不同地質(zhì)工況條件下TBM刀具破巖模式研究

張魁, 夏毅敏, 朱宗銘, 蘭浩, 林賚貺, 暨智勇

(1.中南大學(xué) 現(xiàn)代復(fù)雜裝備設(shè)計(jì)與極端制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410083; 2.School of Engineering, University of Hull,

不同地質(zhì)工況條件下TBM刀具破巖模式研究

張魁1,2, 夏毅敏1, 朱宗銘1, 蘭浩1, 林賚貺1, 暨智勇1

(1.中南大學(xué) 現(xiàn)代復(fù)雜裝備設(shè)計(jì)與極端制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410083; 2.School of Engineering, University of Hull,

Hull, HU6 7RX, UK)

為了提高TBM刀具在不同地質(zhì)工況下的適應(yīng)能力以及破巖效率，針對巖土介質(zhì)在刀具載荷作用下呈現(xiàn)的復(fù)雜應(yīng)力場，考慮巖土介質(zhì)的裂隙、節(jié)理及圍壓的耦合作用，基于離散元法，依次建立了單一特定地層下單刀切割含傾斜節(jié)理巖石、雙刀切割節(jié)理不發(fā)育巖石以及含水平節(jié)理巖石的2D離散單元模型，觀察到巖石在不同圍壓、節(jié)理參數(shù)、刀間距和切割順序下微裂紋的演化過程，并根據(jù)裂紋擴(kuò)展方向和破碎塊的形成規(guī)則的不同，歸納出TBM刀具切割巖土?xí)r12種不同典型破碎形式，最終獲得了破碎模式與具體工況的對應(yīng)關(guān)系。通過分析比較可知，大部分破碎形態(tài)與文獻(xiàn)試驗(yàn)觀察到的宏觀破碎現(xiàn)象具有良好的一致性。

TBM刀具；破巖模式；裂紋擴(kuò)展；工況；圍壓

Changsha 410083, China; 2. School of Engineering, University of Hull, Hull, HU6 7RX, UK)

隨著隧道掘進(jìn)機(jī)制造技術(shù)的不斷發(fā)展，隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)被廣泛應(yīng)用到隧道開挖的工程實(shí)踐中去[1]。TBM刀具是TBM掘進(jìn)施工的主要部件，它在掘進(jìn)過程中常常會遇到各種各樣的地質(zhì)工況，如淤泥、軟土、軟巖和微風(fēng)化硬巖等組成的復(fù)合地層以及差異巨大的巖石節(jié)理等。同時(shí)TBM所處的掘進(jìn)地層受到自重應(yīng)力、構(gòu)造應(yīng)力、巖石遇水后物理化學(xué)變化引起的膨脹應(yīng)力、溫度引起的熱應(yīng)力等綜合作用，這使得巖體處于原巖應(yīng)力狀態(tài)。數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)[2-5]以及現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)[6]無不表明巖石的可鉆性、巖石裂紋的演化及破碎模式、TBM性能以及TBM刀具的損耗均與圍壓、地質(zhì)條件，節(jié)理等存在著極為密切的關(guān)系。為了研究不同地質(zhì)工況下刀具的適應(yīng)性，提高刀具的破巖效率，本文采用離散元法[7]，依次建立了單刀切割含傾斜節(jié)理巖石、雙刀切割節(jié)理不發(fā)育巖石以及含水平節(jié)理巖石的UDEC[8]數(shù)值模型，通過改變圍壓、節(jié)理間距、節(jié)理角度、刀間距和切割順序這幾個(gè)重要參數(shù)，模擬TBM在單一地層中掘進(jìn)的地質(zhì)工況，系統(tǒng)地研究了TBM刀具作用下巖石的破碎模式及特點(diǎn)。

1 計(jì)算模型及參數(shù)選取

1.1 計(jì)算模型

對于含傾斜節(jié)理的巖石來說，單刀加載便可以產(chǎn)生較大的破碎塊，而對于節(jié)理不發(fā)育以及含水平節(jié)理的巖石而言，則需要至少兩把刀具切割巖石才能形成較大的破碎區(qū)。為了便于研究不同地質(zhì)工況條件下的破碎模式，設(shè)計(jì)了3組數(shù)值模型，模型示意圖如圖1所示。

