第一章 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 3
1.2.1 盘型滚刀破岩机理及破岩过程的研究 3
1.2.2 滚刀受力模型研究现状 4
1.2.3 盘型滚刀布局设计 7
1.2.4 三维数值仿真研究现状 8
1.3 本文研究内容 9
第二章 基于SPH的滚刀破岩机理研究 11
2.1 光滑粒子流体动力学（SPH）简介 11
2.2 SPH数值模型的建立 12
2.2.1 滚刀模型的建立 12
2.2.2 岩石模型的建立 13
2.2.3 边界条件的设定 17
2.3 岩石破碎机理分析 17
2.3.1 滚刀顺次破岩 17
2.3.2 双刀同时破岩 20
2.3.3 仿真结果分析 22
2.4 本章小结 24
第三章 滚刀组合回转破岩刀间距研究 25
3.1 引言 25
3.2 ABAQUS软件简介 25
3.3 滚刀回转破岩有限元模型的建立 26
3.3.1 滚刀模型的建立 26
3.3.2 岩石模型的建立 26
3.3.3 滚刀组合回转破岩模型的建立 27
3.4 材料模型的选取 27
3.4.1 滚刀材料的选取 27
3.4.2 岩石材料模型的选取 27
3.4.3 含单元删除功能的损伤失效准则 29
3.5 滚刀组合回转破岩仿真模型载荷及边界条件 30
3.5.1 刀盘转速的确定 30
3.5.2 边界条件的确定 31
3.6 仿真结果分析 32
3.6.1 滚刀受力分析 32
3.6.2 最优刀间距的确定 37
3.6.3 受力模拟结果与预测结果的比较 41
3.7 本章总结 44
第四章 硬岩掘进机刀盘上滚刀相位差研究 45
4.1 模型建立 45
4.2 结果分析 45
4.2.1 滚刀受力分析 45
4.2.2 滚刀间最优相位差的确定 48
4.3 滚刀受力与滚刀安装半径的关系研究 50
4.3.1 数值仿真模型的建立 50
4.3.2 仿真结果分析 51
4.4 本章小结 56
第五章 结论与展望 57
5.1 结论 57
5.2 展望 58
参考文献 59
发表论文和参加科研情况 63
致 谢 64
第一章绪论
1.1课题研究背景及意义
二十一世纪是人类进入地下空间开发的新时代，随着城市的发展和国内、国际交通运输系统的持续延拓，地下空间的开发与利用日益得到重视，地下施工机械也得到迅猛发展。国外实践证明：当隧道长度大于隧洞开挖直径的600倍时，采用隧道掘进机施工是经济的[1]。
硬岩隧道掘进机（Hard Rock Tunnel Boring Machine，简称TBM）是集机、电、液等技术于一体的，机械化和自动化程度非常高的大型隧道开挖设备，由主机和后配套设备两大部分组成。图1-1为TBM主机结构，其中刀盘是主机的关键部件，用于破碎岩石。后配套系统由一系列轨道工作站组成，用于出渣和支护、衬砌等。
图1-1 TBM主机结构
硬岩隧道掘进机工作时，主机架依靠紧压在隧洞岩壁上的支撑构件固定，在推力作用下，刀盘上的盘型滚刀不仅绕刀盘中心轴公转，并且绕自身轴线自转。在推进力的作用下滚刀切入岩石，岩石产生裂纹，裂纹不断扩展连通形成岩渣。岩渣由刀盘上的铲斗自动抬起，经刀盘结构内的溜渣槽滑落到主机皮带机上，经后配套出渣运输系统运出洞外。TBM掘进行程一般1.0-2.0m，完成一个行程后推进液压缸收回，撑靴重新支撑进行换步，直至掘进贯通[2]。
自1952年美国罗宾斯公司研发了世界上第一台具有实用性的岩石隧道掘进机后，美、英、德、法和瑞士等许多发达国家，应用岩石掘进机修建隧道已有半个多世纪的历史，并取得了骄人的成绩。国外较著名的TBM工程有：英吉利海峡铁路隧道，瑞士费尔艾那铁路隧道，加拿大尼亚拉加水电站工程等。
