TBM邊緣滾刀破巖機理的數值研究

夏毅敏，吳 元，郭金成，田彥朝，林賚貺，卞章括

(1.中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室,湖南 長沙 410083；2.湖南華銀能源技術有限公司,湖南 長沙 410001)

TBM邊緣滾刀破巖機理的數值研究

夏毅敏1，吳 元1，郭金成2，田彥朝1，林賚貺1，卞章括1

(1.中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室,湖南 長沙 410083；2.湖南華銀能源技術有限公司,湖南 長沙 410001)

為研究刀刃角和不同被切削材料對全斷面硬巖掘進機(TBM)邊緣滾刀破巖機理的影響規律，基于二維離散單元法，利用UDEC仿真軟件建立了一系列邊緣滾刀破巖數值模型，對邊緣滾刀作用下被切削體內部裂紋生成、擴展和破碎過程進行數值模擬。仿真結果表明：張拉破壞是滾刀破巖時裂紋生成與擴展的主要原因；對于不同刀刃角的邊緣滾刀接近弧面下端的斜裂紋長度要比弧面上端的長；大理巖裂紋擴展能力和破巖效率均隨刀刃角的增大先增大后減小，因此對于硬巖刀刃角不宜過小也不宜過大；隨著被切削材料強度增大，裂紋擴展越不充分，裂紋擴展能力和破巖效率均降低；與其他材料相比，TBM邊緣滾刀對大理巖破壞損傷范圍最小，破巖效率最低。最后通過實驗和工程數據驗證了仿真方法的正確性和可行性。

TBM；邊緣滾刀；破巖機理；裂紋擴展

全斷面硬巖掘進機(TBM)通過刀盤在旋轉過程中帶動滾刀對巖石界面進行開挖[1]。滾刀在破碎巖石的過程中承受很大荷載，強沖擊，導致刀具消耗極大，據統計刀具的費用約占掘進施工總費用的1/3[2]。滾刀結構與地質參數適應性決定了隧洞掘進效率與經濟性，如何提高刀具壽命成為當前關注的焦點。因此研究邊緣滾刀破巖特性對于更深入地探究刀具磨損規律和提高刀具壽命有重要工程意義。

國內外學者通過采用理論分析，數值仿真及模型試驗等方法對刀具破巖過程進行了相關的研究。文獻[3-5]基于全尺寸的線性切割實驗，進行了滾刀破巖實驗和理論研究，分析了滾刀切削力與切削參數關系，建立了刀具受力計算預測模型。文獻[6]對花崗巖進行侵入實驗，分析了巖石損傷劣化破壞過程及巖石破碎效果。文獻[7]結合實驗測試和現場施工，探討了巖石的可掘性，確定了TBM掘進過程中掘進參數。文獻[8] 通過采用RFPA2D軟件對TBM盤形滾刀單刀頭和多刀頭作用下巖石破碎機理進行數值模擬研究。文獻[9]通過數值仿真手段模擬了刀具切割巖石的動態過程，分析了滾刀破巖效果及其影響因素。文獻[10] 通過試驗對TBM滾刀破巖時不同節理面與掘進方向夾角的影響效果進行了研究。這些研究主要是針對TBM刀盤上正滾刀展開的，目前國內外關于TBM邊緣滾刀破巖尚未見公開，在這方面還缺乏系統的研究。邊緣滾刀位置特殊，位于刀盤的最外緣，與刀盤軸線成一定角度布置，受力特性與正滾刀的不同，且線速度很大，相對于正滾刀而言工作條件更加惡劣、磨損更為嚴重，其破巖過程比正滾刀更復雜。因此，研究邊緣滾刀的破巖特性十分重要。

目前離散單元法被廣泛應用于巖土工程和地質工程。國內外許多學者運用離散單元法對巖石裂紋擴展進行了很多研究，取得很好效果[11-15]。筆者采用離散元建立一系列邊緣滾刀與被切削體相互作用的二維平面等效模型，研究了邊緣滾刀刃角、被切削材料對邊緣滾刀破巖特征的影響以及裂紋生成與擴展規律，對仿真數據進行詳細分析并獲得了一些有意義的結論，并通過實驗和工程數據驗證了相關結論。

