TBM滾刀不同貫入度破巖動(dòng)力學(xué)特性分析

0 引言

21世紀(jì)將是人類開(kāi)發(fā)和利用地下空間的一個(gè)全新時(shí)代，隨著城市化速度的加快，人口數(shù)量增多，對(duì)地下空間資源的利用將持續(xù)成為焦點(diǎn)，近年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅猛，基建設(shè)施愈發(fā)重視，將加大道路交通建設(shè)，包括公路、鐵路、地鐵及水電等大型隧道工程項(xiàng)目，加大對(duì)地下空間的開(kāi)發(fā)對(duì)緩解交通擁堵有重要作用；通過(guò)加大對(duì)地下空間的開(kāi)發(fā)利用來(lái)緩解地面空間壓力；因此如何快捷有效地開(kāi)發(fā)地下空間資源成為目前重要的研究方向。以往對(duì)隧道的開(kāi)挖多采用傳統(tǒng)的爆破法，在這種方式下往往會(huì)造成許多安全事故，并且效率低下，經(jīng)濟(jì)成本過(guò)大；相對(duì)于傳統(tǒng)爆破法而言TBM在施工過(guò)程中可同時(shí)完成掘進(jìn)、出渣和支護(hù)等工序，其高效安全的特點(diǎn)較傳統(tǒng)施工方式而言在經(jīng)濟(jì)上也占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。研究表明，TBM滾刀破巖時(shí)其刀刃所受載荷狀況受到諸多因素的影響

，其中刃寬和貫入度是保證TBM獲得最佳掘進(jìn)速度的與掘進(jìn)效率的必要條件，也是降低掘進(jìn)成本的前提和關(guān)鍵

，盤(pán)形滾刀的動(dòng)力學(xué)研究對(duì)于提高掘進(jìn)性能具有重要的意義。

乘著個(gè)性解放的春風(fēng)她離開(kāi)了家庭走進(jìn)了校園，在與傳統(tǒng)的家庭倫理抗?fàn)幰环螅x擇了逃離這沉重的家庭環(huán)境，為了自由。內(nèi)心的責(zé)任感，與生俱來(lái)的母性讓其回歸家庭，而最終卻無(wú)家可歸。這一系列的遭遇讓我們看到一位女性在追求其自身解放的過(guò)程中的曲折與艱難。女性是脆弱的，一場(chǎng)悲劇往往會(huì)觸發(fā)其內(nèi)心負(fù)罪意識(shí)。從曾樹(shù)生的自我追求路程可以窺見(jiàn)女性解放道路的漫長(zhǎng)與曲折。

國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者在對(duì)滾刀掘進(jìn)力學(xué)性能進(jìn)行研究的時(shí)候都對(duì)貫入度進(jìn)行過(guò)分析，其中國(guó)外學(xué)者Armaghani Danial Jahed等

提出LMR方程用來(lái)評(píng)估TBM掘進(jìn)性能；Farrokh Ebrahim

利用數(shù)據(jù)庫(kù)研究了不同類型刀具間距下巖石類型和單軸抗壓強(qiáng)度對(duì)刀具貫入度的影響，提出了優(yōu)化刀盤(pán)貫入度和TBM刀盤(pán)整體性能的程序步驟；Afradi, Alireza

利用模糊研究方法、和諧搜索算法(HSA)和粒子群算法(PSO)對(duì)諾蘇德輸水隧洞掘進(jìn)機(jī)的貫入率進(jìn)行估算，并得出模糊模型比PSO和HAS具有明顯優(yōu)勢(shì)。

相比于國(guó)外來(lái)說(shuō)，盡管我國(guó)掘進(jìn)機(jī)行業(yè)起步要晚很多，并且由于國(guó)外對(duì)TBM核心技術(shù)封鎖較嚴(yán)格，初期來(lái)說(shuō)發(fā)展較慢且不盡如人意，但是國(guó)家對(duì)于掘進(jìn)機(jī)的研究從未中斷，在國(guó)家政策的大力支持和全力推動(dòng)下，經(jīng)過(guò)幾代人的長(zhǎng)期不懈努力我國(guó)的掘進(jìn)機(jī)行業(yè)已經(jīng)蓬勃發(fā)展起來(lái)了，慢慢的向國(guó)際先進(jìn)水平靠攏。國(guó)內(nèi)學(xué)者趙海峰 等

