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Design and Optimization of Tunnel Boring Machines by Simulating the Cutting Rock Process using the Discrete Element Method

 

Diseño y optimización de máquinas tuneladoras mediante la simulación del proceso de corte de roca con el método de elementos discretos

 

Roberto C. Medel-Morales and Salvador Botello-Rionda

 

Computational Sciences Department, Centro de Investigación en Matemáticas, A.C., Jalisco S/N, Col. Valenciana, 36240, Guanajuato, Gto., Mexico. medel@cimat.mx, botelloj@cimat.mx

 

Article received on 19/02/2013;
accepted on 11/08/2013.

 

Abstract

Nowadays there is a large number of tunneling projects in progress, mainly in Europe, both for roads and transport supplies. Performance prediction of tunnel boring machines (TBM) and the determination of some design parameters have become crucial, as they are critical elements in planning a project of mechanical excavation. In this paper we use the Discrete Element Method (DEM) to build models which simulate the rock cutting process under a cutting disk and measure the interaction between forces and hard rock essential in the design of TBM. The DEM is an appropriate tool for modeling geomaterials; it is assumed that a solid material can be represented by a collection of rigid particles interacting with each other in the normal and tangential directions. The particles are linked by cohesive forces which can break and simulate fracture propagation.

Keywords: Tunnel boring machine, cutting disc, lineal cutting test, cohesion.

 

Resumen

En la actualidad existe una gran cantidad de proyectos de tunelización en proceso, principalmente en Europa, tanto para vías de comunicación como para trasporte de suministros. La predicción del desempeño de las máquinas tuneladoras (TBM) así como la determinación de algunos parámetros del diseño han llegado a ser cruciales, ya que son elementos críticos en la planificación previa de un proyecto de excavación mecánica. En este trabajo se utiliza el Método de Elementos Discretos (DEM) para construir modelos que simulan el proceso de corte de roca bajo un disco cortador. El DEM es una herramienta apropiada para modelar geomateriales, se asume que el material sólido puede ser representado por una colección de partículas rígidas (esferas en 3D, discos en 2D) interactuando entre ellas mismas en las direcciones normal y tangencial. Las partículas están unidas por fuerzas de cohesión que pueden romperse simulando la fractura y su propagación.

Palabras clave: Máquina tuneladora, disco cortador, prueba de corte lineal, cohesión.

 

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