巖石溫度對(duì)盤形滾刀掘進(jìn)參數(shù)破巖特性的影響*

張桂菊,譚 青,夏毅敏，3,李建芳,勞同炳，張晉浩

(1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2. 邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽(yáng) 422004；3. 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

巖石溫度對(duì)盤形滾刀掘進(jìn)參數(shù)破巖特性的影響*

張桂菊1，2 ?,譚 青1,夏毅敏1，3,李建芳1,勞同炳1，張晉浩1

(1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083；2. 邵陽(yáng)學(xué)院 機(jī)械與能源工程系，湖南 邵陽(yáng) 422004；3. 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

為了研究在巖石溫度變化條件下盤形滾刀掘進(jìn)參數(shù)對(duì)破巖特性的影響，以顆粒流理論為平臺(tái)，從細(xì)觀角度上建立了基于巖石溫度變化的盤形滾刀熱力學(xué)破巖數(shù)學(xué)模型，模擬了不同工況下巖石裂紋生成、擴(kuò)展和巖渣形成的全過(guò)程，并對(duì)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)破巖特性的影響規(guī)律進(jìn)行了研究，從細(xì)觀角度解釋了不同巖石溫度下滾刀的破巖機(jī)制.利用直線式TBM滾刀破巖實(shí)驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證在巖石溫度變化條件下掘進(jìn)參數(shù)對(duì)滾刀破巖的影響規(guī)律是否與數(shù)值模擬有較好的一致性.研究結(jié)果表明：1)巖石溫度升高，降低了巖石硬度、強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)，破巖時(shí)裂紋數(shù)增多且微裂紋迅速擴(kuò)展，降低了滾刀破巖載荷，提高了破巖效率； 2)低貫入度時(shí)，巖石不容易被侵入破碎；隨著巖石溫度的升高，巖石越來(lái)越容易擠壓破裂；隨著貫入度增加，失效區(qū)域進(jìn)一步擴(kuò)大，破巖效率提高；3)滾刀之間的協(xié)同作用隨刀間距的增加而減弱，最優(yōu)刀間距隨巖石溫度的升高而增加，隨貫入度的增大而增加；4)提高巖石溫度能增強(qiáng)滾刀之間的協(xié)同作用，提高破巖效率.

