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原文传递隧道掘进机滚刀超声波振动滚压碎岩机理研究

论文题名：	隧道掘进机滚刀超声波振动滚压碎岩机理研究
关键词：	隧道掘进机;滚刀滚压作用;超声波振动;碎岩效果
摘要：	随着我国铁路、公路等建设工程量的不断加大，隧道工程量逐年增加，各种复杂地层对施工的影响也逐渐凸显。硬岩地层是导致隧道掘进施工进度缓慢的主要原因之一。硬岩地层的高强度、高研磨性导致刀具快速磨损，材料成本、时间成本大幅攀升，限制了隧道掘进的进度与经济性，寻求硬岩地层隧道掘进高效碎岩技术成为众多学者的追求目标。超声波振动从岩石内部入手，通过超高频率的循环冲击载荷促进岩石内部原生微裂纹周期性压缩与扩张，利用共振效应产生应力集中和疲劳损伤，进而快速降低岩石强度。超声波振动具有碎岩消耗能量少、钻进压力低等优点。将超声波振动与滚刀滚压碎岩复合应用，可以弱化岩石的强度，从而减少滚刀贯入岩石所需要的轴向压力，在提高岩石破碎效率的同时改善滚刀工作环境，延长滚刀寿命，实现经济效益的有效提升。本文从理论分析入手，建立超声波振动滚压加载碎岩等效模型，分析了岩石破坏过程，以花岗岩为硬岩材料代表作为试验与模拟对象，采用离散单元数值模拟方法建立颗粒流非均质花岗岩滚刀加载模型，探究了岩石在超声波振动滚压加载作用下的内部力学特性以及裂纹动态扩展规律，基于无损检测法通过试验获取岩石内部裂纹空间分布规律及损伤演化规律，对比评价超声波振动滚压碎岩的效果。获得的主要研究成果如下：　　（1）基于密实核-劈拉理论讨论了岩石在滚刀滚压作用下的剪切-拉伸损伤破坏过程，明确了滚刀载荷数值与其在岩石中的贯入度、岩石的单轴抗压强度及滚刀岩石接触面的关系。分析了超高周循环载荷作用下岩石的动态响应，并对超声波振动滚刀侵入岩体过程进行了讨论，建立了超声波振动滚压碎岩简化等效模型，列出了超声波振动滚刀侵入岩石过程的运动方程和应力方程，确定了岩石表面载荷强度及凹槽深度与超声波振动的关系，给出超声波振动滚压碎岩的理论依据。结果表明岩石表面载荷数值与振动器冲击刀圈楔形齿的末速度、滚刀楔入岩石的静压力呈正相关，冲击振动部分的质量越小，岩石表面载荷强度越高。岩石表面位移与超声波振动幅值正相关，超声波振动的加入可以增加滚刀在岩石表面形成凹槽的深度。　　（2）基于离散单元数值模拟分析软件PFC，通过颗粒团簇生成法、接触模型混插法再现花岗岩晶体特性，构建了非均质花岗岩滚刀加载模型。对超声波振动滚刀滚压碎岩过程进行建模分析。结果显示：超声波振动产生的往复动载促使滚刀在岩石内部生成周期性的应力波并向下传播，浅层岩石出现了较为强烈的拉应力与微裂纹。超声波振动载荷促进了岩石内部裂纹的发育规模，提前产生了初始裂隙，增强了裂隙向自由表面的渗透，有利于岩石碎块的形成与剥离。弱化了岩石内部裂纹的激增现象，缓解了滚刀的跃进式碎岩现象，有利于减少刀具的非常规磨损与异常损坏。由于岩石破碎能量的转换和晶体摩擦热的消耗，应力波产生衰减，随着深度的增加，超声波振动带来的影响逐渐减弱。　　（3）提出了超声波振动滚刀复合结构，搭建了超声振动滚压碎岩试验平台，对超声波振动辅助下滚刀侵入岩石过程进行试验研究。声波检测与表层渗透探伤检测结果表明超声波振动的加入能够产生 41.9%～82.9%的损伤增益，岩石损伤增益效果与加载强度负相关，但可以通过增强超声波振动静压力进一步增强。滚刀侵入岩石离散单元分析结果表明，依据声发射计数及损伤状态分析结果可将超声波振动滚刀侵入岩石的损伤过程划分为能量蓄积、裂纹萌生、裂纹扩展和裂纹快速扩展4个阶段。超声波振动载荷主导产生的裂纹有更明显的穿越晶体倾向，并且使刀具两侧的侧向裂纹明显增多，分散了能量淤积，削弱了浅层区域内沿竖直方向的裂纹数量，提高了裂纹向深部及两侧延展的能力。进一步揭示了超声波振动滚刀作用下岩石裂纹的动态扩展规律。　　（4）采用核磁共振检测技术对岩样孔隙演化特征进行了观测，对比分析了加载次数及加载强度对岩石损伤效果的影响规律。研究结果显示，孔隙的闭合与新孔隙的产生是同时进行的，在低载荷强度下，原生的微孔隙向中尺寸孔隙扩展演化占主导，提升加载强度后，主要表现为微孔隙数目的提升。超声波振动促进了孔隙的扩展，低加载强度下中尺寸裂隙的增益更加显著，且作用起效时间短，在加载前期即可对微孔隙的萌生产生良好的促进作用。揭示了超声波振动滚压加载碎岩的损伤演化规律。应用渗透检测技术从微观角度观测了花岗岩的损伤特征，采用数字图像处理技术对岩石剖面裂纹分布特征进行统计，引入损伤变量并对图像切割测量，划分了原岩区及裂纹发育区。结果显示超声波振动增强了载荷对于孔隙扩展的促进作用。超声波振动使岩石内部裂纹损伤区域的纵向深度以及横向长度均有不同程度的增加，岩石在相同部位处的损伤程度得到了增强，裂纹向两侧扩展的趋势更加显著；超声波振动增加了长石等矿物晶体的晶界裂纹及穿晶裂纹的萌生，滚刀单纯的侵入岩石更倾向于在长石晶体内的缺陷处引起裂纹扩展。加强矿物晶体间的碰撞，增强缺陷处的疲劳损伤是超声波振动滚压碎岩的主要机制。
作者：	韩君鹏
专业：	地质工程
导师：	赵大军
授予学位：	博士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023