第 1 章 绪 论
1.1 课题背景及研究意义
目前我国经济高速发展，城市化建设逐渐加快，城市规模日渐扩张，人口急剧膨胀，造成城市地面交通堵塞，流动速度慢等问题。而城市地下空间可以提供运输和公用事业的通道却不打乱地表的生态，其开发及利用的重要性日益增加。
地下工程施工法有明挖法，矿山法及盾构法，其中前两种方法不适宜在城市地区施工，而盾构法以其适应性好，对周围环境干扰小，高效、安全等特点成为城市地下工程的首选施工方法[1]。
盾构法是采用盾构机来进行挖掘作业的，盾构机是融合液压、机械、仪表等多种高端科技为一体的现代工程机械，它提供切削岩土、输送土渣、拼装衬砌等多种作用，如今已广泛应用于各种隧道工程领域。盾构机主要采用钢组件对岩土开挖并向前推进，它的外壳即盾，盾对还未衬砌的隧道段起支撑作用，同时承受岩土压力[2]。
盾构机主要通过刀盘刀具进行破岩和切削，鉴于地层结构的复杂性，刀具的受力极不均匀，刀具极易受损。因此，有必要对不同地质条件下切削刀具所受载荷进行适应性研究，提出合理的刀具施工参数，可以为刀盘刀具的合理设计及配置提供参考，这关系到实际工程的工作进度、工作效益。
国内外学者对刀具与岩土的相互作用作了很多研究，主要在实验的基础上进行[3, 4]，鉴于盾构工程庞大，现场条件复杂多变，采用实验的方法很难达到现场条件，且实验成本高，结果不够准确。因此，人们就寻求新的有效方法来解决实际中难以克服的困难。而现代数值模拟技术的发展为人们提供了新的研究思路和研究方法，传统的一些用实验方法不能解决的问题都可以采用数值模拟技术来研究。
本文针对盾构机刀盘刀具切削岩土问题进行研究，采用离散元模拟方法，利用颗粒流软件对岩土切削过程进行模拟，研究不同切削条件下刀具载荷的变化情况，通过实验研究对模拟进行验证，提出最佳刀具几何、工作参数，从而减小刀具载荷。本文对刀盘刀具的优化设计具有一定参考意义。
1.2 盾构隧道技术
1818 年，法国工程师 M.I.Brunel 首创盾构法用于隧道施工，1825 年，矩形盾构机首次在隧道工程中使用。近代，德国和日本的盾构机发展最为迅猛，研制了很多新型盾构机。目前，我国的基础设施正在大规模扩建，西部大开发及中部崛起的战略正在有条不紊的实施，盾构机在隧道建设中也正发挥日益重要的作用。
1.2.1 盾构机的构造
最常用的盾构机类型主要是土压平衡及泥水平衡盾构机[5]，不同类型的机型其内部结构及部件各有不同，但其原理及主要部件差别不大。土压平衡盾构机由切削系统、掘进系统、注浆系统、输送系统等组成[6]。其中，切削系统主要由盾构刀盘本体、切削力、仿形刀、传动箱等组成，负责切削掌子面岩土；加泥注浆系统负责将切削的岩土与外加搅拌剂混合，成为塑性较强的舱内土体，以此来保证压力平衡，从而使掌子面不失稳；螺旋输送系统负责将土舱内的岩土渣输送到传送机上，它是保证土舱内压力平衡、掌子面稳定的重要装置。
1.2.2 盾构机的工作原理图
1.1 为某型盾构机的内部结构图，其工作原理为：由刀盘（1）旋转带动刀具切削岩土，开挖下来的土渣由刀盘缺口进入压力土舱（2），挡板（3）将土舱与盾体分开，油缸（4）对挡板保持一定推力，使土舱动压力与掌子面压力相等，土渣由螺旋运输机（5）旋转运出。管片安装机将预制管片（7）安装在挡板（3）后面，用来对隧道衬砌，如此向隧道轴向方向推进。一般采用交流电为动力旋转刀盘，也可采用电动机带动液压泵驱动刀盘旋转。当盾构机沿隧道轴线向前推进一个管片的长度时，管片预装机就将若干管片按照从下往上的顺序依次拼装管片，进行衬砌工作。
第 2 章 颗粒簇方法及岩土的离散元模型
本章介绍了岩土的特性，对颗粒簇方法进行了概述，并提出本文所用的岩土颗粒接触模型。在实验的基础上，引入颗粒簇方法，选择平行键连接模型，通过模拟单轴压缩试验及巴西试验标定了软岩离散元模型的微观参数，分析误差原因，建立软岩的颗粒簇离散元模型；选择接触键连接模型，模拟双轴压缩试验，对土体离散元模型的微观参数进行校核，分析误差原因，建立土体的颗粒簇离散元模型。
2.1 岩土的特性
在建立岩土的离散元模型之前，首先要了解岩土本身的组成及其特性，进而根据其物理特性建立模型，有助于更好的确定离散元模型的细观参数，模拟其性能特征。
第 3 章 软岩切削过程的离散元模拟...............18
3.1 刀具切削岩土特点.............18
3.2 软岩切削模型的建立及方案制定..................19