(a) 單刀切割傾斜節(jié)理模型

(b) 雙刀切割節(jié)理不發(fā)育模型

(c) 雙刀切割水平節(jié)理模型圖1 仿真模型示意圖Fig. 1 Numerical simulation models

模型尺寸的選取應(yīng)盡量降低巖石的尺寸效應(yīng)并節(jié)省計(jì)算時(shí)間，參考文獻(xiàn)[4]中的尺寸參數(shù)，巖石尺寸設(shè)定為600 mm × 600 mm，比例為1∶1。TBM刀具與巖石接觸面的厚度為15 mm，刀具對巖石的作用等效成均布應(yīng)力載荷P(P1表示前刀，P2表示后刀)；Q為原巖圍壓，S為刀間距，js為節(jié)理間距，θ為節(jié)理夾角，尺寸b為節(jié)理位置尺寸。巖石底面邊界約束y向速度自由度，巖石塊劃分成單元尺寸為5mm的精細(xì)無限差分網(wǎng)格。設(shè)置局部阻尼系數(shù)為0.1，考慮重力的影響。

巖石采用Mohr-Clulomb[9]模型，其破壞準(zhǔn)則如圖2所示。

圖2 Mohr-Culomb準(zhǔn)則Fig. 2 Yield criterion of Mohr-Culomb

A到B線段由下式來描述：

(1)

B到C段由下式描述：

ft=σt-σ3

(2)

當(dāng)巖體內(nèi)某一點(diǎn)應(yīng)力滿足fs>0時(shí)，發(fā)生剪切破壞；當(dāng)滿足ft>0時(shí)，發(fā)生拉伸破壞。

圖1(a)、(c)中，兩相鄰塊體之間存在著巖石節(jié)理。定義塊體接觸邊上的所有網(wǎng)格點(diǎn)作為接觸點(diǎn)，以彈簧-滑移系統(tǒng)來模擬節(jié)理面。節(jié)理面的力學(xué)模型相關(guān)介紹參考文獻(xiàn)[8]。

1.2 巖體物理力學(xué)指標(biāo)

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告和室內(nèi)巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)，砂巖物理力學(xué)參數(shù)及節(jié)理參數(shù)由工程地質(zhì)勘察報(bào)告和室內(nèi)巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn)獲得，具體參見文獻(xiàn) [5]。

2 典型破巖模式

2.1 單刀切割含傾斜節(jié)理巖石

如圖3所示，單刀切割含傾斜節(jié)理巖石時(shí)具有5種典型破碎模式。其中，模式i、j與文獻(xiàn)[10]觀測到的現(xiàn)象基本一致。

(a) 破碎模式h

(b) 破碎模式i

(c) 破碎模式j(luò)

(d) 破碎模式k

(e) 破碎模式l圖3 單刀切割含傾斜節(jié)理巖石Fig. 3 A single cutter breaks rock with inclined joints

破碎模式h：刀尖下對應(yīng)節(jié)理面上產(chǎn)生微裂紋，并向上擴(kuò)展并與中間裂紋交匯，形成三角形破碎塊。破碎模式i：刀尖下對應(yīng)節(jié)理面處產(chǎn)生裂紋，并向上擴(kuò)展并與側(cè)向裂紋交匯，形成三角形破碎塊。破碎模式j(luò)：側(cè)向裂紋直接擴(kuò)展至節(jié)理面，形成三角形破碎塊。破碎模式k：刀尖下節(jié)理面上產(chǎn)生兩處拉應(yīng)力失效區(qū)，上部區(qū)域產(chǎn)生裂紋并水平擴(kuò)展，下部區(qū)域產(chǎn)生裂紋以一定角度與側(cè)向裂紋相向擴(kuò)展，三條裂紋交匯于一點(diǎn)形成三角形與梯形破碎塊。破碎模式l：刀尖下節(jié)理面上產(chǎn)生拉應(yīng)力失效區(qū)，并引發(fā)裂紋擴(kuò)展，該裂紋以一定角度與側(cè)向裂紋相向擴(kuò)展，交匯形成單個(gè)梯形破碎區(qū)。