1 邊緣滾刀破巖過程數值建模

1.1 TBM滾刀結構

TBM刀盤掘進過程中，滾刀與巖石接觸，安裝在刀盤上的滾刀在推力的作用下緊壓巖面，隨著刀盤的轉動，滾刀圍繞刀盤中心軸公轉，同時繞自身軸線自轉。根據TBM滾刀在刀盤上的位置不同，盤型滾刀可分為中心滾刀、正滾刀和邊緣滾刀，如圖1所示，其中邊緣滾刀位于刀盤外緣，角度布置范圍為0～75°。滾刀在刀盤上的布置位置不同，距離刀盤中心的距離也不同，因此不同位置的滾刀線速度不同，典型滾刀結構如圖2所示，θ為滾刀刀刃角。正滾刀作用的巖石界面為平面，而邊緣滾刀作用的巖石界面為弧面，邊緣滾刀破巖模型如圖3所示。邊緣滾刀相比正滾刀有一定的傾斜角度，其受力情況如圖4所示，邊緣滾刀除了承受正壓力外，還承受更大軸向力。其線速度大，工作條件惡劣，相對于中心滾刀和正滾刀而言磨損更為嚴重。

圖1 滾刀在刀盤半徑上投影示意Fig.1 Disc cutters projection scheme on the radius of cutterhead

圖2 滾刀結構Fig.2 Structure of gage disc cutter

圖3 邊緣滾刀破巖模型Fig.3 Rock-breaking model of gage disc cutter

圖4 邊緣滾刀的受力示意Fig.4 Forces of gage disc cutter

1.2 材料模型及失效準則

模型采用Mohr-Coulomb準則，如圖5所示。圖中fs表示Mohr-Coulomb屈服準則，屈服函數如下：

圖5 Mohr-Coulomb失效準則Fig.5 Mohr-Coulomb failure criterion

AB線段對應的屈服函數為

(1)

BC線段對應的屈服函數為

(2)

若巖體內某點滿足fs>0，則發生剪切破壞。若巖體內某點滿足ft>0，則發生張拉屈服。

1.3 二維離散元模型的建立

TBM邊緣滾刀接觸的掌子面為弧面，在一定的推力作用下侵入巖石，當推力超過材料強度時，材料被擠壓破碎，內部將形成壓碎區和放射狀裂紋，裂紋到達自由面或與相鄰裂紋貫通，即形成碎片。在掘進

過程中，滾刀與掌子面相互作用是一個三維問題，滾刀在推力及扭矩的共同作用下滾壓破碎巖石。刀具對掌子面的切向力與垂直壓力和刀具與掌子面之間的附著系數有關。一般情況下，切向力的最大值不會超過垂直壓力與附著系數的積，與垂直壓力相比，切向力的量級相對較小。前人的研究結果也表明忽略扭矩產生的切向力影響，將滾刀破巖過程近似簡化為二維的侵入問題基本可行[16-18]，筆者在前人的基礎上也將其轉化成二維平面問題，近似模擬裂紋在被切削材料內部的擴展過程。

筆者建立的邊緣滾刀破巖離散元模型如圖6所示，比例為1∶1。被切削材料劃分成精細無限差分網格，約束被切削材料塊體左側與上下邊界的位移，P為加載荷載，沿y軸負方向施加2mm/s的推進速度。采用4種不同刀刃角的滾刀和4種不同材料(包括混凝土和3種巖石)，其中混凝土和砂巖材料參數由室內力學實驗測量得出，大理巖和花崗巖分別是根據甘肅省引洮供水一期工程總干渠9號隧洞工程地質勘探報告和北京昌平地質勘探報告[19]確定的。具體參數見表1，邊緣滾刀材料參數密度為7 850kg/m3;彈性模量為206 GPa;泊松比為0.3。

