TBM滚刀不同贯入度破岩动力学特性分析

0 引言

21世纪将是人类开发和利用地下空间的一个全新时代，随着城市化速度的加快，人口数量增多，对地下空间资源的利用将持续成为焦点，近年来我国经济发展迅猛，基建设施愈发重视，将加大道路交通建设，包括公路、铁路、地铁及水电等大型隧道工程项目，加大对地下空间的开发对缓解交通拥堵有重要作用；通过加大对地下空间的开发利用来缓解地面空间压力；因此如何快捷有效地开发地下空间资源成为目前重要的研究方向。以往对隧道的开挖多采用传统的爆破法，在这种方式下往往会造成许多安全事故，并且效率低下，经济成本过大；相对于传统爆破法而言TBM在施工过程中可同时完成掘进、出渣和支护等工序，其高效安全的特点较传统施工方式而言在经济上也占有绝对的优势。研究表明，TBM滚刀破岩时其刀刃所受载荷状况受到诸多因素的影响

，其中刃宽和贯入度是保证TBM获得最佳掘进速度的与掘进效率的必要条件，也是降低掘进成本的前提和关键

，盘形滚刀的动力学研究对于提高掘进性能具有重要的意义。

乘着个性解放的春风她离开了家庭走进了校园，在与传统的家庭伦理抗争一番之后，她选择了逃离这沉重的家庭环境，为了自由。内心的责任感，与生俱来的母性让其回归家庭，而最终却无家可归。这一系列的遭遇让我们看到一位女性在追求其自身解放的过程中的曲折与艰难。女性是脆弱的，一场悲剧往往会触发其内心负罪意识。从曾树生的自我追求路程可以窥见女性解放道路的漫长与曲折。

国内外许多学者在对滚刀掘进力学性能进行研究的时候都对贯入度进行过分析，其中国外学者Armaghani Danial Jahed等

提出LMR方程用来评估TBM掘进性能；Farrokh Ebrahim

利用数据库研究了不同类型刀具间距下岩石类型和单轴抗压强度对刀具贯入度的影响，提出了优化刀盘贯入度和TBM刀盘整体性能的程序步骤；Afradi, Alireza

利用模糊研究方法、和谐搜索算法(HSA)和粒子群算法(PSO)对诺苏德输水隧洞掘进机的贯入率进行估算，并得出模糊模型比PSO和HAS具有明显优势。

相比于国外来说，尽管我国掘进机行业起步要晚很多，并且由于国外对TBM核心技术封锁较严格，初期来说发展较慢且不尽如人意，但是国家对于掘进机的研究从未中断，在国家政策的大力支持和全力推动下，经过几代人的长期不懈努力我国的掘进机行业已经蓬勃发展起来了，慢慢的向国际先进水平靠拢。国内学者赵海峰 等

在研究滚刀破岩轨迹偏移影响因素时提出贯入度是其中一个重要原因，通过实验进行数据检测和分析处理得到贯入度对滚刀垂直偏移和横向偏移的影响规律；龚秋明等

通过线性切割试验结果分析贯入度对滚刀破岩效率的影响，总结贯入度对滚刀力的影响，得出结论贯入度达到一定程度后并不能无限提高破岩效率；刘洪斌等

通过建模及非线性动态响应分析研究贯入度对盘形组合滚刀顺次回转切削性能的影响，得出施工中需要控制刀盘转动速度与推进速度合适比例关系；陈贝贝等

通过试验研究刀间距、掘进速度和贯入度的关系，为同类型岩层现场施工提供试验基础和参考。

滚刀在TBM组成中作为破岩的主要部件，在破岩中发挥着及其重要的作用，滚刀的力学性能也直接影响整个工程建设中的进度和经济效益；根据滚刀与岩石的相互作用分析其力学特性，应用数学和物理建模分析的方法，利用计算机三维建模和仿真软件等手段进行计算，对TBM滚刀进行研究；总结前者经验发现对于破岩贯入度还是有许多学者研究，但是基本上都是围绕破岩效率或者是整个刀盘优化进行研究，目前还没有学者研究刃宽对滚刀运动状态和受力情况的影响，通过滚刀运动特性进行深入研究，以动力学理论为基础，建立滚刀三维模型，进行仿真分析，分析不同贯入度下滚刀破岩时受力情况及运动规律，得出TBM在启动时刀盘扭矩最大的结论和破碎砂岩在选择最优贯入度时提供一定的参考意义。

1 动力学仿真分析

1.1 滚刀破岩数值模型的建立

乳腺癌是我国女性高发的恶性肿瘤之一，目前临床上以手术、放疗、化疗、内分泌治疗、生物靶向治疗等作为治疗乳腺癌的重要手段。虽然乳腺癌的治疗水平日益提高，但其死亡率仍居高不下。而导致乳腺癌患者病情恶化和预后不良的主要原因就是肿瘤转移。可以预见的是：有效抑制乳腺癌转移，可以提高治疗效果，延长生存时间。随着免疫治疗的逐渐兴起，本课题组希望筛选特异性表达在乳腺癌细胞上、且与乳腺癌转移密切相关的抗原作为靶点，开展免疫攻击治疗，从而达到抑制乳腺癌细胞浸润和迁移的目的。