TBM；盤形滾刀；巖石溫度；刀間距；貫入度；顆粒流

全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(full face hard rock tunnel boring machine, 簡(jiǎn)稱TBM)集大型化、自動(dòng)化、高速化、流程化、精密化等特性于一體，廣泛應(yīng)用于鐵路建設(shè)、南水北調(diào)、西氣東輸?shù)人淼拦こ讨?[1]盤形滾刀是TBM破碎巖石的主要刀具，其破巖效率直接影響隧道工程的開挖進(jìn)度.在大埋深、長(zhǎng)距離硬巖掘進(jìn)環(huán)境中，TBM通常會(huì)受到復(fù)雜地質(zhì)條件如高溫、節(jié)理、巖溶、高地應(yīng)力、掘進(jìn)地層的自重應(yīng)力、溫度引起的熱應(yīng)力等因素的影響，使巖石表現(xiàn)出與淺部截然不同的物理力學(xué)特性，進(jìn)而造成滾刀的損耗量大、破巖效率低、穩(wěn)定性差等施工問題.[2]因此，在考慮這些掘進(jìn)中的地質(zhì)因素耦合作用下，提高滾刀的破巖效率，延長(zhǎng)滾刀的使用壽命已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者研究的重要課題.針對(duì)不同溫度條件下巖石的力學(xué)性能變化，國(guó)內(nèi)外許多專家學(xué)者做了大量的研究工作：Vander Molen[3]就1980年以前的溫度對(duì)巖石特性影響的主要研究成果做了系統(tǒng)的總結(jié)；Alm[4]等研究了花崗巖在不同溫度條件下的力學(xué)性能及其微破裂性能；Chen等[5]研究了在單軸壓縮和疲勞載荷條件下溫度對(duì)花崗巖力學(xué)性能的影響；Smithies等[6]探討了不同溫度下花崗巖巖石和巖漿的力學(xué)性質(zhì)，如泊松比、彈性模量、斷裂韌性、抗壓強(qiáng)度以及巖石微破裂，獲得了巖石力學(xué)性能隨溫度和時(shí)間的破壞機(jī)理；張志鎮(zhèn)等[7]通過(guò)高溫冷卻加載以及實(shí)時(shí)高溫加載下的單軸壓縮試驗(yàn)，得到了兩種加載方式下彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度、剪切滑移應(yīng)變及縱波波速等隨溫度的變化規(guī)律；左建平等[8]研究了不同溫度對(duì)巖石的破壞規(guī)律以及變形的影響，建立了巖石在靜載荷下溫壓耦合的破壞準(zhǔn)則.盤形滾刀掘進(jìn)參數(shù)(貫入度和刀間距)的合理設(shè)計(jì)是提高TBM破巖效率的關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)掘進(jìn)參數(shù)時(shí)需綜合考慮地質(zhì)條件的影響.由于在不同的溫度條件下，巖石表現(xiàn)出不同的力學(xué)特性以及破裂方式，因而針對(duì)巖石溫度變化設(shè)計(jì)滾刀掘進(jìn)參數(shù)具有一定的現(xiàn)實(shí)意義.研究掘進(jìn)過(guò)程中刀具與巖石之間相互作用的工作狀況與動(dòng)態(tài)行為，揭示破巖機(jī)理及破碎特征，可為延長(zhǎng)刀具的使用壽命、改善切削效果、提高破巖效率提供理論基礎(chǔ).為此，本文嘗試在巖石溫度及掘進(jìn)參數(shù)變化的條件下，從巖體細(xì)觀尺度出發(fā)，基于顆粒流離散元方法對(duì)盤形滾刀的破巖特性進(jìn)行分析，研究不同巖石溫度下滾刀掘進(jìn)參數(shù)對(duì)破巖特性的影響，并進(jìn)行數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為TBM盤形滾刀的破巖機(jī)理研究提供一定的理論依據(jù)，同時(shí)對(duì)提高滾刀的破巖效率、增強(qiáng)滾刀的地質(zhì)適應(yīng)性和使用壽命，實(shí)現(xiàn)高效率、低能耗、低損耗的隧道掘進(jìn)具有一定的理論價(jià)值和工程意義.

1 盤形滾刀破巖數(shù)學(xué)模型

1.1 巖石顆粒流方法

顆粒流方法是一種離散單元法，其從細(xì)觀角度的離散單元之間的相互作用，解釋巖石的宏觀變形等力學(xué)性質(zhì)，對(duì)分析大位移、大變形以及非線性等相關(guān)的巖石問題具有顯著的優(yōu)勢(shì).顆粒離散元法可以解決研究對(duì)象在特定條件下的宏觀變形與裂紋問題．其將離散單元分為顆粒以及塊體兩部分，根據(jù)單元之間的相互作用以及循環(huán)迭代求解整個(gè)顆粒集合體的行為．當(dāng)兩顆粒接觸時(shí)，會(huì)產(chǎn)生位移重疊；根據(jù)力-位移定律和本構(gòu)關(guān)系可以得到顆粒受到的力,進(jìn)而獲得顆粒的加速度、速度以及新的位移量，如此反復(fù)循環(huán)[9]．

(1)

1.2 顆粒流熱力學(xué)耦合計(jì)算模型

在顆粒流方法中，采用與顆粒有關(guān)的熱存儲(chǔ)器 以及與接觸鍵有關(guān)的熱管的細(xì)觀模型來(lái)模擬宏觀的溫度場(chǎng)，熱量在激活管道中通過(guò)激活的熱存儲(chǔ)器進(jìn)行傳遞.當(dāng)巖石樣本模型中兩顆粒的接觸有重疊或存在接觸鍵時(shí)，熱存儲(chǔ)器之間的熱管被激活；當(dāng)巖石樣本模型在加載過(guò)程中不存在接觸鍵或接觸鍵斷裂時(shí)，將影響活動(dòng)熱管的數(shù)量，進(jìn)而改變材料的宏觀熱學(xué)特性[10]．巖石、混凝土等材料的破壞可以看作顆粒之間接觸鍵的斷裂過(guò)程.