在研究滾刀破巖軌跡偏移影響因素時(shí)提出貫入度是其中一個(gè)重要原因，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)和分析處理得到貫入度對(duì)滾刀垂直偏移和橫向偏移的影響規(guī)律；龔秋明等

通過(guò)線性切割試驗(yàn)結(jié)果分析貫入度對(duì)滾刀破巖效率的影響，總結(jié)貫入度對(duì)滾刀力的影響，得出結(jié)論貫入度達(dá)到一定程度后并不能無(wú)限提高破巖效率；劉洪斌等

通過(guò)建模及非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析研究貫入度對(duì)盤(pán)形組合滾刀順次回轉(zhuǎn)切削性能的影響，得出施工中需要控制刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)速度與推進(jìn)速度合適比例關(guān)系；陳貝貝等

通過(guò)試驗(yàn)研究刀間距、掘進(jìn)速度和貫入度的關(guān)系，為同類型巖層現(xiàn)場(chǎng)施工提供試驗(yàn)基礎(chǔ)和參考。

滾刀在TBM組成中作為破巖的主要部件，在破巖中發(fā)揮著及其重要的作用，滾刀的力學(xué)性能也直接影響整個(gè)工程建設(shè)中的進(jìn)度和經(jīng)濟(jì)效益；根據(jù)滾刀與巖石的相互作用分析其力學(xué)特性，應(yīng)用數(shù)學(xué)和物理建模分析的方法，利用計(jì)算機(jī)三維建模和仿真軟件等手段進(jìn)行計(jì)算，對(duì)TBM滾刀進(jìn)行研究；總結(jié)前者經(jīng)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)對(duì)于破巖貫入度還是有許多學(xué)者研究，但是基本上都是圍繞破巖效率或者是整個(gè)刀盤(pán)優(yōu)化進(jìn)行研究，目前還沒(méi)有學(xué)者研究刃寬對(duì)滾刀運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和受力情況的影響，通過(guò)滾刀運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行深入研究，以動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)，建立滾刀三維模型，進(jìn)行仿真分析，分析不同貫入度下滾刀破巖時(shí)受力情況及運(yùn)動(dòng)規(guī)律，得出TBM在啟動(dòng)時(shí)刀盤(pán)扭矩最大的結(jié)論和破碎砂巖在選擇最優(yōu)貫入度時(shí)提供一定的參考意義。

1 動(dòng)力學(xué)仿真分析

1.1 滾刀破巖數(shù)值模型的建立

乳腺癌是我國(guó)女性高發(fā)的惡性腫瘤之一，目前臨床上以手術(shù)、放療、化療、內(nèi)分泌治療、生物靶向治療等作為治療乳腺癌的重要手段。雖然乳腺癌的治療水平日益提高，但其死亡率仍居高不下。而導(dǎo)致乳腺癌患者病情惡化和預(yù)后不良的主要原因就是腫瘤轉(zhuǎn)移。可以預(yù)見(jiàn)的是：有效抑制乳腺癌轉(zhuǎn)移，可以提高治療效果，延長(zhǎng)生存時(shí)間。隨著免疫治療的逐漸興起，本課題組希望篩選特異性表達(dá)在乳腺癌細(xì)胞上、且與乳腺癌轉(zhuǎn)移密切相關(guān)的抗原作為靶點(diǎn)，開(kāi)展免疫攻擊治療，從而達(dá)到抑制乳腺癌細(xì)胞浸潤(rùn)和遷移的目的。

在滾刀參與TBM破巖的整個(gè)過(guò)程中，盤(pán)形滾刀發(fā)揮著極其重要的作用，破碎巖石由滾刀直接完成，由此滾刀與巖石接觸其接觸面主要存三種外力作用

，即法向推壓力(垂直力)、滾動(dòng)力、側(cè)向力三種作用力

；垂直力是指垂直于巖石掌子面那個(gè)方向的作用力，由滾刀垂直指向巖石破碎面；滾動(dòng)力是指滾刀與巖石接觸部分的摩擦力，而側(cè)向力一般數(shù)值比較小，在研究滾刀破巖應(yīng)力分析時(shí)很少用到，一般可以忽略不計(jì)，在分析滾刀受力情況中只考慮垂直力和滾動(dòng)力，其三種作用力示意圖如圖1所示；在研究滾刀受力情況的數(shù)學(xué)模型方法中有伊萬(wàn)斯

