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复杂地层盾构机刀盘刀具优化设计研究摘要：在盾构法隧道穿越江河过程中，刀盘刀具是保证盾构施工的重要部件，在盾构施工时，选用何种刀具配备通常取决于盾构机掘进的地层条件。
本论文以西气东输二线北江盾构穿越工程为例，介绍了盾构机刀具的种类和切削原理，并针对广东地区特殊地质情况，优化设计泥岩等复杂地层盾构机刀盘刀具的配置。
关键词：北江盾构；刀具种类；切削原理；优化设计Abstract: In the process of shield tunnel across the river, cutter head is the guarantee of the importantcomponents of shield construction . Choose tools type In shield tunnel usually depends on shieldconstruction machine tunneling formation conditions. This paper introduces the type of shield constructionmachine tools and cutting principle on the basis of the west-east second line of shield beijiang river projectand according to situation of guangdong area complex stratum, it optimize Cutter head configuration whenshield tunnelling in shale and sandy1 盾构机刀具种类刀具是是盾构机重要的部件，在盾构施工时选取何种刀具通常取决于盾构机掘进的地层条件。
为了适应从软土到硬岩不同地层的切削，开发了不同种类的切削刀具。
收稿日期：2017-05-16基金项目：国家自然科学基金项目（51609266）；国家重点研发计划课题（2016YFC0401804）；国家重点基础研究发展计划项目（2013CB035401）；中国水利水电科学研究院基本科研业务费专项项目（GE0145B452016，GE0145B822017）作者简介：刘立鹏（1983-），男，安徽六安人，高级工程师，主要从事岩石力学与岩土工程体稳定性研究。
E-mail ：liulip@文章编号：1672-3031（2017）05-0346-09中国水利水电科学研究院学报第15卷第5期TBM 滚刀破岩机理与影响因素数值模拟研究刘立鹏1，汪小刚1，刘海舰2，孙兴松1（1.中国水利水电科学研究院流域水循环模拟与调控国家重点实验室，北京100038；2.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京100037）摘要：为研究全断面岩石掘进机（TBM ）滚刀破岩机理与破岩效果影响因素，采用颗粒流程序（PFC ）建立滚刀破岩模型，通过单轴压缩与巴西劈裂试验结果，标定PFC 程序参数，模拟滚刀破岩过程并对岩石强度、围压等破岩效果影响进行研究分析。
结果表明：滚刀破岩历经前期压密、中期挤压剪切、后期挤压张拉破坏的组合破岩模式，整个破岩过程中滚刀出现反复加-卸荷交替及跃进破岩现象。
岩石强度过高难以产生径向裂纹、强度过低侧向裂纹扩展不明显，破岩效果均不佳，TBM 滚刀只对于中等强度范围内岩石较为合适。
围压影响裂纹生成与扩展，较高时将抑制径向裂纹发育，降低破岩整体效果。
研究成果可为TBM 选型及滚刀设计提供一定参考。
关键词：隧道工程；滚刀破岩机理；颗粒流程序；影响因素中图分类号：TU452文献标识码：A doi ：10.13244/ki.jiwhr.2017.05.0031研究背景1856年，美国约翰·威尔森制造出世界上第一台全断面岩石掘进机（Full Face Rock Tunnel BoringMachine ，TBM ），并在马萨诸塞州Hoosac 铁路隧道中进行了掘进试验。
