《混合地層條件下盤形滾刀切削機理及性能研究》是依託同濟大學，由薛亞東擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：混合地層條件下盤形滾刀切削機理及性能研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：薛亞東
- 依託單位：同濟大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
當前，我國已成為世界隧道建設的大國，近萬公里的隧道規劃，對未來隧道工程的建設提出了快速、經濟、安全的高要求，採用隧道掘進機（TBM）技術成為發展的必然。在我國很多地區（包括城市）存在土-砂-石混合地層，其結構、力學性質完全與土層或岩層不同，已導致大量TBM刀具磨損甚至嚴重的工程事故。深入分析混合地層條件下盤形滾刀的切削機理及性能成為解決此難題的關鍵。課題通過對大量混合地層的地質調查，採用分形幾何學與拓撲學等方法，研究建立混合地層的二維與三維結構特徵模型；考慮混合地層特徵及原位條件，製作1.5×1.1×0.6m大模型，開展全尺寸滾刀切削模型試驗及三維顆粒流數值模擬，分析盤形滾刀的切削機理，並探討滾刀切削性能與土石混合結構的內在關係，建立混合地層的可掘性評價指標及TBM刀具切削性能預測模型。研究成果可為混合地層下TBM的刀具選型與設計提供理論依據，對複雜條件下TBM技術發展具有重要實踐意義。
結題摘要
隨著各種地下隧道工程建設規模的快速發展，對不同岩石地層條件下的鑽掘設備與技術都提出了更高要求。課題組針對大量賦存的混合體地層條件下的隧道機械開挖關鍵問題：刀具與地層的相互作用機理開展了較系統的研究。課題主要從三方面開展工作，（1）混合體岩土層本身的結構特徵與力學特性的試驗研究；（2）盤形滾刀切削破岩機理研究；（3）盤形滾刀在混合體地層條件下的破岩過程與規律。其中有關地層結構特徵的研究，提出了表征塊石形態特徵的球度、磨圓度、形態分形維數的綜合指標，編制了基於數學形態學的圖像處理軟體，可實現塊石、混合體平面特徵的自動分析。根據混合體結構特徵，提出了相應的數值格線模型實現方法。盤形滾刀破岩機理研究方面，主要通過PFC軟體，建立了二維和三維條件下滾刀侵入、滾刀破岩的數值模型，對地層岩石強度、圍壓、切深、刀間距等參數開展了系統的模擬計算與分析。對於混合體材料，採用PFC中的“簇”方法進行模擬，可以較好模擬不同硬度塊石與不同基質的搭配。PFC軟體的模擬過程比較接近真實的破岩過程，但通常模型單元數量巨大，運算效率比較低，課題組也嘗試採用CDEM方法進行試驗。與數值模擬相對應，開展了足尺滾刀切削室內試驗，由於整套設備為自主研製，時間方面延誤，後續將大量開展室內試驗，以期獲得系統的複雜地層條件下的切削破岩規律，真正為工程實踐中的刀具設計與選型提供支持。