圖6 滾刀破巖計算模型Fig.6 Numerical simulation model of rock-breaking

表1 4種試樣材料參數Table 1 Material parameters of different types of rock

2 離散元仿真結果及分析

假定邊緣滾刀與刀盤軸線成30°布置，仿真數據匯總后見表2,3。表2是以大理巖為對象研究刀刃角θ對滾刀破巖影響所得到的仿真數據。其中，Pa為刀具的切入率，即刀具單位應力所產生的破碎塊面積；Pa/P0為標準切入率，是衡量TBM刀具破巖效率的重要指標；l/σa為單位應力下產生的裂紋長度，它是衡量裂紋擴展難易程度的重要指標。

表2針對不同刀刃角的仿真數據
Table2Simulationresultsfordisccutterswithdifferentbladeangles

θ/(°)σa/MPaA/cm2lmax/cml′max/cmlmax/σal′max/σaPa/(cm2·MPa-1)Pa/P0151536 09 07 20 0590 0470 0391 054301716 410 38 30 0600 0490 0371 000451787 911 29 20 0630 0520 0441 189601848 510 09 40 0550 0510 0461 243

注：Pa/P0為相對于刀刃角為45°下滾刀的標準切入率，其中P0為表格中最小的刀具切入率。

表3針對不同試樣的仿真數據
Table3Simulationresultsfordifferenttypesofrock

材料編號σa/MPaA/cm2lmax/cml′max/cmlmax/σal′max/σaPa/(cm2·MPa-1)Pa/P016010 014 213 10 2370 2080 1674 28221058 011 69 30 1100 0890 0761 94931207 010 28 00 0850 0670 0591 48741536 09 07 20 0590 0470 0391 000

注：Pa/P0為相對于大理巖的滾刀標準切入率，其中P0為表格中最小的刀具切入率。

2.1 巖石裂紋演化過程

以巖石類型為大理巖，刀刃角為15°下的破巖過程為例，分析研究巖石裂紋的演化規律，圖7為混凝土裂紋演化過程示意。滾刀侵入前期，邊緣滾刀兩側出現一些由拉應力引起的失效單元，如7(a)所示。隨著滾刀加載荷載增大，刀刃下方1cm處產生了拉應力引起的失效區，巖石內部其它區域還未發生明顯的破壞，且Hertz裂紋只在失效區前端產生。隨后壓應力失效區正逐漸在刀刃下一定深度處形成，如圖7(b)所示。同時，在錐形失效區內部，由于壓應力過大產生了局部粉碎和顯著的塑性變形，并在刀刃下方出現一個袋狀或球狀的密實核。由于拉應力，錐形失效區產生更多的微裂紋并有向外擴張趨勢，隨著載荷加載的進行，刀刃底部相對活躍的微裂紋匯聚成了若干中間裂紋和斜裂紋，這些裂紋對巖石破碎起著主導作用，如圖7(c)所示。滾刀侵入后期(圖7(d)～(f))，中間裂紋和斜裂紋繼續沿各自獨立的方向擴展，直至“飽和”，該時期巖石內部的應力不斷釋放，致使巖石彈性勢能降低，根據能量守恒定律，巖石中潛存的變形能積聚減少，減少的能量一部分轉化為表面能，用于形成新的裂紋，另外一部分轉化為動能，使巖石崩裂脫離母巖。上述的裂紋演化過程與被實驗室里觀測到的裂紋系統相符[20]。

圖7 刃角為15°時大理巖裂紋演化過程Fig.7 Evolution process of crack at the 15°blade angle

從裂紋發展過程來看，邊緣滾刀的巖石掘進界面為弧形，下端斜裂紋的位置距離巖石自由面較近，而接近弧面下端的斜裂紋擴展速度比弧面上端的更快；從裂紋形態來分析，斜裂紋主要由拉失效單元構成，中間裂紋的尖端也多出現拉失效單元。仿真中先應用拉伸破壞準則判斷巖土體內部某點的單元體是否會發生拉破壞，如果是，則按拉破壞處理，再用是否會發生剪切破壞，因此破壞區由拉破壞單元和剪破壞單元組成。又因巖石是脆性材料，其抗拉強度遠小于抗壓強度。說明張拉破壞是邊緣滾刀破巖時裂紋生成與擴展的主要原因。