2.2 雙刀切割節(jié)理不發(fā)育巖石

如圖4所示，雙刀切割節(jié)理不發(fā)育巖石時(shí)具有6種典型破巖模式。其中，模式a與Lindqvist等人[11-12]在實(shí)驗(yàn)室觀測到的破碎現(xiàn)象基本一致。

(a) 破碎模式a

(b) 破碎模式b

(c) 破碎模式c

(d) 破碎模式d

(e) 破碎模式e

(f) 破碎模式f圖4 雙刀切割節(jié)理不發(fā)育巖石Fig. 4 Double cutters break rock without joints

在破碎模式a中，側(cè)向裂紋逐漸擴(kuò)展，某時(shí)刻改變原有方向，趨于交匯并發(fā)生破壞。破碎模式b中，中間應(yīng)力失效區(qū)產(chǎn)生裂紋，并向下擴(kuò)展，與刀具兩側(cè)產(chǎn)生的側(cè)向裂紋交匯并形成兩個(gè)近似對稱的破碎區(qū)。破碎模式c為兩側(cè)向裂紋與中間區(qū)域下部相應(yīng)的裂紋交匯，巖石破碎。破碎模式d在側(cè)向裂紋發(fā)生貫穿之前，中間區(qū)域表里層的微裂紋已經(jīng)與側(cè)向裂紋發(fā)生交匯，巖石破碎。破碎模式e前刀產(chǎn)生的側(cè)向裂紋以某角度擴(kuò)展至一定深度后停止運(yùn)動，后刀生成新的側(cè)向裂紋，并以一定角度與前刀產(chǎn)生的側(cè)向裂紋交匯。破碎模式f前刀產(chǎn)生的側(cè)向裂紋以某角度擴(kuò)展至一定深度后停止運(yùn)動，后刀生成新的側(cè)向裂紋，某時(shí)刻突然改變其擴(kuò)展方向，并與前刀產(chǎn)生的側(cè)向裂紋交匯。

2.3 雙刀切割含水平節(jié)理巖石

雙刀同時(shí)切割含水平節(jié)理巖石時(shí)存在如圖5所示3種破碎模式，其中d，b模式的裂紋擴(kuò)展過程與文獻(xiàn)[13]中的描述一致。

破碎模式g為不對稱的裂紋擴(kuò)展模式，形成兩個(gè)破碎區(qū)。一個(gè)破碎區(qū)是刀具的側(cè)向裂紋與中間應(yīng)力失效區(qū)裂紋交匯形成的，另一個(gè)破碎區(qū)為側(cè)向裂紋，中間區(qū)域表里層的微裂紋共同形成。

綜上，仿真共觀測到12種典型的破碎模式。分析發(fā)現(xiàn)：中間裂紋僅在破碎模式h中參與生成破碎塊，其他破碎模式中均有側(cè)向裂紋參與形成。破碎模式a～g下，破碎塊的生成與相鄰刀具間側(cè)向裂紋的相互作用密切相關(guān)。另一方面，原巖圍壓以及刀間距的大小，決定了中間表/里層應(yīng)力失效區(qū)對側(cè)向裂紋擴(kuò)展影響程度以及影響方式。當(dāng)中間表/里層均參與破碎塊的形成時(shí)，最多能生成三塊主要的破碎區(qū)。模式a～g中除g模式外，其他均為對稱模式。破碎模式h～l出現(xiàn)在節(jié)理發(fā)育的巖層，由于非水平節(jié)理的存在，單刀就能夠產(chǎn)生加大的破碎區(qū)。除了模式k、l產(chǎn)生梯形破碎塊外，其他的模式的破碎塊均為三角形。

(a) 破碎模式g

(b) 破碎模式d

(c) 破碎模式b圖5 雙刀切割水平節(jié)理巖石Fig. 5 Double cutter break rock with horizontal joints

