基于ABAQUS的刀间距对滚刀破岩效率的影响研究

盾构机刀具刀盘配置对扭矩、刀头磨损及掘进速度的影响摘要:土压平衡式盾构机的刀盘具有切削、支撑、搅拌、土体改良等功能，因此在控制掘进效率、保持开挖面的稳定等方面起着决定性的作用。

盾构选型时必须结合地层的特殊性和通用性来确定刀盘型式、刀具的布置形式以及他们之间的组合方式。

刀盘结构的改造是为充分发挥不同地层条件下辐条式刀盘和面板式刀盘的独特优势，实现两者间的转换。

将面板式刀盘的六块面板的装配形式改为栓接加焊接的形式。

刀具布置形式优化是根据刀具的作用和运动轨迹对刀具的位置、形状进行合理的优化布置，增强刀具的切削能力、降低土体对刀具磨损进而达到保护刀盘本体，为盾构长距离掘进提供保障。

关键词:辐条式刀盘;面板式刀盘;刀盘结构设计;刀具布置形式前言伴随着我国城市化进程的加快，城市建设快速发展，城市规模不断加大，城市交通呈急剧增长的态势，21世纪将是中国城市轨道交通的新纪元，经济发展将会伴随更大的都市化，地铁交通的建设将促使城市的发展，甚至成为一个急迫的任务。

盾构机在隧道施工中，通过刀盘刀具对前方土体进行切削，刀具与土体的适应程度至关重要。

盾构是集液、电、气于一体的大型机械化专用施工设备，目前应用最广泛的是闭胸式盾构，主要分为泥水式和土压平衡式。

土压平衡式盾构机在复杂多变的地质条件下，其刀盘的结构型式、刀盘的支撑形式、刀具的选型、刀具的布置将直接影响到设备掘进的效果。

刀盘刀具于前方土体不适应，将使盾构掘进非常缓慢甚至寸步难行，直接影响到盾构机的工作效率、工程进展及工程的经济效益。

由于刀具是易损件，消耗量大，如果只是依靠进口刀具不仅供货期长，而且成本高，所以使用国产刀具势在必行。

在掌握盾构刀具切削机理和深刻认识刀具磨损相关因素的基础上，针对不同的施工地质进行刀盘刀具的选择、刀具的布置等盾构掘进设备最关键、最核心的问题，进而实现盾构机的国产化就显得尤为必要。

1 刀盘的布置针对不同的地层情况以及设备等情况，盾构的刀盘形式有很多，其主要功能为以下儿点：（1）切削功能:刀盘旋转时，通过布置在刀盘上各种形式的刀具切削土体，并将切削下来的土体刮到土仓。

