摘 要：为了研究在岩石温度变化条件下盘形滚刀掘进参数对破岩特性的影响，以颗粒流理论为平台，从细观角度上建立了基于岩石温度变化的盘形滚刀热力学破岩数学模型，模拟了不同工况下岩石裂纹生成、扩展和岩渣形成的全过程，并对掘进参数对破岩特性的影响规律进行了研究，从细观角度解释了不同岩石温度下滚刀的破岩机制.利用直线式TBM滚刀破岩实验台，通过实验验证在岩石温度变化条件下掘进参数对滚刀破岩的影响规律是否与数值模拟有较好的一致性.研究结果表明：1）岩石温度升高，降低了岩石硬度、强度等力学性质，破岩时裂纹数增多且微裂纹迅速扩展，降低了滚刀破岩载荷，提高了破岩效率； 2）低贯入度时，岩石不容易被侵入破碎；随着岩石温度的升高，岩石越来越容易挤压破裂；随着贯入度增加，失效区域进一步扩大，破岩效率提高；3）滚刀之间的协同作用随刀间距的增加而减弱，最优刀间距随岩石温度的升高而增加，随贯入度的增大而增加；4）提高岩石温度能增强滚刀之间的协同作用，提高破岩效率.
关键词：TBM；盘形滚刀；岩石温度；刀间距；贯入度；颗粒流
中图分类号：TP391.9； U455.39 文献标识码：A
全断面岩石隧道掘进机（full face hard rock tunnel boring machine， 简称TBM）集大型化、自动化、高速化、流程化、精密化等特性于一体，广泛应用于铁路建设、南水北调、西气东输等隧道工程中.＼[1＼]盘形滚刀是TBM破碎岩石的主要刀具，其破岩效率直接影响隧道工程的开挖进度.在大埋深、长距离硬岩掘进环境中，TBM通常会受到复杂地质条件如高温、节理、岩溶、高地应力、掘进地层的自重应力、温度引起的热应力等因素的影响，使岩石表现出与浅部截然不同的物理力学特性，进而造成滚刀的损耗量大、破岩效率低、稳定性差等施工问题.＼[2＼]因此，在考虑这些掘进中的地质因素耦合作用下，提高滚刀的破岩效率，延长滚刀的使用寿命已经成为国内外专家学者研究的重要课题.针对不同温度条件下岩石的力学性能变化，国内外许多专家学者做了大量的研究工作：Vander Molen＼[3＼]就1980年以前的温度对岩石特性影响的主要研究成果做了系统的总结；Alm＼[4＼]等研究了花岗岩在不同温度条件下的力学性能及其微破裂性能；Chen等 ＼[5＼]研究了在单轴压缩和疲劳载荷条件下温度对花岗岩力学性能的影响；Smithies等＼[6＼]探讨了不同温度下花岗岩岩石和岩浆的力学性质，如泊松比、弹性模量、断裂韧性、抗压强度以及岩石微破裂，获得了岩石力学性能随温度和时间的破坏机理；张志镇等＼[7＼]通过高温冷却加载以及实时高温加载下的单轴压缩试验，得到了两种加载方式下弹性模量、单轴抗压强度、剪切滑移应变及纵波波速等随温度的变化规律；左建平等＼[8＼]研究了不同温度对岩石的破坏规律以及变形的影响，建立了岩石在静载荷下温压耦合的破坏准则.盘形滚刀掘进参数（贯入度和刀间距）的合理设计是提高TBM破岩效率的关键因素，设计掘进参数时需综合考虑地质条件的影响.由于在不同的温度条件下，岩石表现出不同的力学特性以及破裂方式，因而针对岩石温度变化设计滚刀掘进参数具有一定的现实意义.研究掘进过程中刀具与岩石之间相互作用的工作状况与动态行为，揭示破岩机理及破碎特征，可为延长刀具的使用寿命、改善切削效果、提高破岩效率提供理论基础.为此，本文尝试在岩石温度及掘进参数变化的条件下，从岩体细观尺度出发，基于颗粒流离散元方法对盘形滚刀的破岩特性进行分析，研究不同岩石温度下滚刀掘进参数对破岩特性的影响，并进行数值模拟及实验验证，为TBM盘形滚刀的破岩机理研究提供一定的理论依据，同时对提高滚刀的破岩效率、增强滚刀的地质适应性和使用寿命，实现高效率、低能耗、低损耗的隧道掘进具有一定的理论价值和工程意义.
1 盘形滚刀破岩数学模型
1.1 岩石颗粒流方法
颗粒流方法是一种离散单元法，其从细观角度的离散单元之间的相互作用，解释岩石的宏观变形等力学性质，对分析大位移、大变形以及非线性等相关的岩石问题具有显著的优势.颗粒离散元法可以解决研究对象在特定条件下的宏观变形与裂纹问题.其将离散单元分为颗粒以及块体两部分，根据单元之间的相互作用以及循环迭代求解整个颗粒集合体的行为.当两颗粒接触时，会产生位移重叠；根据力位移定律和本构关系可以得到颗粒受到的力，进而获得颗粒的加速度、速度以及新的位移量，如此反复循环＼[9＼].
的相邻颗粒单元j对它的作用力；q→ij为F→ij到颗粒单元i的力臂；Fie和kie分别为颗粒单元i的外力和外力矩；Ni为颗粒单元i的邻居单元数目；N为模型中颗粒单元的总数目.
1.2 颗粒流热力学耦合计算模型
在颗粒流方法中，采用与颗粒有关的热存储器 以及与接触键有关的热管的细观模型来模拟宏观的温度场，热量在激活管道中通过激活的热存储器进行传递.当岩石样本模型中两颗粒的接触有重叠或存在接触键时，热存储器之间的热管被激活；当岩石样本模型在加载过程中不存在接触键或接触键断裂时，将影响活动热管的数量，进而改变材料的宏观热学特性＼[10＼].岩石、混凝土等材料的破坏可以看作颗粒之间接触键的断裂过程.
1）颗粒流热力学基本方程.对于连续介质，假设物体的应变变化不会引起温度的改变，则热传导方程为：
-qixi+qv=ρCvTt. （2）
其中：qi为热流通量；qv为单位热功率密度；ρ为材料的密度；Cv为岩石材料的比热容；T为材料温度.依据傅里叶变换，连续介质的热流通量和温度梯度之间的关系为：
qi=-kijTxj.（3）
其中：kij为材料的热传导率张量.
对式（3）进行离散化，假设离散后的颗粒总体积为V，单位体积内的热流通量用qi的散度表示，则在颗粒体积V的热存储器上平均散度qi为：
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