值得注意的是，上述捕捉到的不同裂紋擴(kuò)展模式中存在2個(gè)共性，即在刀具作用邊緣的巖石自由面上，形成了封閉的拉伸失效單元區(qū)，由于考慮到該失效區(qū)域巖石的抗拉強(qiáng)度會驟然降低且內(nèi)部應(yīng)力釋放迫使巖體彈性勢能降低，根據(jù)能量守恒定律，減少的能量一部分變成表面能用于形成新的碎塊表面，另一部分轉(zhuǎn)化為動能會使之崩裂脫離母巖，因此數(shù)值分析認(rèn)為在TBM刀具作用下，巖石會在刃側(cè)不可避免地產(chǎn)生較為劇烈的巖石崩裂現(xiàn)象。這種現(xiàn)象隨后被TBM刀具破巖試驗(yàn)中架設(shè)的高速攝像儀捕捉證實(shí)[14]。另外，在刀具侵入過程中，刀刃底部產(chǎn)生錐形失效區(qū)，且在錐形失效區(qū)內(nèi)部，由于壓應(yīng)力過大產(chǎn)生了局部粉碎或顯著塑性變形，開始在刃底出現(xiàn)一個(gè)袋狀或球狀的密實(shí)核。在雙刃TBM球齒滾刀切割無節(jié)理砂巖實(shí)驗(yàn)[14]中，同樣捕捉到了相似形狀的密實(shí)核。

3 不同地質(zhì)工況對應(yīng)的破碎模式

進(jìn)一步研究表明，不同的刀間距、圍壓、切割順序、加載應(yīng)力，節(jié)理間距及節(jié)理夾角等均能引發(fā)不同的破碎模式。含傾斜節(jié)理的巖石破碎模式與工況的對應(yīng)關(guān)系如下表1所示。

表1 含傾斜節(jié)理的巖石破碎模式

表中可以看出：節(jié)理夾角為15°時(shí)，無論何種圍壓下僅以h模式破碎。當(dāng)角度大于15°時(shí)，節(jié)理角度與圍壓共同決定了巖石的破碎模式。結(jié)合2.1節(jié)對裂紋擴(kuò)展形態(tài)的描述可知，節(jié)理面上形成的裂紋與刃底右側(cè)向裂紋及中間裂紋之間組合交匯的方式，決定了巖石破碎塊的形狀。結(jié)合表3可知，當(dāng)節(jié)理夾角較小時(shí)(如15°)，左側(cè)向裂紋擴(kuò)展至節(jié)理面，以h模式破碎。當(dāng)左側(cè)向裂紋擴(kuò)展能力足夠時(shí)，沿節(jié)理面方向擴(kuò)展至巖樣邊界面時(shí)，以i、 j或k模式破碎。馬洪素等人[15]配置了2種不同強(qiáng)度的混凝土試塊，并利用波紋狀鋼片制備出節(jié)理面，隨后借助巖石三軸試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了TBM刀具(用平底鋼塊替代)侵巖試驗(yàn)。對比圖4和文獻(xiàn)[15] 捕捉到的兩種侵入載荷F下巖石宏觀破碎現(xiàn)象可知，相似工況下本文獲得的破碎模式i(j)及模式l分別與該試驗(yàn)觀察到的宏觀破碎現(xiàn)象一致。

無論是仿真研究還是試驗(yàn)觀察獲得的裂紋擴(kuò)展過程，均表明節(jié)理對裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展有阻隔作用。文獻(xiàn)[16]利用巖石應(yīng)力波理論解釋了該現(xiàn)象，即節(jié)理的存在改變了巖體中應(yīng)力波的傳播模式。一方面，節(jié)理面反射的拉伸應(yīng)力波加劇了節(jié)理與刀具間巖體的碎裂；另一方面，軟弱節(jié)理面破壞吸收了應(yīng)力波能量，阻礙了應(yīng)力波向下的傳播，減弱了下部巖體的破壞程度。

雙刀切割節(jié)理不發(fā)育巖石可能出現(xiàn)的破碎模式與工況對應(yīng)的關(guān)系如下表2所示。可以看出：無圍壓條件下，同時(shí)加載時(shí)機(jī)理不發(fā)育巖石僅以a模式破碎；順序加載時(shí)巖石僅以e模式破碎，隨著圍壓的增加，轉(zhuǎn)化成獨(dú)有的f模式。同時(shí)加載時(shí)，在一定刀間距下，隨著圍壓的增加，逐漸向b、c模式轉(zhuǎn)化；d模式僅出現(xiàn)于高圍壓、較大刀間距的場合。