我国岩石掘进机起步较晚，直到上世纪60年代才开始研制、试验，直到1990年引进美国Robbins公司掘进机后，我国才将岩石掘进机真正应用于隧道施工并取得了良好成绩，图1-2列出的两个在实际隧道工程中应用的刀盘。硬岩隧道掘进机是铁路、公路、水利及市政建设等隧道施工的重大装备。我国已成为全球对TBM需求量最大，增长速度最快的国家，到2020年TBM需求量将超过200台。但我国尚未有自主设计、生产的TBM，且引进的国外TBM在破岩效率、掘进速度等方面仍存在许多问题，严重影响施工进度和质量。因此，研究TBM的基础科学问题，发展新一代TBM技术，解决硬岩隧道施工“掘得动、掘得快、掘得准”的国际化行业难题，体现我国装备制造业的发展需求和国家目标。
硬岩隧道掘进机刀盘与硬岩直接作用，在地下开挖过程中，刀盘会遇到强地应力场、高温度场、大硬度岩石等作用，导致刀盘受力情况非常复杂。刀盘系统切削工况的复杂性是进行刀盘地质适应性和可靠性设计所面临的极大挑战，且刀盘设计直接影响掘进效率和可靠性。由于知识产权保护或技术封锁等原因,关于TBM刀盘设计的国外文献鲜有发表。估计国外几家大TBM公司对刀盘设计已形成了一套完整的工程实用化方法。因此，研究刀盘设计理论-滚刀在刀盘上的布局设计是研究新一代TBM所亟需解决的难题。
图1-2 TBM刀盘实例
1.2国内外研究现状
1.2.1盘型滚刀破岩机理及破岩过程的研究
在TBM掘进过程中，作为与岩石直接接触的部件，滚刀会遭遇到复杂的岩石地质条件，切削工况十分恶劣，因此研究滚刀破岩机理尤其是在TBM滚刀切削作用下岩石裂纹扩展机理，分析岩石裂纹的形成、扩展过程，获得滚刀切削作用下的岩石破碎规律及滚刀受力变化规律，对刀盘上滚刀设计以及进行刀具布局和整体优化，具有十分重要的意义。
图1-3为滚刀破岩机理示意图。安装在刀盘上的盘型滚刀在推进机构推力作用下紧压在岩面上，随着刀盘的旋转，盘型滚刀在撑子面上切出一系列的同心圆槽。当盘型滚刀贯入岩石初期，刀尖下的岩石在滚刀作用下形成压碎区和放射状裂纹，随滚刀不断切削岩石，裂纹向自由面和相邻滚刀处扩展延伸，当裂纹到达自由面或相邻滚刀生成的裂纹相交贯通时，形成岩石碎片而崩落。
图1-3 滚刀破岩机理示意图
对于滚刀破岩机理的研究，目前有三种不同的理论占据主导地位：一种是剪切破坏；二是张拉破坏；三是张拉破坏、剪切破坏及挤压破坏等几种机理的组合作用，其中一种为主，其他为辅。以上三种滚刀破岩理论成立的前提是岩石是均质，各向同性的，不考虑岩石内部存在的微裂纹和节理等缺陷，而硬岩隧道掘进机在实际施工过程中遇到的岩石地层是复杂的、不确定的，且有研究表明岩石节理对岩石的破坏也起着非常重要的作用。因此在实际施工过程中，到底是哪种破坏理论在岩石破坏过程中起主导作用尚无定论，目前的研究趋向于拉伸破坏。
从19世纪60年代至今，国内外学者对掘进机滚刀破岩机理进行了大量而有意义的研究，并取得了一系列的研究成果。Hartman, Maurer 和Rinehart及Nishimatsu的研究表明，在刀具作用下，岩石破碎主要包括以下几个阶段：岩石变形，表面破碎，密实核形成，密实核挤压断裂和裂纹扩展到自由面[3-5]。Cook等人[6]建立了脆性岩石与平底压头的二维有限元模型，研究岩石破坏过程，指出岩石可在拉伸或压缩作用下失效破坏，并且在低围应力作用下为拉伸失效。Gong等人[7-9]用二维离散元软件UDEC建立了一系列二维模型，用集中力代替滚刀作用，研究了刀间距、岩石节理参数对TBM破岩的影响。