滚刀滚动切削岩石的数值及试验研究谭青;杨秧;夏毅敏;易念恩;张旭辉【摘要】为了研究滚刀滚动切削岩石的性能,合理简化盘形滚刀滚压破岩过程,采用颗粒离散元法分别建立了考虑摩擦力的滚刀滚动切削有、无节理岩体模型,分析了滚动切削模拟过程中切削力、裂纹发育、岩石破碎形态的变化规律.利用滚刀回转切削试验台进行了破岩试验,得到切削力随工况变化的规律,验证了仿真模型的准确性.研究结果表明:对无节理岩体,提高贯入度会增加主干裂纹深度和破碎面积,提高切削速度会增加法向力,而对滚动力影响不大;对含节理岩体,岩体节理强度越强则主干裂纹越深,比能耗越高;岩体的节理倾向会对破岩比能耗产生一定的影响,正向倾角切削效率高于逆向倾角约12％;节理倾角越小,正、逆向节理倾角破岩比能耗差值越大;合理安排刀盘正反转可提高破岩效率.【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(045)008【总页数】10页(P69-78)【关键词】盘形滚刀;岩石力学;裂纹;节理;比能耗【作者】谭青;杨秧;夏毅敏;易念恩;张旭辉【作者单位】中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083;中南大学高性能复杂制造国家重点实验室,湖南长沙410083;中南大学机电工程学院,湖南长沙410083【正文语种】中文【中图分类】TP391.9;U455.39随着我国隧道工程建设的展开，全断面岩石掘进机(Full face rock tunnel boring machine，TBM)以其施工效率高、掘进安全、噪声小等诸多优点，在隧道施工中使用日益广泛.岩石的破坏和剥落通过刀盘上的盘形滚刀滚动切削来实现，然而在实际切削过程中，地质情况是复杂多变的，如岩石种类、节理等[1-2].国内外学者针对TBM不同工况下破岩效率进行了相应的滚刀切削试验.刘红岩等人[3]通过物理实验研究了节理对岩石的破坏模式、单轴抗压强度、弹性模量的影响.Howarth[4]通过线性切割试验研究了刀间距对破岩效果的影响.龚秋明等人[5]研究了岩石节理间距对破岩效果的作用，发现节理面对破岩过程中滚刀的力有很大影响.以上研究探讨了不同地质条件下掘进参数对滚刀滚动破岩效果的作用.近年来也有学者通过数值仿真研究滚刀切削岩石的工况并取得了一些成果.Bejari 等人[6-7]采用UDEC研究了节理对刀具破岩的影响，研究表明节理间距增大会减小刀具的切入率.Sun等人[8]采用有限元法对盘形滚刀的最优刀间距进行分析，并解决了平面刀盘的布置问题.Labra等人[9]采用混合离散元/有限元法建立滚刀切削岩石模型并分析掘进参数下滚刀破岩过程.马洪素等人[10]通过两组试验对不同节理倾向下裂纹走向进行研究，并通过FLAC分析了裂纹走向与应力场分布的关系.孔晓璇等人[11]及孙金山等人[12]通过PFC2D研究双滚刀侵入不同节理间距及节理倾角的岩体时裂纹的走向，得到了节理特征对裂纹扩展的影响.张桂菊等人[13]采用二维颗粒离散元研究岩石温度对破岩的影响.Liu等人[14-16]采用PFC2D研究单、多滚刀垂直侵入岩石的效率与岩石裂纹扩展形态.Choi等[17]采用PFC2D研究节理间距与节理倾角对滚刀受力的影响.谭青等[18]采用PFC2D研究滚刀侵入不同围压与节理条件岩石时破碎模式与破岩比能耗的规律.上述模拟研究多将滚刀滚动切削过程简化为滚刀垂直贯入岩体的过程，忽略滚刀水平滚动以及岩石摩擦因素.易于观察到滚刀垂直贯入岩石过程中裂纹发育规律，难以得到滚刀滚动破岩过程中岩石裂纹发育规律.此外，以上建立的岩石节理模型仅关注节理倾角或者节理间距，尚未考虑含节理岩体强度和节理倾向对破岩的影响.本文采用离散元数值方法建立了无节理滚动切削与含节理滚动切削模型，通过改变滚刀工作参数及岩石参数，对贯入度、切削速度、节理倾向、含节理岩体强度等参数进行模拟.通过观察仿真结果，得到破岩时滚刀受力、岩石裂纹数量变化、岩石裂纹生长过程，最后以回转试验对仿真得到的切削力进行验证.本文的创新之处在于：建立了考虑摩擦力的滚刀滚动切削数值模型，该模型与实际工程应用中滚刀破岩过程拟合度更高；分析不同工况下滚刀受力与岩石破碎模式的关联规律；建立了不同节理倾向、倾角与节理面强度的岩石模型，其结论适用地质范围更广.1 数值模型的建立1.1 简化滚刀模型TBM在掘进时，滚刀布置在刀盘上并伴随刀盘的运动而做垂直贯入和水平滚动(视掌子面为水平面)，滚刀与岩石相互作用时产生指向掌子面的法向力FN、与掌子面平行而指向滚刀平移方向的滚动力FR和受到回转切削影响生成的侧向力FL三种滚刀切削力，如图1所示.法向力主要由刀盘推力提供，滚动力主要由刀盘扭矩提供，侧向力主要由回转运行中滚刀对岩石的挤压力产生.考虑本文主要研究滚刀水平滚动破岩，忽视侧向力影响，因此将三维的滚刀运动简化为二维滚动过程.文献[14-18]研究证明，将滚刀三维破岩简化为二维破岩是可行的.本文以工程实践中的常用滚刀进行1∶2缩尺所得的小滚刀作为研究对象，其参数见表1.基于表1中参数，简化滚刀模型为二维模型.1.2 模型宏、细观参数的标定由于试验条件限制，假定切削对象为泥岩、砂岩等软岩，由于天然岩石内部初始损伤缺陷难以统计，为了增加试验的可重复性，降低试样物理力学性能分布的随机性，本文采用混凝土代替岩石进行研究.混凝土的制作和养护参照GB/T 50081-2002《普通混凝土力学性能试验方法标准》[19].在力学测试中心测得混凝土试样的物理力学性能参数如表2所示，由表2可知，混凝土强度等级为C20，其抗压强度等物理力学特性近似自然界的泥岩、砂岩等软岩[20].为建立颗粒流模型细观参数与材料宏观物理力学参数之间的联系，需要确定颗粒的基本尺寸等参数(表3).以单轴压缩、巴西劈裂和直剪试验对模型进行标定(图2)：单轴压缩试验见图2(a)；巴西劈裂试验见图2(b)；剪切试验见图2(c).通常采用试凑法按照一定规律反复调整细观参数，直到仿真输出曲线接近物理标定的曲线即可.标定得到的颗粒流模型细观力学参数见表4.图1 滚刀切削力示意图Fig.1 Cutter forces of the disc cutter表1 滚刀基本参数Tab.1 The basic parameters of the disc cutter直径/cm刀刃宽度/mm过渡圆弧半径/mm刀刃角/(°)2110420表2 软岩材料宏观参数Tab.2 Macro-parameters of soft rock material参数名单位数值密度kg/m32 360弹性模量GPa1.82抗压强度MPa21.88抗拉强度MPa1.47内聚力MPa4.12内摩擦角(°)35表3 颗粒流模型基本参数Tab.3 Basic parameters of PFC2DmodelRmin/mmRmax/Rminkn/ks0.31.22.5图2 颗粒流模型细观参数的确定Fig.2 Meso-parameters determination in PFC2D表4 细观力学参数Tab.4 Meso-mechanical parameters参数名单位数值颗粒密度kg/m32 950法向强度MPa15切向强度MPa15法向刚度N/m9.5×108切向刚度N/m3.8×108摩擦因数0.31.3 建立滚刀滚动切削数值模型为了研究滚动切削对破岩的影响，根据标定得到的细观力学参数分别建立无节理、含节理两种滚刀侵入岩体的切削模型.试样被安置在一个三面墙皆被固定的方槽中，模型尺寸为400 mm×200 mm.节理模型中节理特征通过JSET命令设置，由于滚刀的刚度远远大于软岩的刚度，所以将滚刀简化为刚体并赋予属性wall类型.滚刀在破岩过程中因摩擦力而被动转动，滚刀与岩石的接触摩擦因数取0.3.通过FISH语句可以提取滚刀受力等信息.仿真中材料的破坏过程可视为颗粒间连接键在载荷作用下断裂的过程.键连接有两种形式：接触键和平行键.通过设定键与颗粒的大小、强度，对不同的本构进行表述，当载荷超过预设键的强度时，便会使颗粒脱离接触而产生破坏，通过观察、统计仿真所得的微观裂纹可以了解岩体内部破碎情况.2 滚刀切削无节理岩石模型分析2.1 滚刀切削过程分析图3为滚刀滚动切削破岩过程，根据工程实践应用，设定滚刀贯入度为8 mm，切削速度为0.6 m/s.