MatDEM应用论文|基于MatDEM的TBM滚刀破岩机理研究

全断面隧道掘进机（TBM）以其高效、安全、环保等诸多优势被广泛地应用于隧道工程建设中，其中滚刀破岩机理是TBM设计阶段和施工阶段的核心问题。由于岩石与滚刀相互作用时会发生断裂破碎，离散元法（DEM）成为研究滚刀破岩机理的有效手段，但采用一般离散元软件构建的模型尺寸相对较小，且多简化为二维侵入问题，尺寸效应明显。

采用基于离散元法的MatDEM软件构建滚刀破岩大尺寸三维模型，模拟真实滚刀破岩过程。采用团簇单元模拟刚性滚刀，实现双滚刀在不同条件下的破岩动态过程。监测破岩过程中滚刀的受力特征，计算分析不同刀间距/贯入度比(S/P)下的滚刀受力模型和比能变化。模拟结果表明，滚刀破岩时的滚刀力是一种复杂无规律的冲击荷载，其值与滚刀切割参数、岩石性质等因素有关；贯入度和刀间距的增加导致滚刀需要更大的力来破碎岩石；对于一种岩石材料，存在最优刀间距/贯入度比值，使得破岩比能最小；MatDEM软件能较好模拟滚刀的破岩过程，与室内线性切割试验相结合，有利于深入、全面地探索滚刀破岩机理。