在滚刀参与TBM破岩的整个过程中，盘形滚刀发挥着极其重要的作用，破碎岩石由滚刀直接完成，由此滚刀与岩石接触其接触面主要存三种外力作用

，即法向推压力(垂直力)、滚动力、侧向力三种作用力

；垂直力是指垂直于岩石掌子面那个方向的作用力，由滚刀垂直指向岩石破碎面；滚动力是指滚刀与岩石接触部分的摩擦力，而侧向力一般数值比较小，在研究滚刀破岩应力分析时很少用到，一般可以忽略不计，在分析滚刀受力情况中只考虑垂直力和滚动力，其三种作用力示意图如图1所示；在研究滚刀受力情况的数学模型方法中有伊万斯

(Evans)滚刀垂直力

预测公式：

在参考模型中,散射体数量是无限的,即N→∞.假设散射体仅散射一次,而且经过散射体散射到达接收机的功率是相等的,则复信道增益hpq(t)的散射部分可看作是来自N个散射体的矢量叠加:

摘 要：在大力推进教育现代化的进程中，教育信息化建设是学校的中心工作，其水平也逐渐被各级教育应行政部门作为衡量学校办学水平的一个重要指标，而师生信息技术应用能力的强与弱将直接关系到学校教育信息化水平。从管理、培训、竞赛、应用和科研等方面对师生信息技术应用能力的提升工作进行研究，找出对策。

破岩时，在刀盘推力与扭矩作用下滚刀会产生三种基本运动

，第一种运动是随刀盘中心轴旋转，类似于公转之类的运动，分布在刀盘上的滚刀随着刀盘转动围绕刀盘中心做圆周运动，这也是破岩中为其提供扭矩的关键部分；第二种运动方式是滚刀在第一种运动下跟岩石发生摩擦而绕自身轴旋转，这种运动可以使滚刀整个圆周均匀的与岩石摩擦，不至于滚刀某一端面长时间磨损失效；最后一种运动也是破岩的关键所在，整个刀盘在TBM液压系统的作用下由刀盘推力使滚刀向前推进挤压岩石的运动

，这也使得滚刀向前剪切岩石，完成破岩，在实际施工现场中TBM刀盘上会布置许多滚刀，其中相邻滚刀之间的距离称之为刀间距，不同的刀间距也会直接影响到滚刀破岩效果。

本文研究TBM滚刀破岩选取的岩石物理性质是以砂岩的材料属性为参照，现实中砂岩一种常见的沉积岩，很具代表性，其成分主要由石英或长石组成，物理特性表现为由沙粒胶结而成，其结构比较稳定，在我国分布范围较广，具有一定的参考价值；在选取砂岩进行仿真时，首先假定其具有各向同性，连续均匀等特点，通过岩石弹塑性本构关系模型建立适用于岩石仿真的扩展Druker—Prager模型；砂岩力学参数如表1示。

在研究滚刀运动特性时需要掌握滚刀破岩的基本运动状态，明白滚刀破岩的基本原理；利用TBM在进行掘进工作时，整个刀盘是TBM的破岩前端部位，其刀盘上的滚刀作为关键部件最先与岩石面发生接触，在刀盘的推力作用下滚刀被压紧在岩石面上，刀盘为其提供向前的推力及滚刀旋转的扭矩，其推力由液压系统完成。

1.1.1 滚刀的运动特性分析

=

(1)

(2)

式中，

—岩石的单轴抗压强度；

—滚刀受力面积；

—滚刀侵入岩石的深度(切深)；

—滚刀半径；

—刃角。

故垂直力公式为：

(3)

屋内是宇宙的黑洞，泼墨的黑猛然笼罩住他，像一张无形的网令他局促不安，动弹不得。潜意识里他试图在压抑的黑暗中搜寻某种光亮，靠近光亮，挣扎，解脱，回到原点，光亮来源于一簇周身散发着莹绿光晕的不规则物体，那是什么？他揉了揉眼睛，在好奇心驱使下他伸出手触碰。

(4)

式中：

为岩石破碎角，与岩石性质、自由面无关滚刀破岩滚动力

(5)

滚刀模型简图如图2所示，滚刀模型主要由6部分组成：1刀圈；2挡圈；3刀毂；4浮游挡圈；5轴承；6心轴。在对滚刀进行破岩动力学仿真时，为了节省仿真时间和减少工作量，可以对其进行简化，只留下刀圈部分进行破岩仿真，在建模时只需要画出刀圈部分的三维模型。