1)顆粒流熱力學(xué)基本方程.對(duì)于連續(xù)介質(zhì)，假設(shè)物體的應(yīng)變變化不會(huì)引起溫度的改變，則熱傳導(dǎo)方程為：

(2)

其中：qi為熱流通量；qv為單位熱功率密度；ρ為材料的密度；Cv為巖石材料的比熱容；T為材料溫度.依據(jù)傅里葉變換，連續(xù)介質(zhì)的熱流通量和溫度梯度之間的關(guān)系為：

(3)

其中：kij為材料的熱傳導(dǎo)率張量.

對(duì)式(3)進(jìn)行離散化，假設(shè)離散后的顆粒總體積為V，單位體積內(nèi)的熱流通量用qi的散度表示，則在顆粒體積V的熱存儲(chǔ)器上平均散度qi為：

(4)

假設(shè)離散后材料的熱量只在N個(gè)熱管中流動(dòng)，從而式(4)可以轉(zhuǎn)換為：

(5)

(6)

其中：Qv=Vqv，為離散化后的熱源強(qiáng)度；m為離散化后的質(zhì)量.

在顆粒離散元中，假設(shè)單個(gè)熱管的熱阻為η，顆粒體中包含N個(gè)熱管，總體積為V，由于熱量只在熱管內(nèi)流通，則材料的平均熱流通量為：

(7)

其中：A(p)為熱管的有效橫截面積；l(p)為熱管的長(zhǎng)度.熱管的熱流通量為：

(8)

其中ΔT為熱管兩端的溫度差，與溫度梯度的關(guān)系為：

(9)

可得顆粒離散元中熱傳導(dǎo)率的張量kij表達(dá)式為：

(10)

從式(10)可以看出，只要給定單位法向矢量、單個(gè)熱管的長(zhǎng)度、熱阻及總熱管數(shù)目等相關(guān)參數(shù)就可計(jì)算出顆粒離散元材料的熱傳導(dǎo)率.

2)顆粒流熱力學(xué)耦合方程.顆粒流程序中，主要通過(guò)顆粒元素之間接觸鍵的熱膨脹來(lái)描述顆粒材料的熱應(yīng)變，則宏觀溫度的變化引起的材料熱應(yīng)變可通過(guò)對(duì)顆粒半徑的改變來(lái)實(shí)現(xiàn).當(dāng)宏觀溫度改變?chǔ)，可計(jì)算出顆粒半徑的改變量

ΔR=αRΔT．

(11)

其中：α是指顆粒的熱線性膨脹系數(shù).

(12)

在實(shí)際數(shù)值模擬中，可通過(guò)對(duì)巖石材料加載不同的溫度，來(lái)模擬巖石材料宏觀熱力學(xué)特性.

1.3 盤形滾刀破巖效率

盤形滾刀的破巖效率主要通過(guò)比能耗大小來(lái)體現(xiàn)，比能耗指滾刀切割單位體積巖石所做的功[11]．

(13)

式中：Es為破巖比能耗；Fv為滾刀所受平均垂直力；Fr為滾刀所受平均滾動(dòng)力；d為貫入度；S為破碎塊面積；l為滾刀的切削軌跡，只考慮滾刀侵入過(guò)程時(shí)l=0；V為巖屑體積，V=St，t為單位厚度.

1.4 盤形滾刀侵入巖體模型

本課題研究的巖石材料是從廣州某地采購(gòu)的花崗巖，為了使顆粒流樣本能夠反映真實(shí)巖石材料的宏觀力學(xué)特性，需匹配巖石材料的細(xì)觀參數(shù)與宏觀力學(xué)特性，對(duì)材料的宏、細(xì)觀參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定.依據(jù)真實(shí)試驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)值試驗(yàn)反復(fù)進(jìn)行調(diào)節(jié)細(xì)觀參數(shù)，直到試驗(yàn)表現(xiàn)出來(lái)的宏觀特性與真實(shí)材料的宏觀特性參數(shù)相一致，標(biāo)定過(guò)程才算完成，標(biāo)定過(guò)程參見文獻(xiàn)[12-13]. 圖1所示為雙刀破巖的顆粒流模型，其中參數(shù)D為刀間距，d為貫入度.在數(shù)值模擬過(guò)程中，將盤形滾刀刀圈定義為剛體，刀圈輪廓用剛性墻(wall)模擬，文中采用的是應(yīng)用較為廣泛的近似常截面盤形滾刀，適應(yīng)軟到中硬巖地層，主要幾何參數(shù)：刀刃頂部寬度10 mm，過(guò)渡圓弧半徑4 mm，刀刃角20°.巖石試件尺寸為200 mm×400 mm，包含顆粒數(shù)目38 662個(gè).利用軟件自帶fish語(yǔ)言，編制控制滾刀運(yùn)動(dòng)的伺服控制程序，通過(guò)改變巖石的溫度參數(shù)及掘進(jìn)參數(shù)，監(jiān)測(cè)盤形滾刀破巖規(guī)律的變化.