2.2 刀刃角對破巖過程的影響分析

分別模擬了4種不同刀刃角的滾刀作用于大理巖的破壞過程。數值模擬結果如圖8所示。分析結果說明：刀刃角對裂紋擴展規律影響不大，但對裂紋擴展有重要影響，邊緣滾刀刀刃兩側的合力方向朝著巖石內部，巖石破碎以斜裂紋的發育為主。總體上對于不同刀刃角接近弧面下端的斜裂紋長度要比弧面上端的更長。這從側面說明滾刀傾斜角越大，越難破巖，這與TBM實際施工遇到的情況一致。從圖8可以看出隨著刀刃角增大，巖石內部產生的裂紋數也隨之增多，刀刃角為60°時，裂紋數最多，巖石破碎區及損傷范圍也稍微增大，可參考表2。

圖8 不同刀刃角的滾刀對大理巖的破壞數值模擬Fig.8 Simulation of rock breaking by disc cutters with different blade angles

臨界應力的大小體現了破巖載荷的多少。標準切入率是衡量滾刀破巖效率的一個重要指標。根據表2，滾刀的臨界應力和破巖效率隨刀刃角變化的曲線如圖9所示。從圖9可見，臨界應力隨刀刃角的增加而增大，但破巖效率隨刀刃角的增加而先增大后減小。這是因為巖石破碎面積隨著刀刃角的變化雖然有增加，但是增加的幅度小，而刀刃角越大，刀刃兩側與巖石接觸的面積增大，巖石抵抗壓入阻力亦大，滾刀需要增加額外的應力才能破碎巖石。

圖9 不同刀刃角下的臨界應力與破巖效率Fig.9 Critical stress and breaking efficiency of disc cutter with different blade angles

圖10 不同刀刃角下裂紋長度與裂紋擴展能力Fig.10 Crack length and ability of crack expansion with different blade angles

根據表2，中間裂紋和斜裂紋長度隨刀刃角的變化規律如圖10所示。由圖10可知：隨著刀刃角的增大，中間裂紋長度先增大后減小，斜裂紋長度隨著之增大，但增大的幅度減小。為了衡量裂紋的擴展能力，將單位應力下產生的巖石裂紋長度作為衡量裂紋擴展難易程度的重要指標。中間裂紋和斜裂紋的擴展能力如圖10所示。分析表明，中間裂紋和斜裂紋的擴展能力都隨刀刃角的增大先增大后減小。當刀刃角為45°時，裂紋擴展是最充分。當刀刃角越小，主要以中間裂紋發育為主，中間裂紋主要破壞深處巖石結構，對于剝落破碎巖石貢獻較小，屬于無效破巖，巖石的剝落主要是依靠相鄰斜裂紋的貫通；刀刃角越大，主要以斜裂紋的發育為主，斜裂紋雖然發展更快，裂紋擴展長度越大，但是需要的載荷也隨著增大，導致單位應力下產生的巖石裂紋長度減小，這表明刀刃角的變化大小對中間裂紋和斜裂紋擴展有著重要的影響，但總體上中間裂紋長度比斜裂紋長度要大。

對于刀刃角較大的刀圈，隨使用時間延長，刀刃寬變大，刀刃與巖石接觸面積變大，需要克服巖石阻力也變大，破巖效率減小。刀刃和巖石的接觸寬度隨著磨損的增加而增加，要達到和磨損前同樣的切深所需要的推力變大。邊緣滾刀位于刀盤邊緣，線速度較大，滾刀走過的路程長，比正滾刀更容易磨損。一般對于硬巖，刀刃角不宜過小也不宜過大。

2.3 不同材料對破巖過程的影響分析

模擬刀刃角為15°的邊緣滾刀分別切削混凝土、砂巖、花崗巖和大理巖的破壞過程，得到的裂紋擴展情況如圖11所示。

圖11 對不同材料的破壞數值模擬Fig.11 Simulation of rock breaking at different materials

從圖11可知：混凝土與3類巖石的損傷及主裂紋的擴展規律大致相同，但隨著被切削材料強度增大，裂紋擴展越不充分，混凝土強度較低，抗變形能力較弱，破壞損傷范圍最大，裂紋充分擴展；大理巖強度大，彈性模量大，抗變形能力強，對巖石裂紋擴展的阻礙作用大，滾刀更難侵入巖石深處，巖石內部損傷范圍較小，裂紋擴展不充分，裂紋數量少。