(Evans)滾刀垂直力

預(yù)測(cè)公式：

在參考模型中,散射體數(shù)量是無(wú)限的,即N→∞.假設(shè)散射體僅散射一次,而且經(jīng)過(guò)散射體散射到達(dá)接收機(jī)的功率是相等的,則復(fù)信道增益hpq(t)的散射部分可看作是來(lái)自N個(gè)散射體的矢量疊加:

摘 要：在大力推進(jìn)教育現(xiàn)代化的進(jìn)程中，教育信息化建設(shè)是學(xué)校的中心工作，其水平也逐漸被各級(jí)教育應(yīng)行政部門(mén)作為衡量學(xué)校辦學(xué)水平的一個(gè)重要指標(biāo)，而師生信息技術(shù)應(yīng)用能力的強(qiáng)與弱將直接關(guān)系到學(xué)校教育信息化水平。從管理、培訓(xùn)、競(jìng)賽、應(yīng)用和科研等方面對(duì)師生信息技術(shù)應(yīng)用能力的提升工作進(jìn)行研究，找出對(duì)策。

破巖時(shí)，在刀盤(pán)推力與扭矩作用下滾刀會(huì)產(chǎn)生三種基本運(yùn)動(dòng)

，第一種運(yùn)動(dòng)是隨刀盤(pán)中心軸旋轉(zhuǎn)，類似于公轉(zhuǎn)之類的運(yùn)動(dòng)，分布在刀盤(pán)上的滾刀隨著刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)圍繞刀盤(pán)中心做圓周運(yùn)動(dòng)，這也是破巖中為其提供扭矩的關(guān)鍵部分；第二種運(yùn)動(dòng)方式是滾刀在第一種運(yùn)動(dòng)下跟巖石發(fā)生摩擦而繞自身軸旋轉(zhuǎn)，這種運(yùn)動(dòng)可以使?jié)L刀整個(gè)圓周均勻的與巖石摩擦，不至于滾刀某一端面長(zhǎng)時(shí)間磨損失效；最后一種運(yùn)動(dòng)也是破巖的關(guān)鍵所在，整個(gè)刀盤(pán)在TBM液壓系統(tǒng)的作用下由刀盤(pán)推力使?jié)L刀向前推進(jìn)擠壓巖石的運(yùn)動(dòng)

，這也使得滾刀向前剪切巖石，完成破巖，在實(shí)際施工現(xiàn)場(chǎng)中TBM刀盤(pán)上會(huì)布置許多滾刀，其中相鄰滾刀之間的距離稱之為刀間距，不同的刀間距也會(huì)直接影響到滾刀破巖效果。

本文研究TBM滾刀破巖選取的巖石物理性質(zhì)是以砂巖的材料屬性為參照，現(xiàn)實(shí)中砂巖一種常見(jiàn)的沉積巖，很具代表性，其成分主要由石英或長(zhǎng)石組成，物理特性表現(xiàn)為由沙粒膠結(jié)而成，其結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定，在我國(guó)分布范圍較廣，具有一定的參考價(jià)值；在選取砂巖進(jìn)行仿真時(shí)，首先假定其具有各向同性，連續(xù)均勻等特點(diǎn)，通過(guò)巖石彈塑性本構(gòu)關(guān)系模型建立適用于巖石仿真的擴(kuò)展Druker—Prager模型；砂巖力學(xué)參數(shù)如表1示。

在研究滾刀運(yùn)動(dòng)特性時(shí)需要掌握滾刀破巖的基本運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，明白滾刀破巖的基本原理；利用TBM在進(jìn)行掘進(jìn)工作時(shí)，整個(gè)刀盤(pán)是TBM的破巖前端部位，其刀盤(pán)上的滾刀作為關(guān)鍵部件最先與巖石面發(fā)生接觸，在刀盤(pán)的推力作用下滾刀被壓緊在巖石面上，刀盤(pán)為其提供向前的推力及滾刀旋轉(zhuǎn)的扭矩，其推力由液壓系統(tǒng)完成。

1.1.1 滾刀的運(yùn)動(dòng)特性分析

=

(1)

(2)

