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文/扶苏秘史

编辑/扶苏秘史

在破岩的关键过程中，滚刀作为一种常见的破碎工具，其类型的选择对于破碎效率和岩石破裂机理具有显著影响，研究两种常用滚刀类型——圆盘滚刀与楔齿滚刀，并通过采用离散元建模方法来进行详尽的对比研究。

对两种滚刀在破岩过程中的运动轨迹、岩石破裂反应等因素的分析，旨在深入揭示它们在破岩机理上的差异。

圆盘滚刀以其旋转运动为主，楔齿滚刀则以夹持、挤压为主要破碎方式，通过对两者的对比分析，将更准确地了解它们在不同岩石特性和工况下的适用性，从而优化破碎技术的选择和应用。

01

微观参数标定

PFC 3D软件是一款用于模拟连续体材料（如岩石）力学行为的工具，它通过平行键合模型（PBM）将独立的粒子组合在一起，在PBM中，可以将其视为一系列分布在接触面上的弹簧，这些弹簧具有法向刚度和切向刚度，从而能够模拟材料的力学行为，包括力、扭矩等。

这个模型在模拟硬岩破坏时特别有用，因为PBM中的粘结失效可以导致宏观刚度迅速降低，这对应于硬岩的脆性破坏特征，选择PBM来模拟硬岩破坏过程中的力学行为是合理的选择。

PBM的细观参数包括有效粘结模量E_c、法向刚度与剪切刚度之比k_n/ks、颗粒间摩擦系数μ、平行键合法向强度σ和剪切强度τ，这些参数会影响材料的力学特性。

研究者们对PFC参数的校准进行了详细的研究，细观参数E_c和k_n/ks主要影响弹性模量，弹性模量与E_c呈正相关，与k_n/ks呈负相关.

许多细观参数会影响抗压强度，包括k_n/ks、σ和τ，抗压强度随着k_n/ks的变化先增大后减小，而PBM的主要细观参数（σ和τ）与抗压强度呈正相关，这些参数的变化对材料的力学性能产生重要影响，为模拟和分析材料行为提供了有力的工具。

为了校准微观性能，研究者采用PFC 3D软件来模拟单轴抗压强度（UCS）测试，在模拟中，他们使用了一个直径为50毫米、高度为100毫米的圆柱体模型，为了建立适当的边界条件，他们创建了上下加载板和圆柱体表面，并在这三个封闭区域内生成了颗粒，这些颗粒的半径在3至4.5毫米之间变化。

采用PFC 3D中的”Fishtank”命令，研究者通过向圆柱体的壁施加应力，模拟了岩石在宏观状态下的压实过程，为了模拟单轴抗压强度测试，他们在上下平面上施加加载速度，并逐渐增加压力，使试样达到破坏状态。

在校准的过程中，研究者系统地调整微观性能参数，采用试错法的方法，每次调整后，他们绘制轴向应力与轴向应变曲线，并仔细检查曲线是否反映出了岩石样本的宏观特性，反复进行这个过程，直到模型的响应与实际岩石样本的响应达到了高度的一致性。

通过这一方法，研究者能够在PFC 3D软件中有效地校准微观性能参数，使模拟结果与实验数据更加贴近，从而为研究岩石材料的力学行为提供了强有力的工具，这种方法可以帮助深入理解材料的力学性质，并为实际工程应用提供有价值的信息。

02

岩石与刀具模型的建立

在岩石破碎过程中，TBM刀具通过圆周运动来破碎岩石，然而，如果岩体尺寸过大，将导致需要模拟大量颗粒，从而显著增加模拟的时间成本。

为了解决这个问题，需要对模型进行简化，研究者选择了一段圆弧作为刀具破碎岩体的模型，具体而言，圆弧的内径为450毫米，外径为1000毫米，中心角为60度。

在数值模拟中，颗粒的半径范围为3到4.5毫米，总颗粒数量为205661个，表面单元数量为1106个。

为了使模型的模拟状态更接近实际情况，研究者首先需要求解模型的初始平衡状态，他们在模型的周围和底部设置了边界墙约束，并引入了重力场。

颗粒之间以及颗粒与边界墙之间的初始平衡被定义为线性刚度接触模型，一旦模型达到了初始平衡，线性刚度接触模型被平行键模型所取代，同时还重新定义了新的接触模型和本构参数。

经过再次计算平衡状态，研究者成功地获得了一个地层模型，其物理力学性质与实际地质情况相符，满足了数值计算的需求。

在圆盘切割机中，其尺寸为432毫米，同时，楔齿铣刀具具有与圆盘切割机相同的尺寸，并拥有40个齿，这些刀具模型被视作完全刚性。

在盾构切削工程中，刀具的布置对破岩效率产生重要影响，为了确定最佳的破岩参数，我们对不同的刀具间距和穿透深度进行了评估，以分析其对给定截面中颗粒/裂缝数量、刀具力以及破岩比能的影响。

在实际盾构刀具中，刀距通常在80毫米到120毫米之间变化，鉴于此，研究人员进行了数值模拟，评估了在圆盘刀具和楔齿铣刀之间五种刀具间距（80毫米、90毫米、100毫米、110毫米和120毫米）以及三种穿透深度（10毫米、8毫米和6毫米）的情况。

03

仿真过程及数据记录

以圆盘滚刀为例，进行基于实际情况的破岩模拟，其中滚刀沿圆周运动，在具体的设计中，由于头刀的布局，破岩过程中第一刀和第二刀按顺序工作，因此模拟中使用了两个刀具，以刀距为100毫米的圆盘滚刀的破岩过程为示例，楔齿铣刀的仿真过程也类似。