随着滚刀向前推进，岩体上层的岩石不断被破碎，滚刀前方产生较大的破碎块(图3(a))，同时岩体内部产生大量微裂纹，部分微裂纹汇聚成主干裂纹并向岩体深处扩展.图3 滚刀滚动切削岩石动态过程Fig.3 Dynamic process of rock cutting图4为滚刀切削力及滚刀角速度动态变化图.由图4可知，滚刀破岩过程中滚刀力曲线波动较大，且法向力的波动远大于滚动力.这说明岩石内部裂纹扩展主要由法向力主导，滚刀与岩石接触而转动，角速度均值约为5 rad/s，这说明滚刀的旋转瞬心在刀刃下方附近.图5为FISH函数记录的裂纹数目变化.随着切削行程的增加裂纹数目线性增加，张拉裂纹数目始终大于剪切裂纹数目，说明滚刀破岩过程中岩石的破碎以张拉破坏为主.切削行程/mm图4 滚刀力与角速度变化图Fig.4 Variation diagram of cutting force and angular velocity2.2 贯入度对滚刀切削的影响贯入度及切削速度的变化会改变滚刀与岩石的接触情况，同时受力、岩石破碎形态以及裂纹发育都会受到影响.图6反映了滚刀切削行程为300 mm，切削速度为0.6 m/s时不同贯入度下的切削状态.从图6可知，岩石破碎面积与主干裂纹深度均随贯入度的增加而增大.切削行程/mm图5 微裂纹个数随切削行程变化图Fig.5 Variation diagram of crack number with cutting length图6 不同贯入度下滚刀滚动破岩状态Fig.6 Rock breaking state under different cutting depths如图7所示，贯入度的增加使得主干裂纹平均深度大幅度增长.然而，随着贯入度的增加，主干裂纹平均长度与贯入度的比值在下降，说明随着贯入度增加，主干裂纹平均长度增速下降，单纯增加贯入度并不能有效增加主干裂纹长度.主干裂纹的扩张虽然消耗了大量能量，但并未直接将岩体剥落下来.较深的主干裂纹说明滚刀做功主要引起裂纹纵深发展，而用于表面破岩的做功较少，所以主干裂纹越长则破岩效率越低.此外，统计仿真结果可知，随着贯入度的增加，微裂纹数量线性增长.当贯入度较小时，剪切微裂纹占多数，在较大贯入度下，张拉微裂纹则占多数.这说明增加贯入度有利于张拉微裂纹的发育.通常岩石破碎效率以破碎比功[13]来衡量.本文为了简化模型，不考虑破碎块度大小，以掘进机常用的比能耗SE来衡量破岩效率.由于本文开展二维数值模拟，故将其定义为刀具切削单位面积岩石所需消耗的能量，表示为：(1)式中：SE为破岩比能耗(MJ/m2)；WN为滚刀法向力做功；WR为滚刀滚动力做功；FN为法向力(N)；FR为滚动力(N)；p为贯入度(mm)；J为滚刀的切削行程(mm)；S为岩石破碎的面积(mm2).一般情况下法向力做功为滚动力做功的5%[18]，故实际计算中只考虑滚动力做功.贯入度/mm图7 贯入度与裂纹深度关联规律Fig.7 Variation of cutting depth with crack depth随着贯入度的增加，滚刀滚动力和法向力都呈递增趋势(表5).其中，滚刀滚动力增长率远大于法向力的增长率，这说明滚动力对贯入度更加敏感.在工程中，一般控制滚刀的贯入度不超过10 mm以避免贯入度过大而增加滚刀的受力负荷，造成滚刀过早失效.由表5可知，随着滚刀贯入度的增加，破碎面积的增长速率下降，而比能耗迅速上升，最大增加量约为96%．说明增大贯入度虽然提高破岩速度，但是切削效率下降，且加剧了滚刀磨损，缩短了轴承寿命，导致提早换刀.因此，在施工中，不可盲目增加贯入度以提高掘进效率.表5 不同贯入度下滚刀滚动破岩参数统计表Tab.5 Simulation results with different cutting depth贯入度/mm滚动力/kN法向力/kN破碎面积/cm2比能耗/(J·cm-2)41.439.88110.503.8862.1912.23141.174.6584.0214.44176.926.82104.5815. 69180.177.632.3 速度对滚刀切削的影响图8为滚刀切削行程为300 mm，贯入度为6 mm时的破岩状态图.由图8可知，在不同切削速度下，岩体破坏状况相近，裂纹扩展情况及破碎块的形成亦相似.这说明切削速度对岩石破坏以及裂纹扩展的影响不大.此外，统计仿真结果可知，裂纹总数随切削速度变化波动较小，这说明切削速度不是影响微裂纹数目的主要参数.剪裂纹数目所占总裂纹数目的比例随切削速度的增加而上升.图8 不同切削速度下滚刀滚动破岩状态图Fig.8 Rock breaking state diagram with different cutting speed表6为不同切削速度下滚刀破岩的参数统计表.可知加大切削速度对滚动力、破碎面积和比能耗的影响并不大.滚刀法向力对切削速度较为敏感，随着切削速度的提升，法向力显著增加,当切削速度从0.4 m/s提高到1 m/s时，滚刀法向力增加约50%．因此，施工中在确保滚刀承受的法向冲击力不超过刀圈承载额的前提下，可提高切削速度增加破岩速度.表6 不同切削速度下滚刀滚动破岩参数统计表Tab.6 Simulation results with different cutting speed速度/(m·s-1)滚动力/kN法向力/kN破碎面积/cm2比能耗/(J·cm-2)0.42.128.9132.254.810.62.5210.6134.675.610.82.6111.6139.005.631.02.71 12.23131.176.203 滚刀切削含节理岩石模型分析3.1 滚刀切削过程分析已有研究表明[6,7,11]，节理特性对滚刀切削岩石有较大的影响.自然界中岩石的节理分布一般都比较复杂，同时滚刀与节理的相对位置也不断变化，因此，本文对此进行必要的简化.假定数值模型中只存在一组等间距节理(设节理间距恒为10 mm)，综合考虑节理倾向、倾角和含节理岩体强度对滚刀破岩的影响，规定节理倾向与滚刀掘进方向一致为正向，相反为逆向.图9和图10分别为水平0°和垂直90°，正、逆向倾角分别为20°、40°、60°和80°的节理岩体.含节理的岩体强度由节理面的颗粒细观参数(摩擦因数、法向强度、切向强度)间接决定.通过改变节理面的颗粒细观参数，可以得到不同强度的节理岩体(也有文献简称为节理强度)，即节理岩体具有不同的内聚力和内摩擦角.不同强度节理岩体的物理数值可通过直剪试验得到(图2(c)).研究发现，当摩擦因数一定时(本文设置摩擦因数为0.3)，法向强度与切向强度越大，得到含节理的岩体强度也会较大.本文用2种节理面颗粒连接强度(法向与切向强度分别取8 kPa和200 kPa)来描述低强度和高强度含节理岩体.图9和图10是切削距离为250 mm，贯入度为8 mm，削速度为0.6 m/s时的破岩状态图.其中，图9对应的节理面粘接强度为8 kPa，摩擦因数为0.3，节理强度较低.从图9可知，主干裂纹很少向纵深扩展，这是由于低强度节理面很容易起裂和断裂，阻碍了滚刀力向岩体深处传递，所以岩体深处很少有主干裂纹.此外，还可以观察到有大量碎块从岩体表面崩落，起裂方向大多垂直于节理面.图10对应的节理面粘接强度为200 kPa，摩擦因数为0.3，节理强度高.当节理倾向为正，倾角分别为60°与80°时可以观察到主干裂纹扩展方向有垂直于节理面的倾向，有的主干裂纹可以跨越几组节理面到达岩体深处.这说明较高的节理强度对于裂纹扩张的阻碍效应小于低节理强度.当节理倾向为逆向时，倾角分别为60°和80°时，主干裂纹扩展方向有平行于节理面的倾向，与无节理破岩比较(图6(c))，二者裂纹扩展形态非常近似，节理的存在对于主干裂纹扩展深度影响很小.图9 低强度含节理岩体(连接强度为8 kPa)Fig.9 Low strength for jointed rock masses(joint bond strength 8 kPa)图10 高强度含节理岩体(连接强度为200 kPa)Fig.10 High strength for jointed rock masses(joint bond strength 200 kPa)3.2 节理特征对微裂纹数量的影响微裂纹与节理关联规律如图11所示.由图11可知，高强度节理岩体含张拉裂纹数量多于低强度岩体，低强度节理岩体含剪切裂纹数量多于高强度岩体.