圖1 雙滾刀破巖顆粒流模型

2 數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 數(shù)值模擬

2.1.1 破巖體積分析巖石溫度

對(duì)破巖體積的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如圖2所示.可以看出：在同一溫度和刀間距條件下，隨著貫入度的增加，巖石的破碎體積過(guò)度增大，因此破碎體積增加的幅度逐漸減少；在同一溫度和貫入度條件下，破巖體積隨刀間距的增加而增大，說(shuō)明刀間距的增大增加了滾刀之間能夠破碎的巖石體積，當(dāng)滾刀之間的巖石裂紋貫通，相應(yīng)的破巖體積增大，但當(dāng)?shù)堕g距增加到一定程度時(shí)，裂紋會(huì)互不貫通，出現(xiàn)各自破巖現(xiàn)象；在同一刀間距和貫入度條件下，隨著巖石溫度的增加，巖石從無(wú)法交匯貫通逐漸過(guò)渡到貫通、過(guò)度破碎，說(shuō)明巖石溫度是影響滾刀破巖體積的一個(gè)因素，溫度的增加造成了滾刀破巖載荷減少，同時(shí)促進(jìn)巖石裂紋的擴(kuò)展，相應(yīng)的破巖體積也隨著增大，其增加的幅度逐漸增大，說(shuō)明溫度的增加，引起巖石內(nèi)部應(yīng)力的減少，減少的幅度逐漸增大，巖石更加容易破碎，且破巖體積相應(yīng)增大.

刀間距/m(a) d=4 mm

刀間距/m(b) d=8 mm

2.1.2 破巖載荷分析

根據(jù)數(shù)值結(jié)果對(duì)滾刀破巖平均載荷進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示.可知，在相同巖石溫度、貫入度條件下，滾刀的破巖載荷隨著刀間距的增加逐漸增加，這是由于刀間距較小時(shí)，滾刀之間存在協(xié)同效應(yīng)，滾刀受到的破巖載荷相對(duì)較??；刀間距逐漸增大，協(xié)同作用逐漸減弱，滾刀呈現(xiàn)各自破碎的狀況，對(duì)應(yīng)的破巖平均載荷也相應(yīng)增大.在相同貫入度、刀間距條件下，隨著溫度的逐漸升高，滾刀的破巖平均載荷逐漸降低．這是由于溫度的升高，增加了巖石內(nèi)部的熱應(yīng)力，降低了巖石的斷裂韌度以及強(qiáng)度，使得巖石更加容易破裂，并且增大了滾刀之間的協(xié)同效應(yīng)，滾刀平均載荷也逐漸降低.