根據表3，滾刀切削不同強度材料所需要的臨界應力和破巖效率如圖12所示。從圖12可見，混凝土臨界應力最小，破巖效率最高；大理巖的臨界應力最大，破巖效率最低。這是因為破碎面積隨著被切削材料強度的增加而減小，而強度高的巖石也需要更大應力才能破碎巖石，這可以解釋在實際工程中TBM掘進硬度較高巖石時施工效率較低這一事實。

圖12 不同材料下的臨界應力與破巖效率Fig.12 Critical stress and breaking efficiency of disc cutter with different materials

根據表3，邊緣滾刀在不同材料中產生裂紋長度和裂紋擴展能力如圖13所示。由圖13可知：隨著被切削材料強度增大，中間/斜裂紋長度和中間/斜裂紋擴展能力均減小。當滾刀侵入大理巖和花崗巖時，裂紋擴展最不充分。這是由于大理巖和花崗巖的強度高，對裂紋的擴展起著阻礙作用，滾刀很難侵入到巖石內部，斜裂紋和中間裂紋發展較慢，裂紋長度小。

圖13 不同材料下的裂紋長度與裂紋擴展能力Fig.13 Crack length and ability of crack expansion with different materials

2.4 實驗驗證及工程驗證

2.4.1實驗驗證

采用自行設計的回轉切削實驗臺(圖14(a))，對邊緣滾刀滾壓混凝土進行實驗。此實驗臺由主推進油缸推動滾刀壓入混凝土，回轉馬達帶動物料盤進行回轉運動，由此滾刀完成回轉切削。本次實驗貫入度為8mm，回轉速度為n=2.6 r/min。通過邊緣滾刀實驗得到的碎片如圖14(b)所示，由于受實驗條件的限制，無法細觀觀察試樣的裂紋擴展過程及衡量裂紋長度，只能從外觀上對破碎塊進行定性分析。混凝土破碎塊左右邊緣呈坡形，中間厚，邊緣薄；破碎塊大部分粗糙，不規則；邊緣小部分區域較光滑，且有明顯的摩擦痕跡，從側面上說明混凝土破碎是以張拉破壞為主并伴有部分剪切破壞的拉剪共同作用結果。

圖14 實驗驗證Fig.14 Experimental verification

2.4.2工程驗證

甘肅省引洮供水一期工程總干渠9號隧洞全長18275m，橫斷面型式為圓形，設計縱坡為1/1650。隧洞進口50m、隧洞中部920m和隧洞出口810m均采用鉆爆法施工，剩余洞段全部采用一臺TBM進行施工，采用滾刀直徑為432mm,刀刃角為15°。開挖長度為16 495m。開挖洞徑為5.75m，襯砌后凈斷面直徑為4.96 m。隧道沿線地質包括了砂巖、砂礫巖、含礫砂巖、云母石英片巖、大理巖。在TBM掘進大理石地段時現場收集的破碎塊如圖15所示，巖渣的一些區域粗糙，不規則，一些區域較光滑，且有明顯的摩擦痕跡，表明出現了拉破壞和剪破壞，測量的破碎塊面積約為5.0cm2，仿真結果與工程結果基本吻合，從而驗證了仿真方法可行性。

3 結 論

(1)TBM邊緣滾刀破巖過程包括裂紋萌生、擴展和破碎3個階段，張拉破壞是滾刀破巖裂紋生成與擴展的主要原因，并得到了實驗和工程驗證。

(2)邊緣滾刀的掘進界面為弧形，對于不同刀刃角滾刀接近弧面下端的斜裂紋比弧面上端的擴展更快，且先產生拉失效單元后產生壓失效單元。

(3)刀刃角對邊緣滾刀的破巖具有重要的影響。大理巖裂紋擴展能力隨刀刃角的增大先增大后減小，破巖效率也隨刀刃角的增大而先增大后減小。邊緣滾刀刀刃角不宜過小也不宜過大。

(4)4種不同材料的裂紋演化規律大致相同，但隨著被切削材料強度增大，裂紋擴展越不充分，裂紋擴展能力和破巖效率降低。其中大理石和花崗巖破巖效率較低，混凝土最高，其次是砂巖。

[1] 宋克志，袁大軍，王夢恕.盤形滾刀與巖石相互作用研究綜述[J].鐵道工程學報，2005(6)：66-69. Song Kezhi，Yuan Dajun，Wang Mengshu.Study review on the interaction between disk cutter and rock[J].Journal of Railway Engineering Society，2005(6)：66-69.