考虑到岩石抗压不抗拉的特性，滚刀入侵高强度节理岩体时主要发生了张拉破坏.对低强度节理岩体而言，节理间连接强度较低，节理层容易断裂，因而剪切裂纹较高强度节理岩体多.岩体节理强度高时，正向节理倾角下含有更多的微裂纹数量.此外，节理倾角分别为20°、60°时，裂纹发育受到阻碍.节理角度/(°)(a)拉张裂纹数节理角度/(°)(b)剪切裂纹数图11 微裂纹与节理特征关系图Fig.11 Relation diagram of micro-crack numbers with joint characteristics3.3 节理特征对裂纹深度的影响节理倾角与节理强度对主干裂纹的扩展深度有着明显的控制作用：应力场不均分布导致低强度节理面容易产生张拉微裂纹起裂[10]，节理面对主干裂纹扩展起阻隔作用[5]，而且节理倾角能影响主干裂纹扩展方向.因此，在相同的主干裂纹长度下，裂纹深度会由于扩展方向的改变而改变.主干裂纹深度整体趋势规律如图12所示. 相较低强度节理面，高强度节理面中主干裂纹更容易扩展到岩体深处，这是由于低强度节理面对裂纹继续扩展起到阻隔作用.基于上文讨论，主干裂纹深度过大对于提高破岩效率并无直接益处，所以低节理强度更有利于提高破岩效率.由图12可看出，水平和垂直节理倾角下主干裂纹相对较长.在高强度节理面中，倾角分别为20°、60°时，主干裂纹较浅，且逆向节理倾角产生的裂纹较正向倾角更深，这反映了正向节理倾角下破岩更加高效.在低强度节理面中，正、逆向倾角则对裂纹深度无明显影响.节理角度/(°)图12 主干裂纹深度与节理特征关系图Fig.12 Relation diagram main crack depth with joint characteristics3.4 节理特征对破岩面积的影响在相同贯入度下，更大的破碎面积意味着更快的掘进速度.通过测量，可以得到破岩面积受节理特征影响的规律，如图13所示.正向倾角破岩面积更大，高强度节理面下该现象更显著.高强度节理倾角分别为80°与0°时，破碎面积相比其他倾角更大，该结论与谭青等[18]的结论一致.低强度节理倾角分别为20°、60°和90°时，破碎面积相对较小.节理角度/(°)图13 破岩面积与节理特征关系图Fig.13 Variation of breakingarea with joint characteristics3.5 节理特征对比能耗的影响通过仿真计算，得出滚刀力、破碎面积及比能耗等参数如表7所示.由于仿真条件限制，破碎块无法排出(图9(d))，导致在后续滚刀切削中已经崩落的岩石会进一步被滚刀破碎，造成滚动力增加.为了贴近实际施工状态，对仿真所得滚动力乘以系数φ(φ取值为0～1).根据表7中数据可以得到比能耗趋势如图14所示.表7 比能耗统计表Tab.7 Specific energy statistics table连接强度/kPa节理倾向节理倾角/(°)滚动力/kN破碎面积/cm2比能耗/(J·cm-2)8逆正03.48114.17.63203.81105.29.05404.13126.38.17604.31124.18.68804.42125.78.79904.10117.68.72203.31107.47.70403.54120.37.36603.74117.87.94804. 26126.98.39200逆正05.37137.79.74204.78126.59.45405.38133.710.06604.66124.09.40804.96133 .29.31904.70130.59.00204.27131.18.14404.79135.58.84604.27125.98.48804. 58133.88.56由图14可知，在相同掘进参数下，正向节理倾角比能耗均低于逆向倾角比能耗.这是由于在逆向倾角下，滚刀运动方向与节理夹角大多呈钝角，主干裂纹将沿节理面向深处扩展.在正向倾角下，夹角多为锐角，滚刀挤压节理面产生破碎块，因而阻断主干裂纹的扩展.该结论与文献[17]中结论一致.在垂直90°倾角时，滚刀力一部分与节理面相互作用使岩石破碎，一部分沿节理面向岩石内部传递.90°节理倾角比能耗介于正向和逆向倾角比能耗之间.由表7中切削比能耗计算可知，正向倾角下节理岩体切削效率高于逆向倾角约12%．对低强度节理岩体，当节理倾角分别为20°、40°、60°和80°时，比能耗减少比例分别为18%、11%、9%和5%；对高强度节理岩体，减少比例分别为16%、14%、11%和9%，这是由岩体的连接强度所决定的.在低节理强度下，岩体连接强度小，使岩体容易破碎，所以低强度节理岩体受节理倾角影响较大；反之，高强度节理岩体强度受倾角影响较小.低节理强度岩体比能耗普遍低于高节理强度岩体，这说明低强度节理面阻隔了主干裂纹向岩体深处扩展，减少了滚刀做功的无效耗散，提高了破岩效率.相反，高强度节理面不易阻隔主干裂纹向岩体深处扩展，破岩效率不如低强度节理岩体高.整体上，正向倾角为20°对提高滚动切削高强度节理岩体的效率有利，正向倾角为40°时对提高滚动切削低强度节理岩体效率有利.节理角度/(°)(a)低强度节理岩体倾向对比节理角度/(°)(b)高强度节理岩体倾向对比节理角度/(°)(c)逆向倾角高、低强度岩体对比节理角度/(°)(d)正向倾角高、低强度岩体对比图14 比能耗与节理特征关系图Fig.14 Variation of specific energy with joint characteristics4 试验验证4.1 试验系统组成试验在盘形滚刀回转破岩试验台上进行.如图15(a)和图15(b)所示，试验台由回转机械主机、液压系统、控制系统和测试系统构成.测试系统由三向力传感器、低通滤波器、USB采集卡、工控机、高速摄像系统、LabVIEW系统组成.高速摄像系统可以捕捉到岩体表面起撬直到崩落的全过程(图15(c)和图15(d)).切削对象为混凝土(仿软岩)，混凝土的物理力学指标见表2，滚刀参数见表1.图15 TBM滚刀物理切削试验Fig.15 Experiment of rock breaking by TBM disc cutter4.2 滚刀受力分析试验试验通过改变切削速度及贯入度来观察滚刀的受力状况，进行2组试验分别记录滚刀滚压过程中所受的三向力和滚刀行程.第1组试验为恒定速度：贯入度分别采用4 mm和10 mm，切削速度为0.6 m/s.第2组试验为恒定贯入度：切削速度分别采用0.4 m/s和1.0 m/s，贯入度为6 mm.不同贯入度与切削速度下切削力变化情况如图16所示.4.3 切削力误差分析PFC2D基本结构是一个三维的圆柱体(圆柱体有厚度，但是不能在Z轴上移动，只能在X和Y轴移动、转动)，厚度定义为滚刀刀刃宽，仿真得到的滚刀力与物理试验测试的滚刀力之差别在于是否考虑滚刀两侧摩擦力.本文研究滚刀在较小贯入度下的切削，此时摩擦力影响较小.根据仿真与试验滚刀力的数据做出误差分析，如表8所示.可见贯入度较大时，因摩擦力引入的误差会增大，平均误差为16.44%.这说明仿真得到的滚动力较为贴近工程实际情况.同时证明数值模型与试验试样的宏观物理参数一致性较高.图16 不同贯入度与切削速度下切削力变化曲线Fig.16 Cutting force with different cutting depth and speeds表8 不同掘进参数下的误差分析Tab.8 Error analysis under different cutting parameters贯入度/mm速度/(m·s-1)滚动力/kN仿真值试验值误差/%法向力/kN仿真值试验值误差/%40.61.431.5910.06 9.889.940.60 100.64.583.4632.3715.6913.8213.53 60.42.521.7444.83 10.68.5823.54 61.02.712.813.5612.2312.613.015 结论1)无节理切削组中，贯入度从4 mm 提高到10 mm会增加主干裂纹深度和破碎面积，但裂纹深度和破碎面积的增长速率会逐渐降低，且比能耗相应增加96%.相对法向力，滚刀的滚动力对贯入度更加敏感.施工中不能盲目增加贯入度，以免损坏刀架.2)无节理切削组中，当切削速度从0.4 m/s 提高到1．0 m/s时，滚刀法向力增加。