式中，

—巖石的單軸抗壓強(qiáng)度；

—滾刀受力面積；

—滾刀侵入巖石的深度(切深)；

—滾刀半徑；

—刃角。

故垂直力公式為：

(3)

屋內(nèi)是宇宙的黑洞，潑墨的黑猛然籠罩住他，像一張無(wú)形的網(wǎng)令他局促不安，動(dòng)彈不得。潛意識(shí)里他試圖在壓抑的黑暗中搜尋某種光亮，靠近光亮，掙扎，解脫，回到原點(diǎn)，光亮來(lái)源于一簇周身散發(fā)著瑩綠光暈的不規(guī)則物體，那是什么？他揉了揉眼睛，在好奇心驅(qū)使下他伸出手觸碰。

(4)

式中：

為巖石破碎角，與巖石性質(zhì)、自由面無(wú)關(guān)滾刀破巖滾動(dòng)力

(5)

滾刀模型簡(jiǎn)圖如圖2所示，滾刀模型主要由6部分組成：1刀圈；2擋圈；3刀轂；4浮游擋圈；5軸承；6心軸。在對(duì)滾刀進(jìn)行破巖動(dòng)力學(xué)仿真時(shí)，為了節(jié)省仿真時(shí)間和減少工作量，可以對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化，只留下刀圈部分進(jìn)行破巖仿真，在建模時(shí)只需要畫(huà)出刀圈部分的三維模型。

對(duì)于滾刀破巖預(yù)測(cè)理論，國(guó)內(nèi)外已有許多預(yù)測(cè)模型，單滾刀破巖廣泛采用東北工學(xué)院模型，巖石破碎面積

為：

1.2 滾刀模型

式中,∈為推導(dǎo)系數(shù)，大小與巖石形狀和破碎面積條件有關(guān)，毛面巖石為0

8。

在環(huán)境評(píng)方面，雖然中國(guó)已經(jīng)制定了相關(guān)的法律法規(guī)，但還沒(méi)有普及。有些單位沒(méi)有足夠的環(huán)保意識(shí)，只是追求經(jīng)濟(jì)利益，不重視環(huán)境影響保護(hù)，為了避免影響環(huán)境評(píng)估去采取某些非正式的方式，特別是一些鄉(xiāng)鎮(zhèn)的小企業(yè)，他們的生產(chǎn)方式是更廣泛，未采取有效措施防治污染造成嚴(yán)重環(huán)境污染。同時(shí)，中國(guó)目前的環(huán)境影響評(píng)價(jià)法律法規(guī)尚不完善，環(huán)境影響評(píng)價(jià)管理相對(duì)落后，基層環(huán)境影響評(píng)價(jià)制度不能有效實(shí)施，遠(yuǎn)未達(dá)到環(huán)境影響評(píng)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初衷。因此，我國(guó)環(huán)境保護(hù)工作者需要重視推廣環(huán)境影響評(píng)價(jià)制度。

1.3 巖石模型

1.1.2 滾刀破巖力分析與計(jì)算

2 滾刀破巖動(dòng)力學(xué)仿真分析

2.1 動(dòng)力學(xué)仿真設(shè)計(jì)流程

首先通過(guò)三維建模軟件將滾刀及巖石三維模型建好，然后將建好的滾刀刀圈模型和巖石三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分處理，最后賦予各方面材料和力學(xué)屬性后將其導(dǎo)入Adams中，在Adams中需要將導(dǎo)入的三維模型進(jìn)行位置調(diào)整，對(duì)其進(jìn)行仿真分析，滾刀作為定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)剛體，先將巖石模型進(jìn)行柔性化處理，在對(duì)應(yīng)的位置添加運(yùn)動(dòng)副、驅(qū)動(dòng)并修改驅(qū)動(dòng)函數(shù)，仿真參數(shù)設(shè)置終止時(shí)間0.1秒，步數(shù)100步。仿真導(dǎo)入的滾刀模型刃寬分別為18mm、20mm、22mm、24mm，巖石模型不變。在仿真計(jì)算運(yùn)行結(jié)束后， 可以在后處理模塊中導(dǎo)出仿真計(jì)算出來(lái)的數(shù)據(jù)，其中主要數(shù)據(jù)包括位移、速度、加速度、力、動(dòng)能、動(dòng)量等，本文內(nèi)容主要是研究滾刀在破巖時(shí)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，根據(jù)滾刀在不同貫入度條件下的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)其進(jìn)行破巖效果分析；其破巖仿真應(yīng)力云圖如圖3所示。