刀間距/m(a) d=4 mm

刀間距/m(b) d=8 mm

2.1.3 破巖比能耗分析

對(duì)數(shù)值模擬的破碎體積和破巖平均載荷進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算各工況條件下的破巖比能耗，結(jié)果如圖4所示.可以看出：在相同貫入度和巖石溫度條件下，滾刀破巖比能耗隨刀間距的增加呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，說(shuō)明在該工況下存在一個(gè)最優(yōu)刀間距，使得滾刀的破巖比能耗最小.在常溫和貫入度d=4 mm時(shí)，巖石的破碎模式從裂紋貫通過(guò)渡到?jīng)]有貫通，刀間距的增加，使得破巖體積和破巖載荷增大，但增大的幅度不一樣，開始破巖載荷增大的幅度比破巖體積增大的幅度小，滾刀破巖比能耗隨刀間距的增大而逐漸減小.隨著刀間距進(jìn)一步增大，巖石裂紋從貫通過(guò)渡到不貫通，滾刀之間的協(xié)同作用減弱，滾刀的破巖比能耗隨之增大，并且破巖體積由于裂紋沒有貫通而變得很小，滾刀的破巖比能耗隨刀間距的增大而逐漸增大.在同一貫入度以及刀間距下，隨著巖石溫度的升高，使得巖石更加容易侵入，巖石更加容易破碎，滾刀的破巖比能耗逐漸減小，對(duì)應(yīng)的最小比能耗即最優(yōu)刀間距則增大到150 ℃時(shí)的80 mm，如圖4(a)所示.貫入度為8 mm時(shí)，由于滾刀貫入度的增大，滾刀之間的協(xié)同效應(yīng)相對(duì)增大，破巖比能耗逐步增加，裂紋從不貫通過(guò)渡到剛好貫通最終為過(guò)度破碎狀態(tài)，滾刀的破碎體積逐漸增大，同時(shí)滾刀的破巖比能耗也增大，增大的幅度比破巖體積大，因此，滾刀的破巖比能耗增大, 如圖4(b)所示.

刀間距/m(a) d=4 mm

刀間距/m(b) d=8 mm

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用實(shí)驗(yàn)方法可以準(zhǔn)確獲得特定參數(shù)對(duì)盤形滾刀破巖特性的影響，更直觀地再現(xiàn)不同巖石溫度下滾刀掘進(jìn)參數(shù)變化對(duì)破巖特性的影響.因此，通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)不同巖石溫度條件下滾刀破巖過(guò)程進(jìn)行研究，分析相應(yīng)的破巖特性，與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比以驗(yàn)證其合理性，有助于全面研究盤形滾刀在不同巖石溫度下掘進(jìn)參數(shù)變化的破巖特性.為了使實(shí)驗(yàn)?zāi)M接近實(shí)際施工條件，課題組自主設(shè)計(jì)了直線式TBM滾刀破巖實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖5所示.實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由油缸、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、導(dǎo)軌、橫梁、巖石料倉(cāng)、液壓站、操作臺(tái)等部分組成.

圖5 直線式TBM滾刀破巖實(shí)驗(yàn)臺(tái)

2.2.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)通過(guò)直線式TBM滾刀破巖實(shí)驗(yàn)臺(tái)對(duì)不同巖石溫度下改變掘進(jìn)參數(shù)對(duì)破巖過(guò)程進(jìn)行研究，了解滾刀破巖的動(dòng)態(tài)特性.巖石加熱裝置如圖6所示，加熱時(shí)將其放置于巖石上，使加熱板與巖土直接接觸，通電后加熱棒產(chǎn)生熱量通過(guò)加熱板傳遞給巖石；鐵制上板和鋁制下板對(duì)加熱板的位置固定進(jìn)行夾緊，阻止熱量往鐵板傳遞.依次進(jìn)行25，50，75，100，125和150 ℃下滾刀的破巖實(shí)驗(yàn)；采用三向力傳感器記錄不同工況條件下滾刀的破巖載荷，轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)后通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，觀察滾刀破巖現(xiàn)象，記錄滾刀破巖載荷、破巖體積、巖石的裂紋擴(kuò)展規(guī)律以及巖渣破碎塊度，計(jì)算破巖比能耗；最后通過(guò)Lab View進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析刀間距及貫入度變化對(duì)滾刀破巖特性的影響.

1-鋁制加熱板；2-加熱棒；3-螺栓；4-隔熱層；5-鐵制上板；6-手柄；7-木制保護(hù)圈

2.2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1)破巖載荷分析

圖7所示為當(dāng)D=4 mm，d=80 mm時(shí)，不同巖石溫度下滾刀破巖載荷的仿真值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比曲線.可以看出：隨著巖石溫度的升高，滾刀的破巖載荷逐漸下降，并呈現(xiàn)一定的階躍性，這與數(shù)值仿真得出的變化規(guī)律基本一致．這表明巖石溫度是影響盤形滾刀破巖效率的一個(gè)關(guān)鍵因素，巖石溫度的升高會(huì)使巖石內(nèi)部產(chǎn)生新的微裂紋或使原有微裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，改變了巖石的強(qiáng)度及硬度，從而導(dǎo)致破巖載荷的改變.通過(guò)圖7可以看出仿真值與實(shí)驗(yàn)值之間存在一定的誤差，這主要是由于數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)中只對(duì)巖石局部進(jìn)行加熱，沒有整體加熱，且?guī)r石加熱后到切削有一定的時(shí)間差，使得巖石有一定的熱量散失.