TBM盘形滚刀破岩数值模拟张禹;张延荣;辛倩【摘要】为研究切削深度和刃角对滚刀破岩的影响,以Mohr-Coulomb模型和岩石力学性质为基础,利用ABAQUS软件建立单把盘形滚刀破岩的三维有限元模型,实现对滚刀破岩过程的模拟,总结滚刀破岩机理.仿真结果表明,切削深度和刃角的变化对滚刀破岩影响均较明显;增大滚刀的切削深度会加速其磨损失效,选用小刃角滚刀破岩效率更高,刀具的磨损更小.【期刊名称】《现代制造技术与装备》【年(卷),期】2016(000)011【总页数】3页(P11-13)【关键词】盘形滚刀;Mohr-Coulomb模型;数值模拟;切削深度;刃角【作者】张禹;张延荣;辛倩【作者单位】沈阳工业大学机械工程学院,沈阳 110870;沈阳工业大学机械工程学院,沈阳 110870;沈阳工业大学机械工程学院,沈阳 110870【正文语种】中文先进轨道交通装备被《中国制造2025》规划列为十大重点支持、突破产业领域之一。

岩石隧道掘进机作为先进轨道交通装备，具有对周围环境影响小、自动化程度高、施工快速、优质高效、安全环保等优点。

盘形滚刀作为岩石隧道掘进机的关键部件，直接与岩石接触，因此，对盘形滚刀破岩进行三维有限元模拟，分析滚刀破岩机理，对改进滚刀结构，优化滚刀布局，进而提高施工效率具有重要的意义。

目前，国内外许多学者运用计算机仿真对滚刀破岩机理进行许多研究。

谭青[1]等利用离散元方法建立岩石与盘形滚刀的二维数值模型，研究了滚刀侵入岩石过程中切削深度、切削力和裂纹数三者的关系；刘泉声[2]等通过分析滚刀运动规律，研究了滚刀法向推力对破岩的作用；张照煌[3]等通过考虑岩石的各向异性，深入研究岩石在盘形滚刀作用下的形变和剥落特点；高浩[4]等利用数值模拟对滚刀破岩过程进行分析，研究盘形滚刀破岩过程中刀圈接触应力分布规律。

本文利用ABAQUS有限元软件，在Mohr-Coulomb准则和岩石力学性质的基础上，进行盘形滚刀破岩模拟仿真，研究不同刃角与切削深度对滚刀破岩的具体影响。

基于最小破碎比能TBM滚刀间距设计方法研究荆留杰;张娜;杨晨;鞠翔宇【摘要】正滚刀刀间距是TBM刀盘设计的重要参数之一,刀间距布置的合理性直接影响TBM破岩效率、刀具损耗等参数.本文首先基于最小破碎比能原理,确定相邻滚刀协同破岩时的合理刀间距,以压头侵入载荷与侵入深度的关系曲线为基础,提出单刀法向推力和贯入度计算模型,依据岩石破碎角几何关系计算不同贯人度下的最优刀间距,总结提出TBM正滚刀刀间距设计方法.结合某工程实例,计算查找TBM 在不同岩体中高效运行的贯入度区间和最优刀间距,设计结果与经验取值接近.该方法可用于类似TBM滚刀刀间距设计.【期刊名称】《铁道学报》【年(卷),期】2018(040)012【总页数】7页(P123-129)【关键词】TBM;滚刀;刀间距;设计方法【作者】荆留杰;张娜;杨晨;鞠翔宇【作者单位】中铁工程装备集团有限公司,河南郑州 450016;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;中铁工程装备集团有限公司,河南郑州 450016;中铁工程装备集团有限公司,河南郑州 450016;中铁工程装备集团有限公司,河南郑州 450016【正文语种】中文【中图分类】U455.6刀间距是衡量TBM刀盘设计质量的关键参数之一。

合理的滚刀刀间距设计可提高TBM开挖效率，降低开挖能耗，减小刀具磨损。

因此刀间距设计时要充分考虑岩体力学性质、刀盘直径、刀具尺寸以及TBM设计参数等因素。

目前，国内外学者主要通过数值模拟和室内试验等手段对刀间距设计参数进行研究。

文献[1-3]采用离散元方法，文献[4-6]采用有限元方法对滚刀破岩进行仿真计算，模拟岩石裂纹产生和扩展过程，通过定量分析岩石破碎体积，提出刀间距优化参数。

文献[1，4，7-9]利用滚刀切割试验台，进行不同刀间距和切深组合下的室内试验，研究滚刀法向推力(以下简称为推力)、贯入度以及岩渣形态的对应关系，通过对比不同试验条件下的岩石破碎比能，给出了最优刀间距与贯入度比值(S/p)。