表2 無節(jié)理巖石可能出現(xiàn)的破碎模式

圖6為廣州地鐵3號線北延段同和站-永泰站施工段現(xiàn)場采集到的普通巖石破碎塊，該段為淺層掘進(jìn)，巖石節(jié)理尚未發(fā)育。分析巖樣發(fā)現(xiàn)，破碎塊的表面寬度基本一致，為70 mm左右，與滾刀最優(yōu)刀間距相接近。破碎塊左右邊緣呈現(xiàn)弧形或直線形，底部窄，截面形狀與破碎模式a、e、f產(chǎn)生的塊體一致。這表明：破碎塊的形成與側(cè)向裂紋的交匯貫穿密切相關(guān)，仿真得到的部分破碎模式與淺地層現(xiàn)場施工所觀測的現(xiàn)象基本一致。

圖6 施工現(xiàn)場采集到的破碎塊巖樣Fig. 6 The sample of rock fragment collected in the construction situ

表3 含水平節(jié)理的巖石破碎模式

80 mm刀間距、含水平節(jié)理巖石、刀具同時(shí)加載時(shí)，不同工況對應(yīng)的破碎模式如表3所示。從上表中可以看出：含水平節(jié)理的巖石主要有3種破碎模式。無圍壓條件下僅以b模式出現(xiàn)；15 MPa圍壓下僅以d模式下出現(xiàn)；g模式僅出現(xiàn)在中低圍壓下。

4 結(jié)束語

本研究探明了TBM刀具切割巖石時(shí)可能存在的12種破碎模式，且通過分析比較可知，大部分破碎形態(tài)與文獻(xiàn)試驗(yàn)及仿真研究觀察到的宏、微觀破碎現(xiàn)象具有良好的一致性。鑒于掘進(jìn)地層下的地質(zhì)參數(shù)(如巖石節(jié)理、圍壓)和工作參數(shù)(如刀間距、加載順序)對巖石裂紋衍生及巖石破碎模式具有的影響，如何應(yīng)對不同地質(zhì)工況下可能出現(xiàn)的典型破碎模式以滿足TBM高效高地質(zhì)適應(yīng)性要求是未來進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。

[1]孫偉, 凌靜秀, 霍軍周, 等. TBM水平支撐不同接觸面積下的圍巖穩(wěn)定性分析[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2013, 34(7): 899-906. SUN Wei, LING Jingxiu, HUO Junzhou, et al. Stability analysis of surrounding rock of TBM gripper with different contact areas[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2013, 34(7): 899-906.

[2]霍軍周, 孫偉, 郭莉, 等. 多滾刀順次作用下巖石破碎模擬及刀間距分析[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2012, 33(1): 96-99. HUO Junzhou, SUN Wei, GUO Li, et al. Numerical simulation of the rock fracture process induced by multi-disc-cutters and cutter spacing design[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2012, 33(1): 96-99.

[3]CHO J W, JEON S, JEONG H Y, et al. Evaluation of cutting efficiency during TBM disc cutter excavation within a Korean granitic rock using linear-cutting-machine testing and photogrammetric measurement[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2013, 35: 37-54.

[4]張魁, 夏毅敏, 徐孜軍. 不同圍壓及切削順序?qū)BM刀具破巖機(jī)理的影響[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 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.

[5]張魁, 夏毅敏, 譚青, 等. 不同圍壓條件下TBM刀具破巖模式的數(shù)值研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2010, 32(11): 1780-1787. ZHANG Kui, XIA Yimin, TAN Qing, et al. Numerical study on modes of breaking rock by TBM cutter under different confining pressures[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(11): 1780-1787.

[6]彭道富, 李忠獻(xiàn). 特長隧道TBM掘進(jìn)施工技術(shù)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2003, 25(2): 179-183. PENG Daofu, LI Zhongxian. Study on TBM boring technique for construction of super long tunnel[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2003, 25(2): 179-183.

[7]JING L, HUDSON J A. Numerical methods in rock mechanics[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2002, 39(4): 409-427.

