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根据工程实践经验,当隧道的长度与直径之比大于600时,采用全断面隧道掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)进行隧道施工是经济的。滚刀是TBM实现破岩掘进的关键部件,为了指导TBM滚刀的研制和不同地质条件下滚刀的选型,滚刀破岩机理的研究成为一项重要任务。无网格法作为数值分析的一大类方法,在研究岩石动力加载问题和裂纹扩展问题方面具有优势。本文基于作者所在的研究团队对一种新的无网格算法——广义粒子动力学法(General Particle Dynamics,GPD法)的已有研究,将GPD法扩展到研究TBM滚刀破岩机理。本文主要研究了节理、地应力以及软硬复合地层对TBM滚刀破岩的影响;进行了围压下复合岩体的滚刀线性切割试验,研究了不同贯入度下复合岩体的滚刀破岩过程。论文研究成果主要包括以下几个方面:(1)在GPD算法中引入粒子损伤理论,对TBM滚刀破岩过程进行模拟研究;分析了在TBM滚刀作用下岩体损伤的积累、裂纹的扩展直至破碎的演化规律;验证了GPD方法模拟TBM滚刀破岩过程的有效性;研究了连续节理、断续节理、单根节理、节理组对TBM滚刀破岩模式及效率的影响。(2)将GPD算法扩展到三维空间,并引入改进的三维Hoek-Brown准则,研究了地应力对TBM滚刀破岩过程的影响;研究了三维空间中双向等围压和双向不等围压两种地应力条件对滚刀破岩过程及效率的影响;揭示了深部高地应力地层的TBM滚刀破岩机理,建立了深部高地应力地层的TBM滚刀破岩模式。(3)研究了软硬复合地层中TBM刀具破岩过程及其影响因素,分析了不同岩层倾角对复合地层双滚刀破岩的影响;总结了复合地层中滚刀推力、切刀切削力的变化规律;研究了滚刀和切刀在复合地层掘进面的运动规律。(4)以北山花岗岩和重庆砂岩组成的复合岩体为例,进行了围压条件下5种不同贯入度时复合岩体的滚刀线性切割试验;分析了复合岩体中不同贯入度下的滚刀力特征、岩体特征掘进指数、岩片厚度及比能等参数。(5)将GPD算法应用于锦屏二级水电站引水隧洞TBM开挖中,研究了不同厚度的岩体和高地应力岩体对TBM滚刀破岩的影响;模拟出了高围压下岩体的板裂化现象,为TBM掘进过程中预测掘进效率提供了依据。