双刃滚刀破岩特性与声发射试验研究林奇斌;曹平;李凯辉;曹日红;周科平;邓红卫【期刊名称】《中南大学学报》【年(卷),期】2018(025)002【摘要】节理倾角和间距是影响全断面隧道掘进机(TBM)破岩效率的重要因素。

到目前为止,许多学者基于理论研究、数值模拟和实验,研究了节理对滚刀破岩的影响。

然而,在多数研究中,节理对双刃盘形滚刀破岩的影响却很少。

因此,本文重点研究了节理倾角和间距对双刃盘形滚刀破岩效率的影响。

通过改装RYL-600岩石剪切流变仪,采用预制节理水泥砂浆试件模拟节理岩体,利用声发射测试系统进行声发射的定位特征分析,研究节理岩体在双刃盘形滚刀作用下岩石破坏的全过程。

试验结果表明:节理岩体有4种破坏模式和3种裂纹扩展形式;在岩石破坏过程中,节理对裂纹的扩展有明显的控制作用;在节理倾角为60°时试样破坏最严重,进一步验证了滚刀破岩的最优角是60°。

【总页数】11页(P357-367)【作者】林奇斌;曹平;李凯辉;曹日红;周科平;邓红卫【作者单位】[1]School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;[1]School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;[1]School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;[2]Department of Civil and Environmental Engineering, The Hong Kong Polytechnic University,Hong Kong 999077, China;[1]School ofResources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;[3]School of Civil, Environmental and Mining Engineering, The University of Western Australia,Perth 6009, Australia;[1]School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;[1]School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China【正文语种】中文【中图分类】TD631.01【相关文献】1.双刃滚刀破岩特性与声发射试验研究 [J], 林奇斌;曹平;李凯辉;曹日红;周科平;邓红卫2.节理岩体下TBM单刃和双刃滚刀破岩特性研究 [J], 张旭辉;夏毅敏;谭青;林赉贶;劳同炳;刘杰3.围压作用下TBM双刃中心滚刀破岩特性研究 [J], 张旭辉;夏毅敏;刘杰;谭青4.滚刀破岩引致岩石振动特性试验研究 [J], 薛亚东;廉旭;李兴;周杰;;;;;5.大型TBM盘形滚刀回转切割破岩特性试验研究 [J], 蒋宏亮因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

节理岩体下TBM单刃和双刃滚刀破岩特性研究张旭辉;夏毅敏;谭青;林赉贶;劳同炳;刘杰【摘要】In this study, we investigated the breaking behavior of rock penetrated by two types of tunnel boring ma⁃chine ( TBM) disc cutters with respect to the geological condition of the joint. We used the particle discrete element method to establish a model for penetrating the rock with the two types of cutters and analyzed the dynamic breaking behavior of rock and crack propagation. Our results show that the formation and propagation of cracks involves two classic stages and that the force and number of cracks differ when penetrating a jointed rock using two types of cut⁃ters. A change in the joint angle has guide and blocking effects on crack propagation. When using a double⁃pint cut⁃ter and the joint spacing is more than 80 mm, this angle controls the crack propagation. With respect to the forma⁃tion of rock chips, the rock exhibits regular andjoint⁃coordinated breaking modes based on the type of slag pro⁃duced by the breaking rocks. When using a single⁃point cutter, a change in joint angle deflects the stress distribu⁃tion caused by the cutter inside the rock but has little effect on the stress distribution caused by the two⁃point cutter. The rock⁃breaking efficiency of the two cutters changes with changes in the joint characteristics. When the cutter spacing is adequate, the double⁃point cutter has higher efficiency than the single⁃point cutter. There is an optimal cutter spacing that maximizes the efficiency of breaking rocks when the double⁃point cutter is penetrating a jointed rock,and this spacing will increase first and then decrease with increases in the joint angle.%为了研究在考虑节理地质条件下的两种TBM滚刀破岩规律，采用颗粒离散元法建立不同节理特征下两种滚刀的侵入破岩模型，分析节理岩体下两种滚刀侵入破岩的动态过程、裂纹扩展等规律。