[2] 夏毅敏，羅德志，周喜溫.盾構地質適應性配刀規律研究[J].煤炭學報，2011，36(7)：1232-1236. Xia Yimin,Luo Dezhi,Zhou Xiwen.Study on the law of geology adaptability cutter selection for shield[J].Journal of China Coal Society,2011,36(7)：1232-1236.

[3] Chang S H，Choi S，Bae G，et al.Performance prediction of TBM disc cutting on granitic rock by the linear cutting test[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2006，21(3-4)：271.

[4] Bilgin N，Demircin M A，Copur H，et al.Dominant rock properties affecting the performance of conical picks and the comparison of some experimental and theoretical results[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences，2006，43：139-156.

[5] Gertsch R，Gertsch L，Rostami J.Disc cutting tests in Colorado Red Granite：implications for TBM performance prediction[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Science，2007，44(2)：238-246.

[6] 莫振澤，李海波，周青春,等.楔刀作用下巖石微觀劣化的試驗研究[J].巖土力學，2012，33(5)：1333-1340. Mo Zhenze，Li Haibo，Zhou Qingchun，et al.Experimental study of rock microscopic deterioration under wedge cutter[J].Rock and Soil Mechanics，2012，33(5)：1333-1340.

[7] Balci C.Correlation of rock cutting tests with field performance of a TBM in a highly fractured rock formation：a case study in Kozyatagi-Kadikoy metro tunnel，Turkey[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2009，24(4)：423-435.

[8] 梁正召，于 躍，唐世斌，等.刀具破巖機理的細觀數值模擬及刀間距優化研究[J].采礦與安全工程學報，2012，29(1)：84-89. Liang Zhengzhao，Yu Yue，Tang Shibin，et al.Numerical modeling of rock fracture mechanism under disc cutters and associated cutter spacing optimization[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2012，29(1)：84-89.

[9] 滿林濤，李守巨.盤形滾刀破巖過程有限元數值模擬[J].工程建設，2011，43(4)：1-5. Man Lintao，Li Shouju.Finite element numerical simulation of process of rock breaking by disc cutter[J].Engineering Construction，2011，43(4)：1-5.

[10] 馬洪素，紀洪廣.節理傾向對TBM滾刀破巖模式及掘進速率影響的試驗研究[J].巖石力學與工程學報，2011，30(1)：155-163. Ma Hongsu，Ji Hongguang.Experimental study of the effect of joint orientation on fragmentation modes and penetration rate under TBM disc cutters[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(1)：155-163.

[11] 姜勝強，譚援強，李 才,等.單晶硅力學性能及尺寸效應的離散元模擬[J].中國機械工程，2010(5)：589-594. Jiang Shengqiang，Tan Yuanqiang，Li Cai，et al.Study on mechanics properties and size effect of monocrystalle silicon using discrete element method[J].China Mechanical Engineering，2010(5)：589-594.

[12] 蘇利軍，孫金山，盧文波.基于顆粒流模型的TBM滾刀破巖過程數值模擬研究[J].巖土力學，2009，30(9)：2823-2829. Su Lijun，Sun Jinshan，Lu Wenbo.Research on numerical simulation of rock fragmentation by TBM cutters using particle flow method[J].Rock and Soil Mechanics，2009，30(9)：2823-2829.

[13] Moon T.Acomputational methodology for modeling rock cutting with a discrete element method：prediction of TBM rock cutting performance[D].Golden：Colorado School of Mines，2006.

