2016年12月上第45卷第23期
DOI:10.7672/sgjs2016230029
施工技术
CONSTRUCTION TECHNOLOGY
盘形滚刀冲击破岩过程仿真分析与试验研究*
暨智勇
（中国铁建重工集团有限公司，湖南长沙410100）
【摘要】随着TBM的广泛应用以及地质条件的复杂多样性，传统的机械破岩方法已经无法满足实际需求。在分析国内外相关研究现状的基础上，研究了新型破岩方法，即冲击破岩的切削性能。基于LS-DYNA对冲击破岩过程进行仿真研究，分析得到冲击量、冲击频率和切前速度对冲击破岩过程的影响规律，并借助滚力破岩试验台对仿真结果进行试验验证。
【关键词］隧道工程；盘形滚刀；冲击破岩；仿真分析；试验
［中图分类号］U455.3
【文献标识码］A
[文章编号］1002-8498(2016)23-0029-04
SimulationAnalysisandExperimentalStudyontheImpacted
RockBreakingProcessoftheDiscCutter
Ji Zhiyong
(China Railaeay Construction Heary Industry Co. , Ltd. , Changsha,Hu'nan410100, China)
Abstract:Traditional mechanical methods are unable to meet the actual requirement because of the wide use of TBM and complex and varied geological conditions. On the basis of analyzing related research at home and abroad, a new rock breaking method cutting performance of rock burst is studied. Simulation of impact breaking process is achieved based on LS-DYNA and the law of how the impact quantity, impacting frequency and cutting speed impact on rock breaking process is gained. The simulation results are verified by the rock breaking test bench.
Key words : tunnels;disc cutter; impact-cutting ;simulation;testing
0引言
TBM和盾构机已经越来越广泛地应用于地下工程开发，其市场需求量必然也越来越大。盘形滚刀作为TBM和盾构机破岩的主要切削工具，其破岩效率对TBM和掘进机的掘进效率以及节约工程施工成本有很大影响[24]。机械破岩广泛运用于矿山开采、隧道掘进等领域，由于机械破岩时，刀具易潜损且难以切前硬岩，人们不得不探索新方法来部分代替或辅助机械破岩。冲击破岩为主要新型方法之一。目前，国内外学者在冲击破岩方面取得的研究成果有：J.T.Hagan发现冲击破岩产生的径向裂纹比静压破岩长，产生的破碎范围更大[3」；J.Zhao 等通过理论分析和试验研究掌握了冲击破岩荷载的瞬时变化特性和传播规律：徐小荷等认为岩石在被冲击下，应力-应变关系曲线以及冲击力-冲击
*“十二五"国家科技支撑计划重点课题（2013BAB10B01）【作者简介]暨驾雾，携士研究生，E-mail：49885305@qq.com【收稿日期]今石教据
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深度关系曲线存在非线性关系[汀；谢世勇等利用数值模拟和试验研究了PDC刀具对岩石冲击破坏过程，得到刀具冲击岩石时冲击力呈现跃进式特点[8]。冲击破岩的冲击功能不是由冲击机构直接赋予的，而是依靠滚刀运动产生冲击荷载作用，关
于冲击破岩仿真及其试验研究还未见报道。 1冲击破岩机理
滚刀侵入岩石初期，由于剪切变形形成的密实核呈半球形。冲击破岩将产生中间、径向和侧向裂纹，侧向裂纹一般在卸载过程中从剪切变形区底部产生并扩展，而中间裂纹和径向裂纹始于加载过程并在卸载过程中扩展，如图1所示。
当滚刀承受垂直静压力，滚刀侵人岩石，随着垂直静压力逐渐增大，岩石首先被压实，接着岩石被破环，直至出现破碎。当盘形滚力侵入岩到一定程度之后，把滚承受的垂直静压力转换为冲击作用力，此时岩石面将出现大面积破碎或很多微裂纹。接着把滚刀承受的冲击力转换为垂直静压力，假设之前岩石面产生很多微裂纹，则滚力侵人岩石