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TBM边缘滚刀破岩机理的数值研究
摘要
本文通过数值模拟的方法研究了TBM边缘滚刀破岩机理，计算模型包括了TBM结构和岩石模型，考虑了岩石强度、岩石裂隙及TBM结构参数等因素的影响。研究发现，随着岩石强度的增加，破岩力和刀盘转速对破岩效果的影响逐渐减小，而岩石裂隙对破岩效果的影响则逐渐增大。通过本文的研究，可以为TBM边缘滚刀的设计和使用提供科学依据。
关键词：TBM；边缘滚刀；破岩机理；数值模拟
1.引言
TBM（Tunnelboringmachine）是当前地下隧道工程中最常用的固定式机械挖掘设备，其高性能和高效率成为了地下隧道工程发展中的重要推动力量。而在TBM工作中，边缘滚刀作为其中的重要组成部分，其破岩效果对TBM的整体工作效率和质量有着直接的影响。
近年来，随着计算机数值模拟技术的不断发展，越来越多的研究者开始应用该技术对TBM的工作机理进行深入研究。本文也致力于通过数值模拟的方法研究TBM边缘滚刀的破岩机理。
2.计算模型建立
为了研究TBM边缘滚刀的破岩机理，本文建立了一个综合的计算模型，包括了TBM结构和岩石模型。下面对其中的各个部分进行详细介绍。
2.1TBM结构模型
TBM结构模型是本文研究的关键之一。本文采用了最为常见的盾构TBM结构，其中包括了盾壳、主轴承、土压控制系统、破岩机构等部分。该模型的主要参数包括：
-盾壳内径D；
-主轴承直径d；
-刀盘转速ω；
-破岩力F；
-土压力P；
-刃口角α等。
2.2岩石模型
岩石模型是本文计算模型的另一个重要组成部分。本文采用了在岩体工程中常用的标准三轴单轴压缩试验结果，建立了一个具有一定物理意义的岩石模型。该模型包括了岩石的弹性模量、泊松比及强度等参数。
同时，本文也考虑了岩石裂隙对破岩效果的影响，为此在岩石模型中引入了随机分布的裂隙。
3.计算方法
为了进行TBM边缘滚刀的破岩机理研究，本文采用了基于离散元的数值模拟方法。该方法基于牛顿第二定律和能量守恒原理，模拟了TBM边缘滚刀在岩石中的运动和作用力学过程。
其中，本文采用了模型的自适应网格技术，保证了模型的精度及计算效率。同时，也考虑了TBM结构与岩石之间的接触过程，模拟了其接触面上的摩擦和滑动等行为。
4.计算结果及分析
通过以上的建模与计算，本文得到了大量关于TBM边缘滚刀破岩机理的数值模拟结果。下面对一些关键的结果进行了分析。
4.1岩石强度对破岩效果的影响
研究发现，岩石强度是影响破岩效果的一个重要因素。当岩石强度较小时，刀盘转速和破岩力对破岩效果的影响最大；而当岩石强度增加时，这两个因素对破岩效果的影响逐渐减小。
值得注意的是，在较高强度的情况下，岩石裂隙对破岩效果的影响则逐渐增大。
4.2刀盘转速对破岩效果的影响
刀盘转速是影响TBM边缘滚刀破岩效果的重要因素之一。研究发现，较低的刀盘转速会导致破岩效果较差，而适当提高刀盘转速可以有效提高破岩效率。但过高的刀盘转速则可能导致破岩机构的损坏。
4.3岩石裂隙对破岩效果的影响
本文建立的岩石模型中引入了随机分布的裂隙，以考虑其对破岩效果的影响。研究发现，当岩石裂隙较小时，其对破岩效果的影响相对较小；而当裂隙较大时，其对破岩效果的影响则显著增大。
5.结论与展望
通过本文的数值模拟研究，我们得到了一系列关于TBM边缘滚刀破岩机理的有益结论。其中主要包括：
-岩石强度是影响破岩效果的重要因素，而岩石裂隙的影响也不可忽略；
-刀盘转速和破岩力对破岩效果的影响逐渐减小，需要适当掌握；
-研究模型的自适应网格技术对模型的准确性和计算效率有重要的保障。
展望未来，我们将继续完善本文的计算模型，并结合现场实验数据进行优化，并进一步探讨TBM边缘滚刀的实际应用。