基于新型FDEM模型的异质花岗岩盘形滚刀破岩机理与优化研究

为解决隧道掘进机(TBM)盘形滚刀在异质花岗岩中的破岩效率问题，研究人员采用有限元-离散元耦合方法(FDEM)建立了岩体非均质模型，系统研究了试样尺寸、刀具刃宽、围压及刀间距对破岩效果的影响。研究发现：基于Weibull分布的FDEM建模方法可靠；试样宽度应≥40cm、厚度≥20cm；最优刃宽为10～14mm；临界围压约为单轴抗压强度的1/3；双刀最优间距为10～13cm。该研究为TBM刀具参数优化提供了理论依据。

　　

采用革命性的有限元-离散元耦合方法(FDEM)，科研团队构建了能精确反映花岗岩非均质特性的数值模型。就像用"数字显微镜"观察岩石内部，通过单轴压缩、巴西劈裂和三轴压缩实验验证，这套基于韦伯分布(Weibull distribution)的建模方法展现出令人信服的可靠性。

当隧道掘进机(TBM)的盘形滚刀(disc cutter)遇上"性格多变"的异质花岗岩，研究发现：40cm×20cm是最佳试样尺寸门槛；随着滚刀刃宽增加，推力、岩屑最大尺寸和水平破坏范围像坐上了滑梯般线性增长，10-14mm的刃宽成为"黄金分割点"；围压则扮演着双面角色——先助攻后阻挠，其临界值约为单轴抗压强度的1/3；更有趣的是，当双刀间距控制在10-13cm时，岩屑既不会碎成"渣"也不会大如"砖"，达到完美平衡。这些发现为TBM刀具设计提供了精准的"施工图纸"。