节理倾角对TBM破岩性能的三维数值分析

本文主要探讨了节理倾角对岩石隧道掘进机(Tunnel Boring Machine, TBM)盘形滚刀破岩特性的数值影响。作者利用颗粒离散元法(Particle Flow Code, PFC)建立了一种数值模型，该模型考虑了不同节理倾角对岩石破碎模式、裂纹发展以及破岩能量消耗的影响。 首先，研究发现倾斜节理的存在显著改变了岩石的破裂过程。节理的存在使得裂纹扩展不再均匀，呈现出不对称的模式。特别是，节理的存在会限制主裂纹向下的延伸，节理倾角越大，对主裂纹的形成和发展起到的抑制作用越显著。当节理倾角较小时，裂纹倾向于沿着节理走向扩展，这有助于双滚刀之间的裂隙连通，促进岩石碎屑的脱落。 其次，节理倾角对剪切裂纹的影响相对较小，而主要影响拉裂纹的数量。研究结果显示，随着节理倾角的增加，总裂纹数量呈现出先增后减的趋势，其中30°倾角时达到峰值。这意味着，在特定的节理倾角范围内，破岩效率会有所优化。当节理倾角接近30°时，破岩比能（衡量破岩所需的能量）达到最低，表明在此状态下，TBM的破岩效率最为高效。 这项研究的重要性在于，它使用了颗粒离散元法PFC 2D，这是一种强大的数值工具，能够精细模拟节理岩体中的双滚刀破岩过程，弥补了室内实验无法细致研究微观破裂机制的不足。这对于理解和优化TBM在复杂地质条件下的掘进策略具有实际意义，有助于提高隧道施工的安全性和效率。 本文通过数值模拟揭示了节理倾角对TBM破岩性能的关键影响，为岩石隧道掘进在含有节理岩体中的施工提供了理论依据和技术指导。这项研究对于提升隧道工程设计和施工技术具有重要意义，特别是在深部地下工程和复杂地质环境中的应用。