指出岩石节理对裂纹的萌生、扩展及岩石破碎模式有显著影响。Moon[10]用二维离散元方法模拟了两把刀具顺次破岩时的裂纹扩展过程，采用Griffith理论作为裂纹扩展的判据，并利用比能最小的原则确定了最优S/P值，分析结果与LCM试验结果一致。Liu等人[11]和Kou等人[12]采用R-T2D代码分别模拟分析了均质岩石在单压头和双压头作用下岩石裂纹扩展过程，并考虑了围压对岩石断裂模式的影响。Innaurato 等人[13,14]研究了滚刀-岩石作用机理，通过建立滚刀挤压岩石的二维数值模型，分析了围压、岩石自由面等因素对岩石碎块形成的影响。张魁[15]使用二维离散单元方法，研究了滚刀侵入岩石的过程，并分析了不同围压及刀间距下的岩石裂纹扩展情况，总结了滚刀切割岩土的典型破碎模式。马洪素[16-17]分别采用物理试验和数值仿真的方法研究了岩石节理方向及岩石围压对裂纹扩展的影响，指出在滚刀作用下，节理岩体存在3种破岩模式；围压对岩石裂纹的影响较大，随围压增加，岩石最大主拉应力离压痕轴越来越远，离自由面越来越近，这也是在围压作用下，更易形成侧向裂纹的原因。另外，随围压增大，岩石脆性逐渐减小。无论在何种围压水平作用下，岩石均为拉伸破坏。
国内外学者关于岩石在拉伸作用下裂纹扩展的相关研究还不充分，而且数值模拟方法主要是采用离散单元法。离散单元法在处理诸如颗粒流动、崩塌和破碎等问题有优势，但也存在相当大的局限性：离散单元法采用简化的接触模型，误差较大。岩石在滚刀作用下的破坏过程是一个复杂的过程，本文试图采用一种新的方法—光滑粒子流体动力学方法（SPH）研究岩石在拉伸作用下的破碎过程，从微观角度分析破岩机理与裂纹扩展过程。
1.2.2滚刀受力模型研究现状
滚刀在破岩过程中主要受到垂直力、滚动力和侧向力的作用，滚刀受力预测模型是进行TBM刀盘设计的重要依据，因此盘型滚刀破岩受力预测模型得到了广泛的研究。目前已有的滚刀受力预测公式有Evans预测公式、秋天藤三郎预测公式、罗克斯巴勒预测公式、科罗拉多矿业学院预测公式（包括线性切割试验建立的预测模型和在此基础上提出的CSM模型），国内上海交通大学640教研室预测公式、华北水电学院北京研究生部也相继提出了滚刀受力预测公式[18]。其中应用最为广泛的是罗斯巴勒预测公式、科罗拉多矿业学院预测公式。各滚刀受力预测模型的计算公式如下：
1. 伊万斯(Evans)预测公式
垂直推力:
(1-1)
—岩石抗压强度，MPa；
—盘型滚刀刀刃角，度；
R—盘形滚刀半径；
h—盘形滚刀侵入岩石深度。
实践证明，伊万斯公式计算的垂直推力小于实际破岩垂直推力。
2. 秋三藤三郎预测公式
日本秋三藤三郎垂直力计算采用伊万斯公式，并提出了侧向力的计算公式。
1. 由挤压破碎理论计算的侧向力:
(1-2)
2. 由剪切破碎理论计算的侧向力:
(1-3)
式中：S—刀间距；
—破碎系数，；
—；
为盘型滚刀接岩角。
3. 罗克斯巴勒(F.F.Roxborough)预测公式
垂直推力:
(1-4)
滚动力:
(1-5)
侧向力：
(1-6)
4.科罗拉多矿业学院线性切割试验预测公式
垂直力：
(1-7)
滚动力：
(1-8)
式中：—岩石抗剪强度；
D—盘型滚刀直径；
—滚刀与岩石接触角，,单位为弧度。
5. CSM预测公式
垂直力：
(1-9)
滚动力：
(1-10)
式中： R—是滚刀半径，mm；
T—是滚刀刀尖宽度，mm；
—刀尖压力分布系数，随刀尖宽度增加而减小，～0.2；
—滚刀与岩石接触角，，弧度；
—岩石抗压强度，MPa；
—岩石抗拉强度，MPa；
C—无量纲系数，C≈2.12.