巖石溫度/℃

2)破巖現(xiàn)象分析

圖8所示為雙滾刀共同破巖時(shí)，不同工況下巖石破碎情況.可以看出：刀間距為60 mm時(shí)，滾刀之間的協(xié)同作用較強(qiáng)，滾刀之間的巖石被完全破碎，形成許多小塊的巖渣，巖石過(guò)度破碎，巖石溫度越高，破碎塊度越小，如圖8(a)和(b)所示；刀間距為80 mm時(shí)，滾刀之間的協(xié)同作用減弱，刀間巖石裂紋基本貫通，產(chǎn)生大塊的巖渣，巖石溫度越高，破碎效率越好，如圖8(c)和(d)所示；刀間距為100 mm時(shí)，滾刀之間的協(xié)同作用較差，溫度較低時(shí)，滾刀下方出現(xiàn)兩條互不交匯的壓痕，呈現(xiàn)各自破碎狀態(tài)，巖石溫度越高，壓痕越明顯，產(chǎn)生大量粉末狀巖渣，出現(xiàn)過(guò)度破碎現(xiàn)象，能量耗損過(guò)大，破巖效率反而降低，如圖8(e)和(f)所示.總之巖石溫度的升高能增強(qiáng)滾刀之間的協(xié)同作用，提高滾刀的破巖效率.根據(jù)實(shí)驗(yàn)破碎模式的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出其變化規(guī)律與數(shù)值模擬所得出的巖石破碎規(guī)律基本一致，從而驗(yàn)證了數(shù)值仿真的可靠性以及可行性.

圖8 不同工況下巖石破碎情況

3)破巖效率分析

上?？梢岳矛F(xiàn)有的ATP1000、F1、田徑大獎(jiǎng)賽、匯豐高爾夫、斯諾克世錦賽、上海馬拉松、崇明自行車等品牌賽事舉辦的優(yōu)勢(shì)，在賽事舉辦期間邀請(qǐng)其他舉辦城市參與聯(lián)席會(huì)議。通過(guò)溝通信息、相互學(xué)習(xí)，建立起城市鏈接的舞臺(tái)，從而擴(kuò)大上海與其他國(guó)際城市的聯(lián)系網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)若干年的努力慢慢形成穩(wěn)定的會(huì)晤機(jī)制，建立起體育、政治、經(jīng)濟(jì)的交流機(jī)制和平臺(tái)，最終形成國(guó)際賽事城市網(wǎng)絡(luò)，力爭(zhēng)將會(huì)址或秘書處設(shè)立在上海，提升上海的國(guó)際影響力。

采用精密電子秤對(duì)各工況下滾刀的破巖量進(jìn)行稱量，并進(jìn)行記錄和統(tǒng)計(jì)，再根據(jù)巖石材料的質(zhì)量，可以獲得滾刀的破巖體積，利用公式(13)計(jì)算出各工況下的破巖比能耗.表1所示為各工況下的破巖比能耗實(shí)驗(yàn)值與仿真值.可以看出：1)在同一巖石溫度下，隨著滾刀之間巖石裂紋從沒有貫通到剛好貫通，比能耗逐漸減小；隨著巖石裂紋從剛好貫通到過(guò)渡破碎，比能耗增加，即存在一個(gè)最優(yōu)刀間距破巖比能耗最小，其數(shù)值大概在80 mm左右；在相同刀間距和巖石溫度下，貫入度越大，破巖效率越高.2)在同一刀間距下，隨著溫度的升高，巖石裂紋從無(wú)貫通到交匯貫通，再到過(guò)度破碎，比能耗先減小后上升，說(shuō)明巖石溫度是影響比能耗的一個(gè)因素，隨著溫度的升高，最優(yōu)刀間距逐漸升高.由于仿真過(guò)程中所用的離散元顆粒模型是二維的，被設(shè)置為剛體的滾刀不可破壞和磨損，滾刀切削條件是在理想工況條件下進(jìn)行的，沒有受到來(lái)自外部無(wú)關(guān)條件的干擾，而在破巖實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，滾刀會(huì)存在磨損，且實(shí)驗(yàn)條件如滾刀的加載、巖石的加熱以及測(cè)試條件等受外界條件干擾的影響，因此仿真值與實(shí)驗(yàn)值存在一定的誤差，但在允許范圍內(nèi).