2.2 仿真結(jié)果

在Adams軟件中進(jìn)行仿真后得到多組后處理數(shù)據(jù)，根據(jù)研究對(duì)象要求然后將數(shù)據(jù)導(dǎo)出進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，圖4為處理后的數(shù)據(jù)曲線圖，是對(duì)多組刃寬滾刀切削巖石進(jìn)行仿真，得到不同貫入度情況下垂直力的平均值進(jìn)行記錄擬合成的曲線；以便于更加直觀的對(duì)其進(jìn)行比較。

圖中主要包含4組不同刃寬破巖垂直力隨貫入度變化曲線，圖中可以明顯看出曲線走向趨勢(shì)大致相同，成遞增趨勢(shì)，且橫坐標(biāo)越大其變化越明顯，從單個(gè)曲線可以看到縱坐標(biāo)隨橫坐標(biāo)增加而變大，并且隨著橫坐標(biāo)達(dá)到某一位置時(shí)縱坐標(biāo)增大變得明顯，并且刃寬不同該橫坐標(biāo)位置不同，如刃寬18mm破巖垂直力變化曲線相對(duì)較平緩，而刃寬24mm在貫入度4mm時(shí)開(kāi)始急劇變化，其他兩組發(fā)生此情況的貫入度大小也各不相同；比較不同刃寬曲線看出橫坐標(biāo)貫入度相同時(shí)刃寬越大相對(duì)應(yīng)的縱坐標(biāo)垂直力值越大，且在相同貫入度區(qū)間內(nèi)刀刃越寬斜率越大，曲線越陡。

2.3 總結(jié)

本文在對(duì)TBM滾刀進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究時(shí)，首先分析滾刀破巖受到三種作用力的影響，在這里主要對(duì)其中最關(guān)鍵的垂直力進(jìn)行分析，考慮到影響滾刀受力的因素較多，通過(guò)控制變量的方法把其他因素劃為常量保持不變，如滾刀材料、滾刀外型、滾刀大小等。

通過(guò)軟件仿真中測(cè)量得到的幾組滾刀垂直力隨貫入度變化的數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)對(duì)不同刃寬滾刀在同一貫入度以及同一貫入度時(shí)不同刃寬滾刀所受垂直力大小觀察發(fā)現(xiàn)：①垂直力與貫入度成一定的正比例關(guān)系，即相同刃寬的滾刀破巖時(shí)滾刀所受的垂直力隨貫入度增加而變大，刀刃越寬滾刀需要刀盤(pán)提供的扭矩越大；②根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可以看出當(dāng)貫入度達(dá)到一定值時(shí)滾刀受到的垂直力將急劇增大，這也說(shuō)明在實(shí)際破巖中需要根據(jù)巖石力學(xué)性能合理控制破巖時(shí)貫入度大小，以求達(dá)到最佳破巖效果。

3 結(jié)語(yǔ)

TBM在掘進(jìn)施工中滾刀破巖貫入度對(duì)施工效率影響較大，在一定的刀刃寬情況下破巖，滾刀所受應(yīng)力大小受貫入度大小影響較大；研究分析表明，在TBM施工工作時(shí)初始啟動(dòng)扭矩較大，然后趨于穩(wěn)定，在設(shè)計(jì)TBM時(shí)需要考慮到這一點(diǎn)，避免因啟動(dòng)功率較小造成設(shè)備損壞，影響施工進(jìn)度，造成經(jīng)濟(jì)損失。觀察受力曲線發(fā)現(xiàn)相同刃寬滾刀破巖其垂直力隨著貫入度的增大滾刀受力變大，如果應(yīng)力達(dá)到滾刀自身材料所能承受的最大應(yīng)力后可能造成滾刀碎裂失效，因此，在TBM現(xiàn)場(chǎng)施工之前需要對(duì)其施工區(qū)域進(jìn)行地質(zhì)勘察，取樣分析，并進(jìn)行仿真分析，在滾刀選型時(shí)提供一定的力學(xué)依據(jù)；由于地質(zhì)因素的多樣性，巖石也具有多樣性，其力學(xué)性能各不相同，所以對(duì)于滾刀破巖力學(xué)分析工作仍需繼續(xù)進(jìn)行。

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