5.2.3 刀具的破岩机理
5.2.3.1 硬岩的破岩机理
盾构机的切削装置由刀具（滚刀）、刀盘、刀盘驱动装置以及推进装置构成，这些组成因素对提高切削效率十分重要，滚刀破岩时，当其对岩石的挤压力超过岩石本身强度后，刀刃部分的合金刀片使岩石破碎，形成一道切削沟槽，刀刃继续挤压，岩石便产生龟裂，向周围扩散，切削沟槽两侧的岩石剥离破碎，通过刮刀刮除，快捷进入土仓。
见图5-5滚刀的破岩机理图和图5-6滚刀切削面状况图。
5.2.3.2 软岩的破岩机理
软岩的切削主要是刀具直接对土层进行剪切破坏来进行切削的， 具体详见图5-8。
图5-7 软岩切削刀具的切削原理
图5-5 滚刀的破岩机理图 图5-6 滚刀切削面状况图。
TBM盘形滚刀破岩机理的试验与模拟研究的开题报告一、研究背景盘形滚刀破岩机是一种高效、快速、安全的用于岩石爆破和地下挖掘的机械设备，被广泛应用于隧道、地铁、矿山等工程领域。
然而，在实际应用中，盘形滚刀的破岩效率、破岩速度、破岩质量等指标均受到材料的物理和力学性质的影响。
因此，对盘形滚刀破岩机理的研究和优化有着重要的意义。
二、研究目的本研究旨在通过试验和模拟方法，深入探究TBM盘形滚刀破岩机理，分析滚刀与岩石之间的物理相互作用，并优化破岩效率、破岩速度和破岩质量等指标。
三、研究内容1. 破岩机理分析：研究盘形滚刀的运动规律、破岩时的作用力与破岩岩石的反应力等机理问题。
2. 试验研究：通过搭建实验台架和破岩试验装置，分析盘形滚刀的破岩效率、破岩速度、破岩质量等指标，并对试验结果进行数据处理和分析。
3. 模拟计算：建立基于有限元法的盘形滚刀破岩模型，模拟盘形滚刀在不同岩石中的破岩情况，分析破岩效果并优化滚刀结构设计。
四、研究方法1. 文献资料法：搜集、整理TBM盘形滚刀破岩相关文献资料，了解研究背景和现状，明晰研究目标。
2. 实验法：设计盘形滚刀破岩试验装置，选用不同材质的岩石进行实验，研究滚刀与岩石之间的物理相互作用，获得试验数据并进行分析。
3. 数值模拟法：借助有限元软件建立盘形滚刀破岩模型，采用数值模拟方法分析盘形滚刀在不同材料中的破岩情况，为优化滚刀设计提供依据。
五、研究意义本研究对TBM盘形滚刀破岩机理的深入探究和优化具有重要意义，不仅可以提高盘形滚刀破岩效率和质量，还可以为岩石爆破和地下挖掘工程的实际应用提供技术支撑和参考。
牙轮钻头破岩原理
牙轮钻头是一种常用的岩石钻探工具，它通过旋转和冲击来破
碎岩石，实现岩石的钻孔作业。
牙轮钻头的破岩原理是基于其特殊
的结构和工作方式，下面我们来详细介绍一下牙轮钻头的破岩原理。
首先，牙轮钻头的结构包括钻头体、切削结构和牙轮。
钻头体
是整个钻头的主体部分，通常由合金钢制成，具有足够的硬度和耐
磨性。
切削结构是钻头上的切削刃，通常呈锥形或圆锥形，用于切
削岩石。
牙轮是钻头上的齿状结构，可以增加钻头与岩石之间的摩
擦力，提高钻进效率。
其次，牙轮钻头的工作方式是通过旋转和冲击来破碎岩石。
当
钻头旋转时，切削结构不断切削岩石，同时牙轮产生的冲击力也在
不断作用于岩石表面。
这种旋转和冲击的组合作用，可以有效地破
碎岩石，使得钻头能够顺利地钻进岩层。
最后，牙轮钻头的破岩原理可以总结为旋转切削和冲击破碎的
综合作用。
旋转切削主要是通过切削结构对岩石进行切削，而冲击
破碎则是通过牙轮产生的冲击力对岩石进行破碎。
这两种作用相互
配合，使得牙轮钻头能够高效地完成岩石钻探作业。
综上所述，牙轮钻头的破岩原理是基于旋转切削和冲击破碎的综合作用，通过钻头结构和工作方式的设计，实现对岩石的高效钻探。
牙轮钻头在矿山、隧道、地下工程等领域有着广泛的应用，对于岩石钻探作业具有重要的意义。
TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟杨圣奇;黄彦华【摘要】采用颗粒流再现了锦屏大理岩脆—延—塑性转化特征,利用获得的细观参数建立TBM滚刀破岩离散元模型,模拟了单个TBM滚刀侵入断续单裂隙岩体过程,分析了裂隙倾角和围压对滚刀破岩效果的影响规律,最后从细观层面探讨了滚刀破岩机理.结果表明:含单裂隙岩体在单刀作用下,总体上表现为压缩性破坏、规则裂纹萌生与扩展、粉核区形成和主裂纹贯通4个阶段;当裂隙水平时翼裂纹萌生于裂隙中部,裂隙倾角较小时翼裂纹萌生于距尖端一定距离处,随着裂隙倾角的增大翼裂纹在裂隙尖端萌生.随着围压的增大,粉核区的范围逐渐变大,在高围压作用下出现侧向裂纹向自由面扩展;裂隙岩体比完整岩石更容易发生破坏,而且不同倾角裂隙岩体破坏难易程度也有所不同,总体上表现为:15°＜45°＜60°＜0°＜30°＜90°＜75°破岩由易到难.有围压条件下破岩难于无围压条件,且困难程度随着围压的提高而增大.【期刊名称】《煤炭学报》【年(卷),期】2015(040)006【总页数】10页(P1235-1244)【关键词】TBM;滚刀破岩;颗粒流模拟;细观机理;大理岩【作者】杨圣奇;黄彦华【作者单位】中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116;中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室,江苏徐州221116【正文语种】中文【中图分类】U451.2杨圣奇,黄彦华. TBM滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟[J].煤炭学报,2015,40(6):1235-1244. doi:10. 13225/ j. cnki. jccs. 2014. 3036Yang Shengqi,Huang Yanhua. Particle flow simulation on rock fragmentation process and meso-mechanism by a single TBM cutter[J]. Journal of China Coal Society,2015,40(6):1235-1244. doi:10. 13225/ j. cnki. jccs. 2014. 3036全断面岩石掘进机(tunnel boring machine,TBM)具有施工快、质量高和操作环境好等优点,已被应用与公路隧道、水利隧洞等岩石工程中。
PDC钻头齿的破岩机理和性能测试方法研究现状李彦操（中石化胜利油田分公司, 工程技术管理中心, 山东东营 257000）摘要 聚晶金刚石复合片（polycrystalline diamond compact，PDC）钻头，是钻井工程中主要破岩工具之一。
PDC钻头切削齿的破岩效率、耐磨性、热稳定性和抗冲击性等性能指标对PDC钻头的使用效果影响很大，相关研究在国内外备受关注。
本文总结了国内外有关PDC钻头齿破岩机理和性能测试的实验装置、测试方法等代表性成果，按照PDC钻头齿与岩石相互作用的方式，相关实验主要包括5大类：PDC钻头齿直线切削实验、旋转切削实验、落锤冲击实验、PDC钻头单齿静压实验以及全尺寸PDC钻头实验；按照测试目的，又可分为PDC钻头齿的破岩机理和性能测试2大类。
通过调研分析这些实验研究的优缺点，以期为PDC钻头齿的研究与优化、PDC钻头的整体个性化设计等提供参考。
关键词 PDC钻头齿；直线切削实验；旋转切削实验；落锤冲击实验；PDC单齿静压实验；全尺寸PDC 钻头实验中图分类号 TQ164; TG74; TG58 文献标志码 A 文章编号 1006-852X(2023)05-0553-15DOI码 10.13394/ki.jgszz.2023.0155收稿日期 2023-08-01 修回日期 2023-08-16自2000年起，随着科研人员对PDC钻头齿破岩机理的深化理解和超硬材料科学与生产工艺的不断进步，PDC钻头在石油和天然气钻井工程中的应用逐渐普及。
如今，PDC钻头在油气钻井领域占据了超过80%的市场份额，贡献了90%以上的全球钻井进尺，几乎成为全球高端钻头市场的主导力量[1]。
PDC钻头齿的技术进步极大地推动了油气钻井工程的效益增长，然而，其有限的耐磨性、热稳定性和抗冲击性仍是制约PDC钻头齿更广泛应用的因素。
因此，研究PDC钻头齿本身的材料特性及其破岩机理，存在着广阔的创新空间和潜力巨大的工业应用前景。
