TBM滚刀破岩的二维仿真：刀刃角与材料对裂纹影响研究

本文主要探讨了TBM（全断面硬岩掘进机）边缘滚刀破岩的机理，通过数值研究来深入理解刀刃角和不同被切削材料如何影响这一过程。研究者采用二维离散单元法，借助UDEC仿真软件构建了一系列边缘滚刀破岩的数值模型，模拟了滚刀作用下岩石内部裂纹的生成、扩展和破裂过程。关键发现包括： 1. 张拉破坏是滚刀破岩过程中裂纹生成与扩展的主要驱动力，这意味着在滚刀施加压力时，岩石内部的应力分布对裂纹的发展起到决定性作用。 2. 不同刀刃角度对破岩效果有显著影响：边缘滚刀接近弧面下端的斜裂纹相比于弧面上端的裂纹更长，这可能是因为斜裂纹更容易沿着滚刀的切削路径形成和发展。 3. 对于硬岩，随着刀刃角的增大，裂纹扩展能力和破岩效率呈现先增后减的趋势。过小或过大的刀刃角都不利于高效破岩，因此需要选择一个适宜的刀刃角。 4. 当被切削材料的强度增加时，由于裂纹扩展受到限制，破岩效率会降低。这表明硬度更高的岩石更难以被边缘滚刀有效地切割。 5. 在所有材料中，TBM边缘滚刀对大理岩造成的破坏损伤范围相对较小，破岩效率较低，这可能是由于大理岩的特性导致其抵抗切割的能力较强。 最后，研究者通过实验和实际工程数据对仿真结果进行了验证，确保了所用数值方法的准确性和实用性。这项研究为TBM的设计优化以及硬岩隧道挖掘工程提供了重要的理论依据，对于提升施工效率和降低成本具有重要意义。