基于能量原理的TBM刀盘掘进参数与刀间距匹配特性分析郭伟;宋立玮;朱殿华;刘建琴;孙红艳【摘要】Full face rock tunnel boring machine(TBM) is an important tunnel boring machine in the three-dimensional city construction, and the reasonable matchingbetween boring parameters (penetration and the cutterhead rotation speed) and disc cutter spacing is a key factor for achieving TBM construction effectiveness, as well as an im-portant basis for restricting the disc cutter layout and the cutterhead topology structure design. Based on the energy principle, the kinetic energy generated by cutterhead rotation is taken as the input energy, and both the release energy generated by rock failure and the friction work generated by disc cutter friction power are taken as the output energy. According to CSM prediction formula, the TBM rock breaking energy conservation model is established which matches parameters in many fields, mainly including geological parameters, cutterhead boring parameters, disc cutter spacing and so on. MB264-311-8030 mm TBM cutterhead is taken as an example to calculate the penetration through fixing disc cutter spacing. Finally under a constraint condition of the minimum specific energy, the cutterhead rotation speed is obtained which is within basic cutterhead drive parameters obtained from the literature. It is proven thatcon-sidering the reasonable energy consumption, the cutterhead boring speed model has engineering significanceand it also provides theoretical reference for the multi parameters coupling layout optimization design ofdisc cutters.%全断面岩石掘进机是立体化城市建设的重要隧道施工机械,其掘进参数(贯入度和刀盘转速)和刀间距的合理匹配是全断面岩石掘进机施工效能的关键因素,同时也是制约刀盘布局与拓扑结构设计的重要依据.基于能量原理,以刀盘转动产生的动能作为输入能量,以岩石破坏释放的能量与滚刀由于摩擦产生的摩擦功作为输出能量,借助CSM滚刀受力预测公式,建立包含地质参数、刀盘掘进参数、滚刀刀间距等多领域参数相匹配的TBM破岩能量守恒模型.应用此模型,以MB264-311-8030,mm TBM刀盘为工程实例,通过给定刀间距计算贯入度,最终得到最小比能约束条件下的刀盘开挖时的刀盘转速介于经文献查阅得到的刀盘驱动基本参数,说明从合理能耗考虑刀盘的掘进转速模型具有一定的工程意义,也为多参数耦合刀盘刀具布置优化设计提供了理论参考.【期刊名称】《天津大学学报》【年(卷),期】2017(050)002【总页数】7页(P128-134)【关键词】贯入度;刀盘转速;刀间距;能量【作者】郭伟;宋立玮;朱殿华;刘建琴;孙红艳【作者单位】天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室,天津 300072;天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室,天津 300072;天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室,天津 300072;天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室,天津 300072;天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】U25全断面岩石掘进机是城市立体化建设的重要标志，主要用于地下隧道管道建设施工．盘形滚刀是全断面岩石掘进的主要破岩工具，滚刀布置设计是优化刀盘设计、提高TBM的使用寿命和掘进效率、降低掘进成本、影响掘进机性能的重要因素[1-2]．比能是研究多滚刀协同破岩特性的重要能量指标，也是TBM刀盘布置设计与性能预测的重要影响因素．国内外不少学者从比能的研究角度对TBM滚刀刀间距与贯入度匹配特性以及性能预测进行了大量的研究与实验工作：暨智勇[3]基于UDEC 仿真软件和实验数据分析，吴玉厚等[4]基于ABAQUS仿真软件，霍军周等[5]采用RFPA2D仿真软件，谭青等[6]采用离散元法和实验分析，Cho等[7]利用数值模拟方法分别基于最小比能对滚刀的贯入度和刀间距与破岩效率影响特性进行了研究分析．Acaroglu等[8]基于科罗拉多矿业学院力学研究所的实验与经验数据库，运用模糊逻辑算法，建立界面盘形滚刀切割岩石过程中贯入度和刀间距的能量预测模型．Tuncdemi等[9]等通过施工和实验数据对3种不同刀刃的盘形滚刀在切削过程中的刀间距、贯入度对比能的影响进行了分析．Hanifi等[10]采用不同的岩石试样，通过线性切割实验分析不同侧向角、不同刀间距和切深下，非对称和对称的倾斜角度和不同切削模式对切削性能的影响和运动学规律．Cho等[11]采用autodyn-3d仿真软件模拟滚刀破岩的三维动态切割过程，通过模拟8种不同岩石的破碎规律，结合比能的概念，考虑滚刀的速度和比能量变分模型的尺寸效应，对不同滚刀破岩下的刀间距进行分析，对刀盘设计与性能评估具有一定的参考价值．Wang等[12]提出了一种基于能量方法的滚刀磨损预测模型．在TBM实际掘进过程中，有效的掘进参数包括两个：贯入度与刀盘转速．由文献综述可知：在针对比能的研究中，针对TBM刀盘贯入度进行掘进参数与刀间距的匹配分析已取得了一些进展，但对刀盘转速的研究甚少．本文以能量守恒理论为基础，通过深入分析滚刀在破岩过程中的受力特性以及各向力对岩石所做的功，基于能量守恒方程推导出在最小比能约束条件下将岩石特性参数、掘进参数(贯入度和刀盘转速)与刀间距相匹配的理论模型，为根据不同岩石属性选择刀盘转速提供理论依据．1.1 单把盘形滚刀破岩特性全断面岩石掘进机在隧道开挖过程中，滚刀与岩石接触，根据压痕实验和旋转与回转切削的特性，滚刀在破岩过程中的力可分解为3个方向的力：对岩体进行挤压作用的推压垂直力Fv，用于碾压切削作用的切向滚动力Fr，由于刀盘回转作用产生的侧向力Fs．科罗拉多矿业学院CSM模型通过对各种岩石样本进行大量线性切割实验与破岩特性的分析，推导出的单滚刀受力预测模型，是众多实际工程中得到广泛应用的数学模型，该模型用于估算滚刀破岩过程中所受到的合力，并将其进行分解，得到各分力模型[2]，如图1所示．