全断面隧道掘进机盘形滚刀组合破岩机理研究

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1、独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同

2、意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要全断面隧道掘进机（TBM）是一种用于地下工程全断面开挖的机械施工设备，具有施工效率高、安全可靠、施工质量高等优点，因而在国内外得到越来越广泛地使用。盘形滚刀是掘进机刀盘上的主要破岩刀具，其破岩性能直接影响了掘进机的掘进效率和施工成本。因此，研究盘形滚刀的破岩机理、破岩过程以及滚刀的布置规律，对于优化滚刀布局，提高滚刀破岩效率，提高滚刀使用寿命、建立刀盘设计理论具有重要的意义。本文对全断面隧道掘进

3、机盘形滚刀的组合破岩机理开展研究，主要完成了以下内容：（1）介绍了盘形滚刀的分类以及结构形式，研究了岩石的弹塑性本构模型和断裂损伤特性。阐述了国内外广泛使用的滚刀受力模型。分析了掘进机刀盘的设计准则和滚刀布置规律。根据滚刀组合破岩模型的特点，重点研究了滚刀刀间距和安装半径等关键参数对于组合破岩的影响；（2）阐述了显式动力学的基本原理，研究了Drucker-Prager非线性弹塑性本构模型。基于ABAQUS建立了滚刀压痕模型，得到了滚刀挤压岩石的应力应变情况以及滚刀的受力大小，将得到的结果与压痕试验的结果对比，证明D-P本构模型定义岩石类材料的正确

4、性。在此基础之上，引入岩石断裂损伤准则，建立了两把滚刀线性破岩的有限元模型，研究了刀间距与滚刀受力的关系，将得到的结果与国外线性切割试验结果进行对比。最后，基于ABAQUS的多体动力学特性，建立了三把滚刀组合回转破岩模型，研究了滚刀回转运动时滚刀之间的相互作用，以及滚刀回转半径对于滚刀受力和破岩效果的影响，并将组合破岩与线性破岩进行对比分析，明确滚刀组合破岩的分析优势和必要性；（3）阐述了光滑粒子流体动力（SPH）方法的基本思想和算法过程，研究了SPH-FEM耦合分析的必要性。使用AUTODYN建立了基于SPH-FEM耦合的二维滚刀破岩模型，研究

5、了不同条件下岩石的断裂情况，分析了加载速度、刀间距和加载方式等因素对于滚刀破岩的影响。关键字：全断面隧道掘进机；盘形滚刀；ABAQUS；光滑流体粒子动力学ABSTRACTTunnelboringmachine(TBM)isakindofmechanicalconstructionequipmentwhichisusedtofull-faceexcavationinundergroundengineeringproject.Itiswidelyusedathomeandabroadbecauseofitslotsofadvantages,sucha

6、sfastandefficientexcavation,highsafetyandreliability,goodconstructionquality.DisccutteristhekeyexcavationtoolonthecutterheadofTBMwhichhasagreateffectonexcavationefficiencyandconstructioncosts.Forthisreason,tostudythedisccutterscuttingmechanismandcutterslayoutlawisverysignific

7、anttooptimizethecutterslayout,toimprovecuttingefficiency,todeveloptheworkinglifeofdisccuttersandtoreduceconstructioncosts.ThispapermainlystudiesthecombinedcuttingmechanismofTBMdisccutters.Themainresearchcontentisasfollows.(1)TheclassificationandstructuralstyleofDisccuttershas

8、beenintroduced.Theelastic-plasticconstitutivemodelandfracturemechani