[14] Bejari Hadi，Kakaie Reza，Ataei Mohammad，et al.Simultaneous effects of joint spacing and joint orientation on the penetration rate of a single disc cutter[J].Mining Science and Technology，2011,21：507-512.

[15] Okan Su，Nuri Ali Akcin.Numerical simulation of rock cutting using the discrete element method[J].International Journal of Rock Mechanics & Mining Science，2011,48：434-442.

[16] Gong Q M,Zhao J.Influence of rock brittleness on TBM penetration rate in Singapore granite[J].Tunnelling and Underground Space Technology,2007,22(3):317-324.

[17] Innaurato N,Oggeri C,Oreste P,et al.Experimental and numerical studies on rock breaking with TBM tools under high stress confinement[J].Rock Mechanics and Rock Engineering，2007，40(5)：429-451.

[18] 張 魁，夏毅敏，徐孜軍.不同圍壓及切削順序對TBM刀具破巖機理的影響[J].土木工程學報，2011，44(9)：100-106. Zhang Kui，Xia Yimin，Xu Zijun.Effects of confining pressure and cutting sequence on the rock-breaking mechanism by TBM cutter[J].China Civil Engineering Journal，2011，44(9)：100-106.

[19] 紀昌明，張照煌，葉定海.盤形滾刀刀間距對巖石躍進破碎參數的影響[J].應用基礎與工程科學學報，2008，16(2)：254-262. Ji Changming,Zhang Zhaohuang,Ye Dinghai.The influence of the disc cutter space on rock’s jump break coefficients[J].Journal of Basic Science and Engineering,2008，16(2)：254-262.

[20] Howarth D F,Bridge E J.Microfracture beneath blunt disc cutter in rock[J].Int.J.Rock Mesh.Min.Sci.Geomech.Abstr.，1988，25：35-38.

Numericalsimulationofrock-breakingmechanismbygagedisccutterofTBM

XIA Yi-min1，WU Yuan1，GUO Jin-cheng2，TIAN Yan-chao1，LIN Lai-kuang1，BIAN Zhang-kuo1

(1.StateKeyLaboratoryofHighPerformanceComplexManufacturing,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China;2.HunanHuayinEnergyTechnologyCo.,Ltd.,Changsha410001,China)

In order to study the impact by disc cutter’s blade angle and different materials to be cut on the rock breaking mechanism of the full face hard rock tunnel boring machine(TBM)，a series of interaction numerical models for rock-breaking with the gage disc cutter were established by UDEC.Based on the two-dimensional discrete element method,the process of the materials crack initiation，propagation and rock breaking due to the effect of the gage disc cutter were simulated.The results show that:(1)The tensile failure is the main reason for the crack initiation and propagation;(2)The length of cracks close to the upper end of cambered surface is longer than those which are close to the lower end;(3)Both of the crack expansion ability of marble and the breaking efficiency of disc cutter show an increasing trend at first and decreasing with the increasing of blade angle in the next part,so a proper blade angle should be chosen for hard rock;(4)Due to the increasing materials’ strength,the cracks show insufficient propagation,and the ability of crack expansion and the breaking efficiency of disc cutter are both decreased.In addition,compared with other materials,the gage disc cutter shows the smallest damage range for marble and the lowest breaking efficiency.Finally,the correctness and feasibility of the numerical method are verified by the experiment test and engineering data.

TBM；gage disc cutter；rock breaking mechanism；crack propagation

10.13225/j.cnki.jccs.2013.0177

國家重點基礎研究發展計劃(973)資助項目(2013CB035401)；國家高技術研究發展計劃(863)資助項目(2012AA041803)；國家自然科學基金資助項目(51074180)

夏毅敏(1967—)，男，江西永新人，教授。Tel：0731-88876926。 E-mail：xiaymj@mail.csu.edu.cn

TD421

A

0253-9993(2014)01-0172-07

夏毅敏，吳 元，郭金成，等.TBM邊緣滾刀破巖機理的數值研究[J].煤炭學報,2014,39(1):172-178.

Xia Yimin，Wu Yuan，Guo Jincheng，et al.Numerical simulation of rock-breaking mechanism by gage disc cutter of TBM[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):172-178.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.0177