3.3 软岩切削过程的动态模拟分析....................20
3.4 软岩切削的正交模拟分析.................29
3.5 本章小结.................31
第 4 章 软岩切削过程的实验验证...................32
4.1 实验目的及方案......................32
4.2 实验设备及工作原理.....................33
4.3 实验结果及分析.....................35
4.4 实验结果与模拟结果对比..................37
4.5 本章小结................37
第 5 章 土体切削过程的离散元模拟................39
5.1 土体切削的离散元模型...................39
5.2 土体切削过程的动态模拟分析..............41
5.3 土体切削的正交模拟分析..................46
5.4 本章小结..............48
总结
本文使用离散元方法，建立软岩与土体的离散元模型，对其微观参数进行标定后，模拟刀具切削软岩及土体的过程，分析刀具几何参数及切削工作参数对刀具所受载荷的影响，通过实验对模拟进行验证，表明岩土切削模拟的可靠性，验证模拟结果的准确性。本文主要做了以下研究：
（1）首先对刀具切削岩土过程进行文献调研，介绍了盾构机的构成及其工作原理，总结了刀具与岩土作用的机理，对比了国内外有限元、离散元在刀具与岩土作用方面的研究。由于实验研究的局限性，提出采用离散元方法模拟研究岩土切削问题。
（2）对颗粒簇方法进行了介绍和综述，并提出本文所用的颗粒簇方法。结合岩石与土壤的特性，引入颗粒簇方法，选择平行键连接模型，通过模拟单轴压缩及巴西试验，对软岩微观参数进行标定，将模拟结果与实验结果进行对比，分析了误差原因，以此建立了软岩的离散元模型；同样引入颗粒簇方法，选择接触键连接模型，在不同围压下，通过模拟双轴压缩试验，获得土体的应力应变曲线，建立土体的摩尔库伦包络线，标定了土体的微观参数，建立了土体的离散元模型。
（3）针对刀具切削软岩机理，建立软岩切削的离散元模型。利用单因素法在保持其他因素不变的情况下，分别研究了切削速度、刀具贯入度、刀具前角、刀刃钝圆半径对软岩切削过程的影响，统计了裂纹数。采用正交模拟分析，研究了各因素影响刀具所受载荷的大小，据此提出合理的刀具几何参数及工作参数。
（4）利用回转式切削实验系统，对切刀切削软岩过程进行实验研究，统计了刀具所受切削力及垂直力，与离散元模拟结果进行对比，验证了离散元模拟过程的可靠性及结果的准确性，表明了模拟所得规律的有效性。
（5）建立刀具切削土体的离散元模型，定性分析了切削速度、刀具贯入度、刀具前角、刀刃钝圆半径对土体切削形态的影响以及刀具载荷的影响，通过正交模拟分析优化了土体切削的刀具几何参数及工作参数。
参考文献：
[1] 暨智勇. 盾构掘进机切刀切削软岩和土壤受力模型研究及实验验证[D]. 长沙:中南大学,2009.
[2] 黄利辉. 盾构掘进机刀具切削实验系统及切削力影响规律研究[D]. 长沙 :中南大学,2009.
[3] 罗力维. 盾构机模拟试验台结构设计及刀片磨损的研究[D]. 青岛:青岛科技大学,2010.
[4] 张魁. 盾构机盘形滚刀作用下岩石破碎特征及滚刀振动特性研究[D]. 长沙:中南大学,2010.
[5] 丁峻宏. 盾构切削及掘进的三维动态数值仿真研究[D]. 上海:上海交通大学,2006.
[6] 乐贵平. 土压平衡式盾构机简介[J]. 建筑机械,2000,(6):24-26.
[7] 李娟. 盾构刀具的三维动态仿真研究[D]. 天津:天津大学,2008.
[8] Evans.I. A theory of the cutting force for point-attack picks[J]. International Journal ofMining Engineering,1984,2:63-71.
[9] Nishimatsu.Y. The mechanics of rock cutting[J]. Int.J.Rock Mech.Mining Sci,1972,9:261-270.
[10] 何仑. 盾构施工工艺及刀盘刀具切削机理的研究[D]. 广州:华南理工大学,2003.