2017年第24卷第6期协同切削模式，滚刀处于非协同切削模式时，岩石破碎以剪切 破碎为主，协同切削模式下，侧向裂纹发生交汇，岩石破碎体积 瞬间增大，此时岩石破碎主要由剪切和张拉破坏引起，即岩石 的破碎体积会大大增加，导致破岩比能耗相对较低。
现假设盘 形滚刀破岩处于协同破碎模式，由图1中的破岩几何模型可 知，滚刀破碎形成的岩石体积可以表示成分段函数的形式：[Alps 0 < s ^22 + TV =\ ^ 2(2)[I • (T p +p tan /3) s >22 + T式中：T 是滚刀刀刃宽度；为贯入度；为滚刀的切削行程；V 为岩屑的体积；为岩石的自然破碎角；为岩碴破碎的厚度比。
根据Rostami 滚刀破岩的三向力预测模型，得到破岩过程 中的垂直力与滚动力，最终可得到滚刀破岩比能耗为：SE 二T p P 0[cos (爹）+sin (爹)p(Alps )T p P 0[cos ((2)) +s i n (|)p0 < 5 ^ 22 + Ts 22 + T()2(Tpl + p 2 /tann )滚刀破岩的有限元建模过程选用标准常截面盘形滚刀，其三维模型如图2 ( a )所示。
为了能节省计算时间，同时真实反应滚刀破岩情况，模拟过程只保留刀圈，其刀圈截面主要尺寸如图2( b )所示。
Q SU 19-8 ^(a )常截面盘形滚刀（b )滚刀简化截面尺寸图2盘形滚刀结构示意图引言近年来，随着城市化水平的不断提高，地下空间技术的高速发展，全断面隧道掘进机(TBM )施工技术以其施工中掘进速 度快、安全性高、环境危害小等诸多优点而得到广泛应用[1_2]。
TBM 盘形滚刀是掘进过程中破碎剥离岩体的主要工具，也是隧 道掘进机研究的关键部件和易损件，滚刀组合破岩效率对整机 的掘进效率与能耗有较大影响[34。
目前国内刀盘刀具的设 计制造主要借鉴国外技术，缺乏针对我国特有地质条件的刀盘 刀具研制，这必然会引起所生产的滚刀在工程施工中对地质条 件的适应性不足[5^]，因此，研究滚刀组合破岩关键因素与特 定地质的匹配性，对于提高盘形滚刀对复杂地质条件的适应 性，降低隧道掘进机能耗具有积极的现实意义。
TBM盘形滚刀破碎岩石机理及影响破岩力因素的研究共3篇TBM盘形滚刀破碎岩石机理及影响破岩力因素的研究1TBM盘形滚刀破碎岩石机理及影响破岩力因素的研究随着基础设施建设需要和城市地下空间利用需求的日益增长，地下工程的规模和复杂度不断提高。
作为地下工程中重要的、高效的、安全的施工方法，盾构掘进技术已经成为地下工程中的常见施工方法，其中，TBM（盾构机）作为盾构掘进技术的重要设备，在世界各地得到了广泛的运用。
TBM是把土（岩石）通过旋转机械工具开展撕裂或挤压形成碎块的机械设备。
其中，盘形滚刀是TBM中的一个重要破岩装置。
盘形滚刀的破岩效果很大程度上决定了TBM的施工效果，因此研究盘形滚刀的破岩机制和影响破岩力因素对于提高TBM的施工效率和安全性具有重要的意义。
在TBM施工中，盘形滚刀通过对岩石的撕拉和挤压，产生破碎效果，从而将岩石破碎成所需要的颗粒大小。
盘形滚刀的破岩机理包括机械原理和岩石物理学原理两个方面。
在机械原理方面，盘形滚刀的破岩作用主要是基于滚刀锋利的锋角和高转速的运动形成的撕裂和挤压作用。
在岩石物理学原理方面，盘形滚刀的破岩作用主要受到岩石物理参数的影响，如强度、韧性、断裂、岩石结构及质地。
影响盘形滚刀破岩力的因素包括滚刀结构参数、盘形滚刀集合模式、岩石物理参数、工作参数等。
滚刀结构参数包括滚刀角度、轮廓线、长度、钻头方向及排列方式等。
盘形滚刀集合模式包括盘形滚刀的数量、密度、形状及布局等。
岩石物理参数包括岩石的强度、韧性、断裂、岩石结构及质地。
工作参数包括盾构机的推进速度、转速、切削压力、刀盘压力、卸载器压力及进给速度等。
自上世纪80年代以来，许多学者对TBM盘形滚刀的破碎机理和影响因素进行了深入研究，并对其适用范围和技术性能进行了总结。
随着科技水平的不断提高，TBM盘形滚刀的结构设计和应用技术也不断创新，使得其施工效率和安全性得到更好的提高。
综上所述，TBM盘形滚刀作为TBM中的重要破岩装置，其破岩机理和影响因素的研究对于提高TBM的施工效率和安全性具有重要意义。
