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隧道掘进机(TBM)是现代化的隧道掘进工具,具有掘进速度快,安全性高等优势,是长大隧道掘进的首选掘进方式。TBM滚刀是隧道掘进破岩的主要工具,而滚刀破岩势必造成滚刀磨损,滚刀磨损是造成隧道掘进成本高昂的重要原因,因此处理好TBM滚刀破岩与磨损的关系是TBM设计与掘进施工的重要问题,研究TBM滚刀的“岩石-机械”相互作用关系是现代隧道掘进机领域亟待解决的关键基础科学问题。以TBM滚刀“岩-机”相互作用为研究目标,以研制的“SP3-I滚刀复合磨蚀实验机”作为实验平台,进行滚刀磨损、CERCHAR磨蚀实验、岩石单轴抗压强度实验、岩石矿物元素组分测试等实验,研究滚刀破岩、滚刀磨损的影响因素及相关作用关系,主要开展了以下几个方面工作:(1)参与设计研制了“SP3-I滚刀复合磨蚀实验机”。以TBM滚刀“岩-机”相互作用为研究目标,基于相似模型定理,结合TBM掘进现场施工参数,研制设备采用1:10缩微滚刀模型,模拟原位单滚刀推力,设定为在法向应力作用下,滚刀进行直线滚动破岩实验。(2)通过滚刀磨蚀实验建立了针对所研制仪器的滚刀破岩-磨蚀标准实验方法,亦即针对滚刀磨蚀实验的参数设定。此方法建立过程是以“SP3-I滚刀复合磨蚀实验机”为实验平台,通过大量的变法向应力、变滚动速率、变直线滚动距离、变模型滚刀刀刃等实验,测试不同变量参数对滚刀破岩贯入度、滚刀磨损质量的影响,建立了针对砂岩、白色花岗岩、大理岩、玄武岩、黑色花岗岩五种不同岩样的滚刀破岩-磨蚀实验方法,总结出滚刀破岩-磨蚀标准实验方法。(3)进行研究TBM滚刀“岩-机”相互作用关系。选取砂岩、白色花岗岩、大理岩、玄武岩、黑色花岗岩等岩石,分别进行CERCHAR磨蚀实验、岩石单轴抗压强度实验、岩石矿物元素组分测试、滚刀磨蚀实验与测试,研究了滚刀破岩、滚刀磨蚀与岩石特性的关系及相互作用关系,揭示了不同岩石“岩-机”相互作用的关系。另外又从位移控制角度进行了不同刃宽、不同贯入度、不同直径刀具、不同刃型刀具的复合磨蚀实验。