对于滚刀破岩预测理论，国内外已有许多预测模型，单滚刀破岩广泛采用东北工学院模型，岩石破碎面积

为：

1.2 滚刀模型

式中,∈为推导系数，大小与岩石形状和破碎面积条件有关，毛面岩石为0

8。

在环境评方面，虽然中国已经制定了相关的法律法规，但还没有普及。有些单位没有足够的环保意识，只是追求经济利益，不重视环境影响保护，为了避免影响环境评估去采取某些非正式的方式，特别是一些乡镇的小企业，他们的生产方式是更广泛，未采取有效措施防治污染造成严重环境污染。同时，中国目前的环境影响评价法律法规尚不完善，环境影响评价管理相对落后，基层环境影响评价制度不能有效实施，远未达到环境影响评价系统设计的初衷。因此，我国环境保护工作者需要重视推广环境影响评价制度。

1.3 岩石模型

1.1.2 滚刀破岩力分析与计算

2 滚刀破岩动力学仿真分析

2.1 动力学仿真设计流程

首先通过三维建模软件将滚刀及岩石三维模型建好，然后将建好的滚刀刀圈模型和岩石三维模型进行网格划分处理，最后赋予各方面材料和力学属性后将其导入Adams中，在Adams中需要将导入的三维模型进行位置调整，对其进行仿真分析，滚刀作为定点运动刚体，先将岩石模型进行柔性化处理，在对应的位置添加运动副、驱动并修改驱动函数，仿真参数设置终止时间0.1秒，步数100步。仿真导入的滚刀模型刃宽分别为18mm、20mm、22mm、24mm，岩石模型不变。在仿真计算运行结束后， 可以在后处理模块中导出仿真计算出来的数据，其中主要数据包括位移、速度、加速度、力、动能、动量等，本文内容主要是研究滚刀在破岩时的运动状态，根据滚刀在不同贯入度条件下的仿真数据进行对比，对其进行破岩效果分析；其破岩仿真应力云图如图3所示。

2.2 仿真结果

在Adams软件中进行仿真后得到多组后处理数据，根据研究对象要求然后将数据导出进行数据处理，图4为处理后的数据曲线图，是对多组刃宽滚刀切削岩石进行仿真，得到不同贯入度情况下垂直力的平均值进行记录拟合成的曲线；以便于更加直观的对其进行比较。

图中主要包含4组不同刃宽破岩垂直力随贯入度变化曲线，图中可以明显看出曲线走向趋势大致相同，成递增趋势，且横坐标越大其变化越明显，从单个曲线可以看到纵坐标随横坐标增加而变大，并且随着横坐标达到某一位置时纵坐标增大变得明显，并且刃宽不同该横坐标位置不同，如刃宽18mm破岩垂直力变化曲线相对较平缓，而刃宽24mm在贯入度4mm时开始急剧变化，其他两组发生此情况的贯入度大小也各不相同；比较不同刃宽曲线看出横坐标贯入度相同时刃宽越大相对应的纵坐标垂直力值越大，且在相同贯入度区间内刀刃越宽斜率越大，曲线越陡。

2.3 总结

本文在对TBM滚刀进行动力学研究时，首先分析滚刀破岩受到三种作用力的影响，在这里主要对其中最关键的垂直力进行分析，考虑到影响滚刀受力的因素较多，通过控制变量的方法把其他因素划为常量保持不变，如滚刀材料、滚刀外型、滚刀大小等。

通过软件仿真中测量得到的几组滚刀垂直力随贯入度变化的数据，经过对不同刃宽滚刀在同一贯入度以及同一贯入度时不同刃宽滚刀所受垂直力大小观察发现：①垂直力与贯入度成一定的正比例关系，即相同刃宽的滚刀破岩时滚刀所受的垂直力随贯入度增加而变大，刀刃越宽滚刀需要刀盘提供的扭矩越大；②根据数据对比分析可以看出当贯入度达到一定值时滚刀受到的垂直力将急剧增大，这也说明在实际破岩中需要根据岩石力学性能合理控制破岩时贯入度大小，以求达到最佳破岩效果。

3 结语

TBM在掘进施工中滚刀破岩贯入度对施工效率影响较大，在一定的刀刃宽情况下破岩，滚刀所受应力大小受贯入度大小影响较大；研究分析表明，在TBM施工工作时初始启动扭矩较大，然后趋于稳定，在设计TBM时需要考虑到这一点，避免因启动功率较小造成设备损坏，影响施工进度，造成经济损失。观察受力曲线发现相同刃宽滚刀破岩其垂直力随着贯入度的增大滚刀受力变大，如果应力达到滚刀自身材料所能承受的最大应力后可能造成滚刀碎裂失效，因此，在TBM现场施工之前需要对其施工区域进行地质勘察，取样分析，并进行仿真分析，在滚刀选型时提供一定的力学依据；由于地质因素的多样性，岩石也具有多样性，其力学性能各不相同，所以对于滚刀破岩力学分析工作仍需继续进行。

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