前倾安装盘形滚刀作用效果的理论分析

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1、万方数据第20卷增刊2012年9月应用基础与工程科学学报JOURNALOFBASICSCIENCEANDENGINEERINGV01．20，SupplementSeptember2012文章编号：1005m930(2012)s1_c1207J008中图分类号：U455．43文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1005_0930．2012．s1．022前倾安装盘形滚刀作用效果的理论分析张照煌1，张得科1，孟亮2，孙飞2，户秀妹1(1．华北电力大学能源动力与机械工程学院，北京102206；2．华北电力大学外国语学院，北京102206)摘要：盘形滚刀是全断面隧道掘进机的破岩刀具，因

2、其对全断面隧道掘进机施工工程工期和工程造价有较大影响，一直以来就是领域学者研究的热点和难题．通过对全断面隧道掘进机刀盘上传统安装的盘形滚刀的破岩受力分析，发现其破岩刃域存在严重侧滑和破岩刃侧向力(包括摩擦力)不平衡，而盘形滚刀的前倾安装可有效减缓甚至消除这一力学现象．因此，提出了盘形滚刀前倾安装的概念，分析了前倾安装的盘形滚刀破岩工作中摩擦力的分布特点，研究了盘形滚刀破岩刃域不平衡侧向力自相平衡的盘形滚刀前倾安装角及侵深变化对自相平衡的影响，从而为提高盘形滚刀作业寿命、降低盘形滚刀更换次数、提高全断面隧道掘进机作业效率提供了理论依据．关键词：全断面隧道掘进机；盘形滚刀；侧向力；前倾安装；侧滑

3、全断面隧道掘进机⋯一般是指全断面岩石掘进机(FuUFaceRockTunnelBoringMachine，TBM)和盾构(shield)，其对水资源的开发和利用、水利水电工程隧洞建设等都起着非常重要的作用，如：巴基斯坦西水东调工程、美国的中央河谷工程、美国加州调水工程、澳大利亚的雪山调水工程和南非莱索托高原调水工程等¨o从一定意义上说，全断面隧道掘进机都发挥了关键作用．我国水资源分布的不均衡，尤其是城市的规模化发展和对电力需求的日益增大，水工隧洞和水力发电隧洞建设采用全断面隧道掘进机施工法已成为我国工程施工单位最有效工法的不二选择，如：上世纪90年代，我国“引大人秦”、“引黄人晋”等的引输水

4、隧洞、进入21世纪初的“大伙房引输水工程”和正在施工的锦屏二级水电站隧洞工程等全断面隧道掘进机都已或正在发挥着主力作用．全断面岩石掘进机一般用于岩石质地层的全断面开挖，而盾构主要用于土质地层的全断面开挖，当盾构施工地层为土岩互层或存在弱质围岩时，其刀盘上一般也设置盘形滚刀．目前，全断面隧道掘进机刀盘多采用平面刀盘，在平面刀盘上用于破碎岩石的刀具一般为盘形滚刀．盘形滚刀是全断面隧道掘进机上的关键核心部件，其受力及作业状况是全断面隧道掘进机设计的基础依据，因此，国内外学者对盘形滚刀及其与岩石相互作用的研究非常重视．早在1965年，Teale旧1通过对滚动破岩刀具破碎岩石的深入观察，首次提出了比收

5、稿日期：2012_0l驷；修订日期：2叭2旬8旬5基金项目：国家自然科学基金资助项目(51075147)作者简介：张照煌(1963一)，男，博士，教授．E-mail：zh—z}laohuaJlg@163．com万方数据应用基础与工程科学学报V01．20能(Speci6cEne嘲r，SE)的概念，即：破碎单位岩石体积所消耗的能量称为比能．同年，Paul和sikarskie∞o应用楔形体做压痕试验，建立了楔形体压痕剪切模型．1968年，Murhead和G10ssopHo发现，在岩石无侧限抗压强度(uniaxialcompressivestren昏h)和盘形滚刀破岩比能问存在着紧密联系．1970年

6、，Hustml“纠也发现了类似现象．1975年，Roxbomu曲和Phillips∞1建立了盘形滚刀刃(盘形滚刀为楔形刃，记为V型刃)作用在岩石上的应力因达到了其抗压强度而使岩石破坏、盘形滚刀刃得以侵入岩石的模型．1976年，Ozdemir和Miller_71建立了盘形滚刀(V型刃)破岩的剪切模型．1985年，Sanio旧。建立了盘形滚刀破岩的张拉——挤压模型．在sanio研究成果基础上，Sato等∽1于1991年建立了基于盘形滚刀刀间距及其侵深的盘形滚刀破岩力公式．1993年，Rostami和0zdem一101建立了盘形滚刀(盘形滚刀刃为constantcrosssection，ccs型)

7、破岩的挤压模型．进入21世纪，本领域的专家学者发现岩碴粗糟度指数(coarsenessindex(cI))与破岩比能的关系¨1。；通过用直径为432mm的CCS型盘形滚刀在科罗拉多红色花岗岩(ColoradoRedGmnite)上做线性切槽试验，得到了象这样硬而脆的结晶岩石，TBM破岩比能最优所对应的刀盘上的刀间距为76mmLl2I．这些研究成果极大推进了全断面隧道掘进机的发展，使得这一“隧道(洞)”加工厂得