模拟过程的初始阶段，刀具位于岩石模型的外圆周位置，为确保初始阶段刀具与岩体之间没有相互作用，初始位置与岩体之间保持一定距离。

刀具开始绕中心轴旋转，直至不再与岩石产生接触力，然后停止旋转，在破岩模拟过程中，使用循环命令来规定每个刀具的计算次数。

计算时间与刀具的移动距离相等，除了模拟刀具绕原点旋转的角速度外，还定义了刀具绕其中心点旋转的角速度，以模拟破岩刀具在实际工作中的运动，使用壁历史命令记录刀具壁表面上的法向力和切向力。

除了记录刀具与岩石之间的接触力，还可以评估刀具的破岩性能，岩石的破碎导致颗粒破碎和颗粒之间的裂纹形成。

颗粒破碎数量可通过检查颗粒组分组来获取，而通过检查颗粒断裂组，可以得知断裂的数量，在结果可视化中，绿色颗粒表示颗粒经历了压缩破坏，而红色颗粒表示颗粒经历了拉伸破坏，颗粒的破碎同时伴随着颗粒间的裂纹形成。

采用PFC 3D进行模拟时，颗粒被建模为球形，而颗粒间的裂纹则通过圆盘来表示，因此，当发生裂纹时，两个颗粒之间会形成一个圆盘，圆盘的数量反映了岩石损伤的程度，在这里，选择了30°的垂直剖面来观察刀具在破岩过程中的效率。

04

滚刀破岩过程分析

以刀具间距为100毫米、穿透深度为8毫米的方案为例，当第一和第二刀具分别滚动15°、30°、45°和60°时，我们记录了横截面中颗粒的破坏情况。

在圆盘铣刀的模拟中，当第一刀具滚动至15°时，刀具到达选定断面之前，断面的损伤最小，断面中有2个破碎颗粒，其中一个颗粒经历了压缩破坏，另一个颗粒经历了拉伸破坏，这个阶段被称为高级影响阶段。

当第一刀具滚动至30°时，刀具到达选定断面，破碎颗粒数量增至36个，其中有21个颗粒经历了压缩破坏，15个颗粒经历了拉伸破坏，第一刀具的作用导致围岩发生一定程度的损伤，这被称为破碎阶段。

当第一刀具滚动至45°和60°时，刀具已经通过了选定的断面，断面上的破碎颗粒数量稳定，这被称为稳定阶段。

在第一刀具完成破碎岩石后，第二刀具开始滚动，第二刀具的破碎过程也经历了三个阶段，随着第二刀具的运行，横截面的损坏程度逐渐增加，在30°左右达到最大值。

此时破碎颗粒数量达到86个，其中48个由第二刀具破碎，38个由第一刀具破碎，随着第二刀具继续运行，截面的损坏趋于稳定，由于两个刀具之间的距离较小，第二刀具损坏的岩石颗粒数量多于第一刀具，因此，当第二刀具在同一区域操作时，会受到第一刀具造成的损害。

楔齿滚刀和圆盘滚刀的破岩过程类似，这里不再详细讨论，以楔齿铣刀为例，当其滚动至30°时，横截面中有162个破碎颗粒，而在同样条件下，圆盘铣刀有86个破碎颗粒。

由此可见，楔齿铣刀的破坏性更强，由于楔齿滚刀对岩石的破坏更明显，两个滚刀的破岩区域存在重叠，导致两个刀具之间会反复引发岩石的破碎。

这些模拟结果有助于我们更好地理解不同刀具参数对破岩效率的影响，为实际施工提供了重要的参考依据。

结论

通过PFC 3D软件对圆盘滚刀和楔齿滚刀的破岩过程进行了详细的数值模拟，并对破岩比能进行了理论分析。

破坏性的实验结果显示，刀具造成的岩石损伤可以划分为超前影响阶段、破碎阶段和稳定阶段。

在这个过程中，当第一把刀具达到特定部分之前，岩石已经部分地受到了破碎，随着第二把刀具接近该部分，破坏程度进一步增加，然后逐渐趋于稳定。

在相同条件下，楔齿铣刀的破碎颗粒和裂纹数量约为圆盘铣刀的两倍，力链图表明，楔齿滚刀对岩石的破坏程度显著高于圆盘滚刀。

破岩过程中，两种刀具的法向力均大于切向力，这是因为破岩过程是一个正向过程，楔齿滚刀由于其齿块在破岩过程中对岩石产生周期性冲击，且冲击力明显高于圆盘滚刀的滚压力。

通过理论分析发现，每个穿透深度都存在一个最佳的刀具间距，但这个方案不一定是最佳的，当穿透深度为6毫米时，圆盘滚刀的破岩比能略低于楔齿滚刀，然而，随着穿透深度的增加，楔齿滚刀的破岩比能低于圆盘滚刀。

综合考虑，在穿透深度为8毫米（10毫米）时，圆盘滚刀（楔齿滚刀）的最佳刀具间距为100毫米（110毫米），因此，应该根据实际情况考虑采用具有不同穿透深度或刀具间距的刀具，此外，还可以通过增加楔齿刀具的齿数来提高盾构的破岩效率。

这些模拟和分析结果对于了解不同刀具参数对破岩效率的影响，以及为实际施工提供指导和决策，具有重要的价值。