表1 各工況下的破巖比能耗實(shí)驗(yàn)值與仿真值對(duì)比

3 結(jié) 論

1)滾刀的破巖載荷隨貫入度的增加呈躍進(jìn)破碎特性；隨著巖石溫度的升高，破巖載荷逐漸降低，巖石破碎體積增加．

2)滾刀間距的增加，抑制了滾刀之間的協(xié)同作用，巖石裂紋不易交匯貫通，滾刀破巖呈現(xiàn)各自破碎模式；隨著貫入度的增加，巖石裂紋從不交匯到剛好交匯貫通，最后到形成過(guò)度破碎的破碎模式，使得滾刀下方應(yīng)力之間出現(xiàn)相互作用，減弱了滾刀之間巖石的強(qiáng)度，致使側(cè)向裂紋擴(kuò)展速度向兩側(cè)自由面增加．

3)隨著巖石溫度的升高，巖石的強(qiáng)度以及破裂方式發(fā)生改變，巖石更加容易破碎，相同刀間距、貫入度條件下，相對(duì)于溫度較低時(shí)巖石裂紋沒有出現(xiàn)貫通，溫度較高時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)貫通甚至過(guò)度貫通狀態(tài)，滾刀的最優(yōu)刀間距隨巖石溫度的升高而升高，隨貫入度的增大而變大.

總的來(lái)說(shuō)，巖石溫度的升高能增強(qiáng)滾刀之間的協(xié)同作用，使?jié)L刀的破巖效率增高．這表明巖石溫度是影響滾刀破巖特性的重要因素之一，基于巖石溫度的滾刀掘進(jìn)參數(shù)對(duì)破巖特性影響的研究具有一定工程實(shí)踐價(jià)值.

[1] 王夢(mèng)恕. 中國(guó)鐵路、隧道與地下空間發(fā)展概況[J]. 隧道建設(shè), 2010, 30(4):351-364.

WANG Meng-shu. An overview of development of railways, tunnels and underground works in China[J]. Tunnel Construction, 2010, 30(4):351-364. (In Chinese)

[2] WANG L, KANG Y, CAI Z,etal. The energy method to predict disc cutter wear extent for hard rock TBMs [J]. Tunneling and Underground Space Technology, 2012, 28(4): 183-191.

[3] VANDER MOLEN I. The shift of the α-β transition of association with the thermal expression granite at high pressure [J]. Tectonophsics, 1981,73: 323-342.

[4] ALM O, JAKTLUND L L. The influence of micro crack density on the elastic and fracture mechanical properties of Stripa granite [J]. Physics of the Earth and Planetary Interiors, 1985, 40:17-61.

[5] CHEN Y L, NI J, SHAO W,etal. Experimental study on the influence of temperature on the mechanical properties of granite under uni-axial compression and fatigue loading [J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2012, 56 (2): 62-69.

[6] SMITHIES R H, HOWARD P M, KIRKLAND C L,etal. High-temperature granite magmatism [J]. Journal of Petrology, 2011,52(5):931-958.

[7] 張志鎮(zhèn), 高峰, 徐小麗. 花崗巖力學(xué)特性的溫度效應(yīng)試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2011, 32(8):2346-2352.

ZHANG Zhi-zhen, GAO Feng, XU Xiao-li. Experimental study of temperature effect of mechanical properties of granite[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(8): 2346-2352. (In Chinese)

[8] 左建平, 謝和平, 劉瑜杰, 等. 不同溫度熱處理后砂巖三點(diǎn)彎曲的斷裂特性[J]. 固體力學(xué)學(xué)報(bào), 2010,31(2):119-126.

ZUO Jian-ping, XIE He-ping, LIU Yu-jie,etal. Investigation on fracture characteristics of sandstone after thermal effects through three bending point experiments[J]. Chinese Journal of Solid Mechanics, 2010,31(2):119-126. (In Chinese)

[9] CHO N, MARTIN C D, SEGO D C. A clumped particle model for rock[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2007, 44(7): 997-1010.