综上所述,国内外学者针对TBM滚刀切削受力预测模型进行了大量的研究,但是这些切削力预测模型大多是针对单把滚刀切削,且是建立在线性切削基础上。实际切削过程中并不是单把滚刀进行线性切削,而是由多把滚刀组合进行回转切削。滚刀在刀盘上的三维布置参数如刀间距、相位角等，只有在考虑多滚刀组合回转切削时才能更好地体现出布置参数对切削过程的显著影响,单刀线性切削难以体现上述参数对切削性能的影响。因此，有必要以滚刀刀群为研究对象，采用有限元仿真方法分析滚刀组合回转切削特性,建立起更加符合工程实际的多刀组合切削力学模型,为TBM滚刀布局提供一定的理论依据。
1.2.3盘型滚刀布局设计
盘型滚刀在刀盘上的布局设计包括刀间距设计和滚刀在刀盘上的平面布置设计。刀间距是指刀盘上相邻滚刀在刀盘径向的最小距离，保证刀盘旋转一周相邻滚刀间岩石均被切掉；滚刀平面布置是指滚刀在刀盘圆周方向上的布置，即确定滚刀在刀盘上安装的相位角。滚刀在刀盘上的合理布置可以提高硬岩隧道掘进机的掘进性能。因此国内外学者对滚刀布局，尤其是刀间距设计进行了大量的研究。
1.2.3.1 刀间距设计
国内外学者在研究刀间距时普遍采用比能这一概念来确定相邻滚刀间的最优刀间距，即切削单位体积岩石消耗的能量，以比能最小为原则来优化刀间距得到了广泛的应用[19]。在此基础上，F Roxborough等利用试验数据提出了一种刀具受力模型，研究得出当刀间距与贯入度之比S/P=7时比能最小[20]。美国科罗拉多矿业学院Ozdemir等人[21-22]通过大量的线性切割试验，提出盘型滚刀最佳刀间距的概念。Gertsch[23]采用17英寸常截面盘型滚刀，对红色花岗岩进行了一系列线性切割试验，采用比能最小原则，得出76mm为切削该种岩石的最优刀间距，此时贯入度对比能的影响较小。韩国学者Jung-Woo Cho 等人[24]采用线性切割试验和数值仿真的方法研究滚刀线性破岩的最优刀间距，指出最优S/P值依赖于滚刀贯入度。国内学者张照煌等[25]从破岩量的角度指出要使相邻布置的盘型滚刀在刀盘每转一周的贯入度相等,且破岩量相同,则刀盘上滚刀刀间距应满足刀盘转动多周，相邻滚刀间不存在未被连通的岩脊。
上述研究的最优刀间距均是滚刀在线性切削岩石的情况下得到的，而实际施工过程中，滚刀是进行回转切削岩石的，目前滚刀回转破岩情况下的刀间距研究鲜有文章发表。因此，有必要研究滚刀回转破岩情况下滚刀受力特征，进而研究最优刀间距问题。
1.2.3.2 刀盘滚刀的平面布置
滚刀在刀盘平面的合理布置会明显改善滚刀和刀盘整体受力，对延长刀盘大轴承寿命，提高刀盘掘进性能有重要作用。国内张照煌[26]研究了滚刀的多螺旋线布局方式，阐述了刀盘上刀具所受切削力分布的简化方程。霍军周[27-30]从布局优化的角度，根据滚刀布置的技术要求，建立数学优化模型，通过对该模型的求解，得出刀盘的优化布置方案，并对比分析了多螺旋线布局、星形布局和随机布局三种布局方案的优势和不足。刘志杰[31]在总结滚刀布置应满足的技术要求和原则后，研究了基于非支配排序的多目标进化求解的TBM滚动布置设计方法。国外关于滚刀布局研究鲜有文章发表。
目前，国外几个TBM厂家已具备完善的刀盘滚刀布局设计理论，而我国对TBM刀盘的研究才刚刚起步，因此在刀盘方面，尤其是滚刀布局研究方面亟需取得新的突破。
