-breaking disc cutter and the theory of rock crushing, a series of simulation models were established in ABAQUS to research the granite crushing effect under different conditions on double disc cutter. After simulation analysis, the conclusion were as follows：Under some certain geological conditions, the optimal cutter spacing was 80 mm both for continuous and simultaneous load, but the rock breaking effect of continuous load was better than that of simultaneous load. By analyzing the experimental data, it could be obtained that the minimum specific energy of rock breaking was appeared between 80 mm and 90 mm. Thus, the correctness and rationality of the simulation were verified. The research is good to understand the rock-breaking mechanism of double disc cutter and to accelerate the development of domestic TBM design theory and engineering application.

Key words：TBM; rock-breaking mechanism; ABAQUS; cutter spacing; load in turn

中圖分類號(hào)：TG 501.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-754X(2016)01-0041-08

作者簡介：陸峰(1972—),男,教授,博士,從事地下施工技術(shù)及裝備、硬脆性材料加工技術(shù)及裝備等研究,E-maiL:lufeng72@126.com. http://orcid.org//0000-0002-9001-7257

收稿日期：

2015-06-26.

本刊網(wǎng)址·在線期刊：http://www.journals.zju.edu.cn/gcsjxb

基金項(xiàng)目：國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2011BAJ02B07);教育部創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(IRT1160)；遼寧省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014020069)；遼寧省高校創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃資助項(xiàng)目(LT2014011);高檔石材數(shù)控加工裝備與技術(shù)國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室開放基金資助項(xiàng)目(SJSC-2015-1).

DOI:10.3785/j.issn. 1006-754X.2016.01.007