[10]李建芳. 巖石溫度對(duì)盤形滾刀破巖特性影響的研究[D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 2014.

LI Jian-fang. The research on influence of rock breaking mechanism by disc cutters under the temperature of rock[D]. Changsha: College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, 2014. (In Chinese)

[11]LIU H Y, KOU S Q, LINDQVIST P A. Numerical studies on bit-rock fragmentation mechanisms[J]. International Journal of Geomechanics, 2008, 8(1): 45-67.

[12]徐孜軍. 盾構(gòu)刀具破巖特性的數(shù)值模擬及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué), 2012: 43-46.

XU Zi-jun. Numerical simulation and experimental study of rock breaking mechanism by shield machine cutters[D]. Changsha: Central South University, 2012: 43-46. (In Chinese)

[13]趙衡, 曹文貴, 李翔. 考慮應(yīng)變率影響的單軸受壓巖石動(dòng)態(tài)變形過(guò)程模擬[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2008, 35(8):14-18.

ZHAO Heng, CAO Wen-gui, LI Xiang. Study on the simulation of the dynamic deformation process of uniaxial compressed rock with consideration of strain rate [J]. Journal of Hunan University: Natural Sciences, 2008, 35(8):14-18. (In Chinese)

Influence of Different Rock Temperatures on Rock Breaking Characteristics of Disc Cutter Tunneling Parameters

ZHANG Gui-ju1,2?，TAN Qing1，XIA Yi-min1,3，LI Jian-fang1，LAO Tong-bing1,ZHANG Jin-hao1

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South Univ, Changsha，Hunan 410083, China;2. Department of Mechanical and Energy Engineering, Shaoyang Univ, Shaoyang, Hunan 422004, China;3. State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Changsha， Hunan 410083, China)

In order to study the influence of different rock temperatures on the rock breaking characteristics of TBM disc cutter tunneling parameters, and on the basis of particle flow theory, the thermodynamic mathematical model of rock breaking by TBM disc cutter based on rock temperature changes was established from the microscopic view. The whole process of rock crack formation, crack propagation and rock slag formation was simulated. Then, the influence laws of different tunneling parameters on rock breaking characteristics were studied, which explained the rock breaking mechanism of TBM disc cutter under different rock temperatures from micro view. Finally, by using the linear experiment platform of rock breaking by TBM disc cutter, experimental verification was accomplished to find out whether the influence laws of rock breaking characteristics by TBM disc cutter tunneling parameters under different rock temperatures conditions were kept well with numerical simulation results. The research results show that: (1) the increase of rock temperature decreases some mechanical properties of rock such as hardness, strength and so on, which leads to the crack number increase and rapid expansion of micro crack when rock breaking rock, hence reducing the rock breaking load of TBM disc cutter and improving the rock breaking efficiency; (2) the higher the temperature, the lower the rock stress. The stress distribution obeys the Buzin Neske stress circle rules, where the stress value below the region of the cutting edge was the maximum and gradually decreases radiation around. The stress is basically symmetrical distribution and total rock stress becomes smaller as temperature increases; (3) when the penetration depth is low, the rock is not easy to be broken and intruded. With the increase of rock temperature, the rock is easier to be extruded and ruptured. With the increase of the penetration depth, the failure zone is further expanded, which improves the rock breaking efficiency; (4) the synergistic action between TBM disc cutters decreases with the increase of the cutter space, and the optimal cutter space increases with the increase of rock temperature and penetration depth; and (5) the synergistic action between TBM disc cutters can be enhanced by increasing rock temperature to improve the efficiency of rock breaking.

TBM; disc cutter; rock temperature; cutter space; penetration depth; particle flow code(PFC)

1674-2974(2015)04-0040-08

2014-03-17

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51274252，51074180)，National Natural Science Foundation of China(51274252，51074180) ；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013CB035401)；湖南省科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2010FJ1002)；湖南省科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2010GK3073)

張桂菊(1979-)，女，貴州貴陽(yáng)人，博士研究生，講師

?通訊聯(lián)系人，E-mail:zhangguiju1999@sina.cn

TP391.9； U455.39

A