1.2.4三维数值仿真研究现状
由于TBM属于大型机械设备，难以在实验室真实再现TBM掘进过程。目前，国内外主要的室内试验方法有线性切割试验和压痕试验，随着科技的进步，回转破岩试验也得到了初步发展，如图1-4所示。由于进行实验室试验成本高，耗时长同时又受实验设备、条件的限制，一般具有不可重复性，没有得到广泛应用，此时数值仿真方法应用而生。利用计算机仿真模拟滚刀破岩过程可以避免以上缺点，从而降低试验成本，缩短试验周期。数值仿真研究方面，目前国内外学者多采用离散元方法进行二维压痕试验研究TBM掘进过程滚刀破岩机理，进行三维数值模拟破岩过程的研究还比较少。Jung-Woo Cho 等人[24,32]应用AUTODYN软件建立滚刀线性切削岩石的三维有限元模型。刀具采用V型刀，以比能最小为原则确定最优的S/P值，仿真结果与LCM试验结果相符。杨金强[33]采用ANSYS/LS-DYNA软件建立单把滚刀回转破岩有限元模型，对滚刀受力情况进行了分析。谭青等[34]应用ANSYS-LS/DYNA软件建立了滚刀破岩的三维数值仿真模型，得到了滚刀的三向力以及跃进式的破碎特点，分析了滚刀破岩机理以及造成刀具失效的主要原因；屠昌峰[35]利用ANSYS/LS-DYNA软件对盘形滚动切割不同岩石材料进行了数值模拟；吴峰[36]应用ABAQUS对双滚刀回转切削混凝土过程进行了有限元仿真研究，根据比能最小原则得到了盘型滚刀最优贯入度。蒋聪健[37]利用ABAQUS软件模拟了双刀线性破岩过程，对于滚刀破岩过程中受到的作用力进行了分析。
(a) LCM 线性切割试验台 (b) 自动式压痕试验仪
(c) 科罗拉多回转试验台 (d) 中南大学回转试验台
图 1-4 滚刀试验切削装置
1.3本文研究内容
本论文属于国家自然科学基金资助项目“隧道掘进机刀盘拓扑性能评价方法研究（51275339）”及国家重点基础研究发展计划(“973”计划)资助项目 “硬岩掘进装备的关键基础问题”中的子课题“硬岩刀盘系统动力学行为与设计理论（2013CB035402）”的研究内容之一，主要是研究硬岩隧道掘进机掘进过程中刀盘与硬岩的相互作用,实现刀盘系统高效破岩，延长刀盘使用寿命，建立具有地质适应性的硬岩刀盘设计理论，具体研究内容如下：
（1）盘型滚刀破岩机理研究。应用光滑粒子流体动力学方法（SPH）建立滚刀破岩二维仿真模型，从微观角度对滚刀破岩机理，特别是岩石裂纹的萌生和扩展过程进行了深入的研究。
（2）应用ABAQUS软件中的多体动力学方法，建立多滚刀组合回转破岩模型，研究滚刀受力情况及与刀间距的关系，由比能最小原则确定滚刀回转破岩的最优刀间距。
（3）介绍了目前国内外已有的典型的滚刀受力预测模型，根据计算机仿真参数对典型滚刀受力预测公式进行验算，并将计算的结果与计算机仿真结果进行对比分析，得出结论。
（4）对刀盘上相邻滚刀间的相位差进行了仿真研究，分析了相邻滚刀间相位差对滚刀破岩的影响，采用比能原则确定相邻滚刀的最佳的相位差。
（5）在确定滚刀间的最优刀间距和相位差之后，进一步研究滚刀受力与安装半径之间的关系。此外，还探讨了滚刀破岩方式对滚刀破岩的影响。
