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基于连续--非连续分析方法的定向钻复合冲击破岩机理及工程应用
| 论文题名： | 基于连续--非连续分析方法的定向钻复合冲击破岩机理及工程应用 |
| 关键词： | 隧道工程;涌水灾害;地面注浆;定向钻孔;破岩机理;连续-非连续分析 |
| 摘要： | 伴随交通强国、“一带一路”倡议等国家重大战略的实施，我国已成为世界上隧道建设数量、规模和难度最大的国家。隧道施工过程常面临复杂的地质条件，突水突泥、围岩垮塌等重大灾害时有发生，常造成人员伤亡、财产损失和施工工期延误等。灾害发生后，洞内常不具备灾害处置条件，同时针对掌子面前方多需要开展预注浆工作。 地面注浆是隧道工程涌水失稳灾害控制和不良地质预加固的有效技术手段，具有施工风险系数小、施工难度低、节约施工工期等优点。地面注浆需打设长距离定向钻孔,传统千米定向钻施工过程中普遍面临破岩效率低、硬岩地层可钻性差的问题。为此，本文针对定向钻装备中新型复合冲击钻具，基于连续-非连续分析方法（CDEM）,围绕千米定向钻复合冲击破岩机理、钻齿参数优化、钻进参数优化分析开展了系统研究。在国家重点研发计划（2022YFC3005600）的资助下，开展了以下工作: （1）在复合冲击破岩机理方面，基于轴向冲击和扭转冲击作用下的单钻齿侵入破岩理论，围绕PDC钻齿受力过程，分析了复合冲击作用下PDC单齿侵入破岩规律。建立了考虑钻柱系统简化的钻头运动模型，基于该简化模型，分析了复合冲击钻具在破岩过程中的能量分布特点，初步揭示了钻头在轴向冲击、扭转冲击和复合冲击作用下的破岩机理。 （2）在钻齿参数优化方面，基于GDEM软件中BlockDyna和PDyna模块的基础理论，建立了基于共享节点的FEM-DEM耦合模型，可实现固体材料从连续介质到非连续介质的精确过渡。在此基础上，建立了复合冲击作用下的单钻齿侵入破岩模型，通过JavaScript二次开发，实现了单钻齿复合冲击破岩过程模拟。并对不同切入深度、钻齿前倾角度和冲击速度幅值进行了优化分析。 （3）在全钻头钻进参数优化方面，基于连续-非连续分析方法（CDEM）中的单点积分算法、虚拟质量算法和单元溶蚀算法等核心算法，通过JavaScript二次开发，实现了 PDC全钻头复合冲击破岩过程模拟。总结了全钻头复合冲击破岩规律，分析了轴向冲击速度和冲击作用周期对破岩效率的影响。并依托浙江天台山抽水蓄能电站2#施工支洞某引水斜井工程，对其钻进参数进行了优化建议。 （4）在结合定向钻进注浆一体化装备实现方面，通过对已有资料的调研，分析了工程需求与装备结构，改进了可实现一体化注浆的封隔器装置，提出了一种可实现钻注一体化功能的结构设计。 |
| 作者： | 刘学港 |
| 专业： | 土木水利 |
| 导师： | 金青;李利平 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 山东大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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