[8]Itasca Consulting Group. UDEC Reference Manual, Version 3.0[Z]. Minneapolis, USA, 1996.

[9]WAWERSIK W R, FAIRHURST C. A study of brittle rock failure in laboratory compression experiments[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1970, 7(5): 561-575.

[10]GONG Qiuming, ZHAO Jian, JIAO Yuyong. Numerical modeling of the effects of joint orientation on rock fragmentation by TBM cutters[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2005, 20(2): 183-191.

[11]LINDQVIST P A, LAI Haihui, ALM O. Indentation fracture development in rock continuously observed with a scanning electron microscope[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1984, 21(4): 165-182.

[12]李春, 李運(yùn)德, 黃哲龍, 等. 砼烷偶聯(lián)劑改性環(huán)氧玻璃鱗片涂料[J]. 廣東建材, 2005(9): 4-5. LI Chun, LI Yunde, HUANG Zhelong, et al. Epoxy glass flake coating modified by silane coupling agent of concrete[J]. Guangdong Building Materials, 2005, (9): 4-5.

[13]GONG Q M, JIAO Y Y, ZHAO J. Numerical modelling of the effects of joint spacing on rock fragmentation by TBM cutters[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2006, 21(1): 46-55.

[14]譚青, 張魁, 周子龍, 等. 球齒滾刀作用下巖石裂紋的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)觀測[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2010, 29(1): 163-169. TAN Qing, ZHANG Kui, ZHOU Zilong, et al. Numerical simulation and experimental observation of rock cracks under action of spherical tooth hob cutter[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(1): 163-169.

[15]馬洪素, 紀(jì)洪廣. 節(jié)理傾向?qū)BM滾刀破巖模式及掘進(jìn)速率影響的試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 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.

[16]廖志毅, 梁正召, 楊岳峰. 刀具動態(tài)作用下節(jié)理巖體破壞過程的數(shù)值模擬[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2013, 35(6): 1147-1155. LIAO Zhiyi, LIANG Zhengzhao, YANG Yuefeng, et al. Numerical simulation of fragmentation process of jointed rock mass induced by a drill bit under dynamic loading[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2013, 35(6): 1147-1155.

Rock-breaking modes of TBM cutters under different working conditions

ZHANG Kui1,2, XIA Yimin1, ZHU Zongming1, LAN Hao1, LIN Laikuang1, JI Zhiyong1

(1. Key Laboratory of Modern Complex Equipment Design and Extreme Manufacturing, Ministry of Education, Central South University,

In order to improve the adaptability and efficiency of a TBM cutter under different working conditions, simulation models were established, based on the 2-D discrete element method, of a single cutter breaking rock with inclined joints, and double cutters breaking rock without joints or with horizontal joints under a certain single formation. Factors included the complicated stress fields of rock and soil media under the load of a TBM cutter, with the coupling effect between rock cracks, joints, and various confining pressures. Microcrack propagation under different confining pressures, parameters of joints, cutter spacing, and cutting orders, was observed. Based on the propagation direction of cracks and the formation pattern of fragments, 12 typical types of breaking modes were established. Finally, the relationship between breaking modes and working conditions was obtained. Most of the modes obtained from this test are in good agreement with the macroscopic fragment phenomena captured by experimental observation in other literature.

TBM cutter; rock-breaking mode; crack propagation; working condition; confined pressure

2014-04-15.

時(shí)間：2015-07-27.

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51074180)；國家973基金資助項(xiàng)目(2013CB035401)；國家863基金資助項(xiàng)目(2012AA041801)；湖南省科技計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(2013GK3003)；湖南省戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)重大科技攻關(guān)項(xiàng)目(2012GK4068)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(CX2011B089)；中南大學(xué)貴重儀器設(shè)備開放共享基金資助項(xiàng)目(CSUZC2013013).

張魁(1985-), 男,博士研究生； 夏毅敏(1967-), 男, 教授, 博士生導(dǎo)師.

張魁, E-mail:csukui@163.com.

10.3969/jheu.201404047

TP391.9；U455.31

A

1006-7043(2015)09-1240-06

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.U.20150727.1256.004.html