式中：Ft为单把滚刀破岩时所受到的合力；ϕ,为滚刀切削岩石时的接触角；T为滚刀刀刃宽度；r为滚刀半径；σc为岩石单轴抗压强度；στ为岩石抗剪强度；P为滚刀贯入度；ψ为刀刃压力分布系数(滚刀若为V型滚刀，ψ＝0.2；滚刀刀刃宽度较大时，ψ＝－0.2；一般取ψ＝0.1)；C为无量纲系数，C≈2.12．1.2 多把盘形滚刀协同破岩特性在实际的工程掘进过程中，全断面岩石掘进机的掘进过程是多滚刀在合理的刀间距布局值S与贯入度P，在给定的转速和轴向掘进速度下进行协同破岩的结果．根据其单滚刀切削的特性，并结合滚刀的刀间距布置时的诸多原则(刀间距应保证在破岩过程中，滚刀相邻之间不应存在岩脊；相邻滚刀顺次破岩；破岩量差异最小化，单刀破岩量和使用寿命尽可能相等；多滚刀协同作用时不产生干涉)其典型的破岩特性如图2所示．由滚刀的受力模型和破岩特性可以看出：在刀盘掘进过程中，滚刀所受3个方向的切削力，刀间距S与贯入度P和岩石力学特性这些多领域参数之间的相互耦合作用，可视为刀盘滚刀布置设计的重要理论依据．为了将贯入度与刀间距更好的联系，Gertsch[13]提出了比能(specific energy，SE)的概念，定义为切削单位体积岩石所消耗的能量，最小比能可作为研究多刀协同破岩的重要指标之一(见图3)．其模型数学表达式可表示为式中：ES为刀盘比能；W为刀盘旋转一周所需要的能量；V为岩体被切的近似体积；Tr为刀盘扭矩；Rt为被开挖隧道半径．假设刀盘上盘形滚刀的数量为n，且第i把盘形滚刀所受到的推力为Fvi，所受到的滚动力为Fri，其安装半径为Ri则有以最小比能为前提条件，并结合滚刀的刀间距布置时的诸多原则，张照煌等[14]指出多滚刀切削破岩过程中，要使刀盘旋转一周时，刀盘上相邻两滚刀的切深相等，破岩量和滚刀磨损量相同，提出了使刀盘转动破岩过程中不存在未被连通的岩脊的理论模型S＜2Ptan,θ，其中θ为岩石破碎角，一般为65°～80°.TBM掘进施工中，滚刀切削岩石的过程实际上是能量的传递与转换过程，滚刀以力所做的功或动能的形式作为能量输入，将能量传递给岩石，能量在岩体内部积聚耗散，当能量达到饱和时，以岩石破碎的形式释放，在滚刀破岩过程中，由于滚动摩擦力的作用，一部分力所做的功或动能转化为摩擦能，摩擦能的一部分转化热能，引起温度的上升，故能量以岩石破碎能，摩擦能(包括热能)的形式输出，其能量传递转化关系如图4所示．2.1 输入能量盘形滚刀在刀盘上回转破岩过程中，在液压设备的推动和电机驱动下使刀盘以一定的前进推进速度vR和转速/BωR在其轴向方向下掘进破岩．在岩石掌子面上，刀盘带动滚刀绕其中心公转，同时每把盘形滚刀以/Bωri绕滚刀中心自转切削岩石，最终使岩石破碎脱落，刀盘带动滚刀破岩是一个动态的过程，其动能E可作为刀盘破岩时的输入能量，即式中：mR为刀盘整体的质量；vR为前进挖掘速度，可根据地质特性参数的岩体分类等级来确定合理的轴向前进速度．2.2 输出能量研究2.2.1 岩石破碎能量岩体单位体积单元在外力作用下发生变形破坏，假设此物理变化过程与外界没有热交换，外力对其输入的总能量U，根据热力学第一定律可得[15]式中：Ud为单元耗散能，用于形成单元损伤能和塑性应变能；Ue为可释放单元应变能，可用于单元体中能量的积聚．经大量实验研究发现，岩体破坏过程中的耗散能所占的能量比率较小，为方便计算，可将其忽略，即U≈Ue．根据刀盘带动滚刀协同破岩机理的研究表明，在不考虑围压的影响下，岩体临界破坏时所受应力区域表现为受压(σc＞στ＞0)和受拉(στ＜0)相结合情况，因此岩石破坏时所释放的单位体积单元能量为根据隧道开挖过程中的施工特点，刀盘每转的掘进贯入度为P时的岩石总体体积释放的总能量为式中为隧道开挖过程中岩石总体体积释放的总能量．2.2.2 滚刀摩擦能刀盘上的盘形滚刀破岩过程中，使岩体破碎，并产生了位移的改变，滚刀与岩石间产生了滚动摩擦力．在TBM施工过程中，滚刀温度的上升是由热能引起的，热能是由于滚刀与岩石间的摩擦作用转化为内能变化，其部分内能转化为热能，因此，在刀盘掘进过程中的总输入能中一部分用于破碎岩石，一部分产生了摩擦能Wμ，根据摩擦能等于盘形滚刀破岩过程中与岩石接触面的摩擦系数/Bμ与滚刀受力在其破岩轨迹弧长L所做功的乘积，滚刀刃点破岩的运动轨迹如图5所示．由于实际地质条件的复杂性，为简化计算，选用CSM模型总合力进行求解，即2.3 能量守恒平衡方程建立根据热力学第一和第二定律，以刀具布置中不存在未被贯通的岩脊为前提依据的比能最小原则，建立以动能作为能量输入，岩石破碎能与滚刀摩擦能作为能量输出的能量平衡方程式，即对式(16)中的掘进参数(贯入度P和刀盘转速ωR)与刀间距S进行数值特性匹配分析，如图6所示．从图中可以看出，随着刀间距的增大，切削岩石的贯入度先增大后减小，刀盘转速增加；随着贯入度和刀盘转速的增加，刀间距也增大．以辽宁省大伙房特长水库输水工程中的MB264-311-8030,mm TBM的盘形滚刀布置为例，刀盘上安装有8把中心滚刀、32把正滚刀和11把边滚刀，共51把19,in盘形滚刀，其盘形滚刀安装位置如图7所示．MB264-311-8,030,mm TBM 刀盘盘形滚刀参数如表1所示，刀间距示意如图8所示．3.1 地质特性参数与滚刀几何参数辽宁省大伙房输水隧洞地质特性多为中硬岩，整体强度较高，围岩稳定性较好，MB264-311-8030,mm TBM施工长度为18.677,km，地质条件为混合岩、混合花岗岩、大理岩夹变砾岩、石英砂岩、凝灰岩、夹砾岩等，其地质特性如表2所示．MB264-311-8030,mm TBM刀盘上的51把刀具均采用19,in盘形滚刀，其滚刀几何参数如表3所示．3.2 计算结果分析通过滚刀几何参数和滚刀刀间距的选取(两滚刀相邻的不同刀间距)和地质条件的选取(岩石饱和单轴抗压强度σc＝60,MPa，岩石抗拉强度στ＝10,MPa，岩石弹性模量E0＝80,GPa，经滚动摩擦系数公式计算得到的/Bμ＝0.028)，对盘形滚刀的贯入度P和刀盘转速/BωR进行分析．基于最小比能和相邻两刀不存在未被贯通的岩脊，并根据能量守恒平衡方程，其计算结果如表4所示．由于中心刀1～8号的刀间距均为101.6,mm，正刀13～40号刀间距均为82.37,mm，故只选取其中两把刀作为计算依据，通过表4选取刀盘上的相邻滚刀，依据刀盘转动破岩过程中不存在未被连通的岩脊的理论模型，计算出同一刀盘上不同滚刀刀间距的贯入度，根据总滚刀数量得到平均值aver(P)＝10.63,mm．将平均刀间距带入式(14)，最终可得MB264-311-8,030,mm TBM刀盘的平均转速为ωR＝2.83,rad/min，小于通过查阅文献得到的刀盘驱动基本参数——刀盘转速为0～6.32,rad/min[16]．说明基于能量的原理，刀盘只要以ωR＝2.83,rad/min的转速就可以破岩，也就是破岩过程中的最小转速．(1) 基于CSM滚刀受力预测模型，研究刀盘刀具破岩过程中的能量传递转换规律，并通过对输入能量(刀盘动能)与输出能量(岩石破碎能和摩擦功)的分析研究，依据能量守恒等价公式，最终建立了刀盘的掘进参数(贯入度和刀盘转速)与刀间距相互匹配的数学模型，并进行了讨论分析．(2) 以辽宁省大伙房特长水库输水工程中的MB264-311-8030,mm TBM的盘形滚刀布置为工程实例，通过给定的刀间距和岩石特征参数对刀盘的贯入度P和刀盘转速/BωR进行求解分析，最终得到的MB264-311-8030,mm刀盘转速为/BωR＝2.83,rad/min介于通过查阅文献得到的刀盘驱动基本参数，刀盘的最大转速上限为6.32,rad/min，证明了该掘进参数(贯入度和刀盘转速)与刀间距匹配模型的合理性．基于能量守恒的原理，刀盘的转速为ωR＝2.83,rad/min就可以破岩，保证了能量的有效利用，但由于地质因素的复杂性，其匹配特性还有待更深入的研究，同时对滚刀基于最小能耗率的布置优化设计和拓扑结构设计具有一定的工程价值．【相关文献】［1］梁正召，于跃，唐世斌，等. 刀具破岩机理的细观数值模拟及刀间距优化研究[J]. 采矿与安全工程学报，2012，29(1)：84-89. 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