摘要：为了分析水射流构造自由面情况下的滚刀切割破岩特性,本文采用有限元模拟分析方法,建立自由面工况下滚刀破岩模型,模拟不同切宽下滚刀切割岩石动态过程,得到水射流构造自由面工况下滚刀破岩载荷、破岩状态等变化规律,并利用线性切割实验进行验证。研究结果表明:水射流构造自由面后滚刀切割过程中,岩石会产生表面和内部拉伸裂纹,且当切宽小于临界值50 mm时,滚刀临近自由面侧的拉伸裂纹可以延伸到自由面,促进岩石破碎;水射流构造自由面情况下的滚刀破岩垂直载荷最大,侧向载荷最小,且合适的切宽可以显著改善滚刀受载;当滚刀能有效利用水射流构造的自由面破岩时,其破岩比能耗远低于无自由面效应下的滚刀破岩比能耗,前者仅约为后者的30%,破岩效率得到显著提高。研究结果可为水射流辅助滚刀破岩参数设计提供依据。

摘要：目前隧道掘进机(TBM)施工过程的钢拱架安装均采用人工操作的形式完成,作业环境非常恶劣,导致钢拱架支护效率低、劳动强度大、施工风险高。为此,笔者及其所在团队前期设计了一种钢拱架快速封口安装机构,用于代替人工完成钢拱架的封口作业。抓取模块作为该封口安装机构中直接与钢拱架接触的核心部件,需要具有足够的传动性能,以满足夹持作业需求。为此,文中基于螺旋理论,建立了其运动学模型,推导了输入旋量和输出旋量之间的虚拟系数,研究得到了抓取模块的传动性能,并提出了相应的传动指标;在此基础上,建立了抓取模块的尺寸参数优化模型,结合钢拱架封口件的实际抓取需求,得到抓取模块各尺寸参数的优化结果如下:卡爪与连杆的初始夹角α=88°、导杆的初始位置l_(FJ)=170 mm,导杆运动范围0~63 mm。利用ADAMS软件对抓取模块从夹持到张开的姿势变化过程进行分析,得到以下结论:卡爪末端间的距离从50.0mm逐渐增加至234.6mm,满足抓取空间需求;输出扭矩呈先增大后减小的趋势,卡爪完全张开时扭矩最小值为21.23N·m,满足输出扭矩需求。钢拱架封口成环的样机实验表明:抓取模块尺寸参数的测量值与计算模型仅相差4.5mm,说明模型是正确的;钢拱架的整个封口安装时间为8.6min,与传统人工作业相比,钢拱架封口机构的作业效率提高了20%~70%。

摘要：目前,全断面隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀与高压水射流耦合破岩研究中,水射流切槽大多由低移速水射流切割而成,这与实际情况下耦合在TBM刀盘上的高移速水射流所制备的切槽不同,进而影响滚刀-水射流耦合破岩结果的可靠性。针对上述问题,采用2种喷嘴直径(0.5 mm和0.7 mm)、3种移速(1.8,2.4和3.0 m/s)的高移速水射流,耦合小尺度TBM滚刀(刃宽为2.3 mm和直径为43.2 mm),对极硬花岗岩进行切削试验,研究不同切削模式下的岩石破碎效果、滚刀法向力以及破岩比能的变化规律,同时开展全尺度滚刀与高移速水射流切槽耦合破岩的数值模拟,作为小尺度破岩试验的补充。研究结果表明:高移速水射流切槽的底长和高度随喷嘴直径的增大而增大,随喷嘴移速的增大而减小;在共轨破岩试验中,小滚刀下方岩石被高移速水射流部分移除,导致破岩载荷和破岩效率降低;在错轨破岩试验中,当小滚刀与水射流切槽间距大于15 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果趋于消失,当间距为12 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果最显著,破岩比能比纯滚刀切削降低68%;由于高移速水射流切槽小、滚刀刃宽大,导致切槽对滚刀破岩的辅助效果很小。为提升高移速水射流辅助TBM滚刀破岩效果,建议提升水射流的切割能力从而提升切槽深度,适当减小滚刀刃宽从而提升滚刀贯入岩石的能力,适当减小滚刀与切槽间距从而发挥切槽临空辅助破岩作用。

摘要：为了研究磨料水射流辅助与常规工况下滚刀破岩特性的差异性,开展了两种工况下的破岩试验,对比分析了不同切削间距下岩石破碎状态、破岩载荷以及破岩效率的差异性。研究结果表明,相较于传统滚刀破岩,磨料水射流辅助滚刀破岩可提高滚刀贯入硬岩的能力,促使裂纹在岩体内部的拓展,产生大尺寸岩渣。磨料水射流辅助下滚刀垂直力和滚动力均明显低于常规滚刀破岩,平均下降了39%和25%,同时,磨料水射流辅助下滚刀破岩量增多,破岩效率进一步提高,约为常规滚刀破岩效率的1倍~2倍。研究结果为提高硬岩地质条件下滚刀破岩性能,实现隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)的高效掘进提供参考。

