TBM破岩机制研究：三维FEM-SPH耦合分析

"TBM破岩机理的三维FEM-SPH耦合算法" 这篇科研论文探讨了全断面隧道掘进机（TBM）在破岩过程中的机理，利用了改进的有限元-光滑粒子流体动力学耦合（FEM-SPH）的计算方法。该方法是一种混合数值模拟技术，结合了结构分析的有限元法（FEM）和连续介质力学的光滑粒子流体动力学法（SPH），旨在更精确地模拟TBM在岩石中的破碎行为。 研究人员构建了TBM单滚刀和双滚刀的三维数值模型，通过这个模型来观察和分析TBM的破岩过程。他们发现，在破岩的压碎区形成阶段，滚刀对岩石施加的推力导致微裂纹向下扩展，形成了一个扇形破坏区。同时，切向力促使微裂纹向前扩展，形成另一个扇形破坏区，这两个破坏区组合在一起形成一个锥形破坏区域。 在微裂纹的形成阶段，模型显示侧向裂纹的扩展速度超过了中央裂纹的扩展速度。而在微裂纹扩展阶段，情况逆转，中央裂纹的扩展速度超过了侧向裂纹。当滚刀滚动到岩石边缘时，边缘部分的岩石以扇形方式失效，表现出明显的局部破坏特征。 在分析双滚刀的破岩过程时，研究发现滚刀间的相互作用影响了赫兹裂纹的扩展方向。在微裂纹扩展阶段，这些赫兹裂纹相互连接并贯通，最终形成岩片，这是TBM破岩过程中岩石碎片化的一个关键步骤。 该研究对于理解TBM的工作原理、优化掘进效率和减少对周围岩体的影响具有重要意义。它为隧道工程提供了理论支持，有助于预测和控制TBM作业中的岩石破碎模式，从而提高施工的安全性和经济性。同时，这种FEM-SPH耦合算法也为其他类似物理现象的数值模拟提供了参考，如地下工程中的岩石力学分析和地质灾害预测。 关键词：TBM破岩；FEM-SPH耦合算法；岩片 分类号：U451.2 文献标志码：A 文章编号：0253－9993(2015)06－1263－07 收稿日期：2015－02－11 责任编辑：张晓宁 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)资助项目(2014CB046903)