摘要：为了对比临空面与常规工况下的滚刀破岩性能规律,采用实验和仿真相结合的方法,分别开展了两种工况下滚刀切割红砂岩破岩实验和破岩仿真研究,分析了两种工况下岩石破碎状态、滚刀受载以及破岩比能耗等规律.研究结果表明:相比常规工况下滚刀破岩,临空面下滚刀破岩可以提升岩体内部主裂纹扩展能力,促进大块岩碴的形成;同时,临空面工况下的滚刀破岩载荷和破岩比能耗也得到显著改善.临空面下的滚刀破岩总载荷和破岩比能耗约为常规工况下滚刀破岩总载荷和破岩比能耗的66%和3%.研究结果可为TBM高效破岩提供参考.

摘要：针对全断面隧道掘进机的传送带上岩碴片重叠造成的图像分割不准确问题,提出一种基于深度学习的密集岩碴片图像分割方法。该方法将原图像做预处理,标注并制作岩碴片图像数据集;改进U-Net模型的结构,通过深度监督以及新的混合损失函数优化模型学习分割表示的能力;训练改进后的模型分割图像,利用OpenCV获取面积与长、短轴等参数;与最大类间方差法、分水岭分割及传统U-Net模型进行比较,结果表明:所提出岩碴片图像分割的方法在准确率、F_(1 score)、重叠度指标上分别为96.21%、94.66%和90.04%,预测单张图片耗时1.47 s,证明了所提出方法的准确性和有效性。

摘要：在对实际掘进条件做出合理简化的基础上,主要从仿真与试验2个方面对齿刀破岩机制进行研究。首先将Hertz弹性接触理论引入仿真,从而考虑刀具的初始应力分布对裂纹扩展的影响;然后利用基于2D离散法的UDEC软件建立TBM双刃球齿滚刀侵入砂岩的模型,并进行仿真分析;最后在原有线切割试验台的基础上设计观测试验。首次利用高速摄像仪捕捉到岩石崩裂及破碎的现象,并巧妙地使用普通数码相机不连续记录球齿下密实核的产生过程。该模型成功地模拟裂纹的生成与扩展,由仿真结果可知:随着侵深的增加,球齿底部承受压应力过大逐步出现密实核;球齿之间的侧向裂纹由于拉应力失效迅速扩展并趋于交汇,最终裂纹贯穿导致岩体破碎;破碎前刃侧出现的小块岩石崩裂现象是由拉应力失效引起的。仿真结果与实验室观测结果表明,研究成果和施工现场数据存有良好的一致性,可适用于浅地层TBM掘进机破岩机制的研究。

摘要：采用数值模拟技术并借助于大型有限元软件,选择在Ottosen四参数破坏准则基础上引入损伤因子的非线性弹塑性本构模型作为软岩的材料模型,建立盾构刀具切削软岩的二维简化模型,模拟破岩过程中裂纹的生成和扩展;建立三维有限元模型,分析切削力在整个切削过程中的变化,并通过试验验证仿真过程的可行性和有效性。研究结果表明:岩石的破碎过程和切屑的形成过程是由拉伸裂纹和剪切裂纹延伸而成;刀具的切削力与切削时间之间遵循波动变化关系,能够较真实地反映盾构刀具破岩过程中岩石的破碎动态响应过程;采用该方法研究刀具几何参数和切削参数对切削力的影响程度和趋势,为盾构刀具的最优化设计提供了参考依据。

摘要：为了研究不同围压条件下TBM刀具在掘进施工过程中的破岩机理,基于2-D离散单元法,利用UDEC仿真软件建立了双把TBM刀具侵入岩石的仿真模型。在此基础上设计了一组数值试验,成功地模拟出了不同围压条件以及不同刀间距下岩石裂纹生成,扩展和岩石破碎的全过程。仿真结果表明:TBM刀具作用下岩石存在四种基本的破碎模式,它们的出现与围压以及刀间距有关;破碎模式对刀具的破岩效率,岩石破碎块度均有影响;随着围压的增加,最优刀间距增大,但围压超过一定值后,最优刀间距反而减小。

摘要：在综合考虑围压及刀具切削顺序的前提下,利用二维离散单元法建立双把TBM刀具切削节理不发育岩石的仿真模型,模拟出岩石裂纹的生产与扩展全过程。根据获得的裂纹扩展形态以及破碎块形成规则,总结归纳出四种典型破碎模式,并从刀具破岩效率、岩石裂纹扩展能力以及岩石破碎块度三个方面对刀具破岩机理进行进一步研究。仿真结果表明:随着围压的增加,刀具的破岩效率与裂纹扩展能力降低;同时加载方式下破岩效率比先后加载方式要大,而裂纹扩展能力则刚好相反;岩石破碎块度与破碎模式有关。