巖石節(jié)理傾角和間距對(duì)隧道掘進(jìn)機(jī)破巖 特性影響的試驗(yàn)研究

鄒 飛 ，李海波周青春莫振澤朱小明牛 磊楊風(fēng)威

（1. 中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430071； 2. 貴州省質(zhì)安交通工程監(jiān)控檢測(cè)中心有限責(zé)任公司，貴陽(yáng) 550000）

1 引 言

巖石節(jié)理特征是影響TBM（隧道全斷面掘進(jìn)機(jī)）滾刀破巖性能的重要因素之一。針對(duì)這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的相關(guān)研究[1－6]，例如，美國(guó)科羅拉多礦業(yè)學(xué)院（Colorado School of Mines，CSM）通過(guò)巴西盤(pán)抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)，獲得巖石層理與加載方向不同夾角時(shí)的抗拉強(qiáng)度，以此來(lái)分析TBM 滾刀侵入方向與巖石層理面方向之間的關(guān)系對(duì)TBM 掘進(jìn)性能的影響。挪威科技大學(xué)（NTNU）則根據(jù)巖體中裂隙、節(jié)理之問(wèn)的間距將其分為5 類(lèi)，用裂隙因子SK（裂隙和節(jié)理類(lèi)別以及弱面與隧道軸線之間的夾角的函數(shù)）來(lái)評(píng)價(jià)裂隙和節(jié)理對(duì)TBM掘進(jìn)性能的影響，并建立數(shù)據(jù)庫(kù)和預(yù)測(cè)模型對(duì)實(shí)際工程的掘進(jìn)進(jìn)行有效的預(yù)測(cè)和指導(dǎo)。

龔秋明[7－8]通過(guò)離散元軟件UDEC 對(duì)TBM 滾刀破巖過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果表明，節(jié)理間距、方向?qū)r石破碎過(guò)程中的裂紋擴(kuò)展模式有著明顯的影響。龔秋明等[9]還研究了錦屏Ⅱ級(jí)引水隧道工程中，大理巖的層厚對(duì)TBM 破巖效果和施工進(jìn)度的影響，研究發(fā)現(xiàn)，薄層巖體在滾刀下容易形成完全貫穿巖層的裂紋而形成大塊巖體，掌子面容易失穩(wěn)，中層只有靠近層面才類(lèi)似薄層，而厚、巨厚層巖體受巖層的影響較小，屬于正常破巖。

Howarth[10]通過(guò)線性切割試驗(yàn)研究了巖體中存在一組節(jié)理時(shí)節(jié)理的間距對(duì)破巖效果的影響，試驗(yàn)結(jié)果表明，在貫入相同深度時(shí)，節(jié)理間距越小，貫入所需軸向推力越小。Wanner[11]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查研究認(rèn)為，含軟弱夾層的張性節(jié)理能明顯的提高鉆掘效率，其鉆掘速率將比一般平均掘進(jìn)速率高50%～100%。

本文通過(guò)壓頭的貫入破壞試驗(yàn)探討巖石節(jié)理的間距和方向?qū)侯^貫入荷載的影響，并研究不同節(jié)理傾角和間距條件下試件表面裂紋的演化模式，旨在為T(mén)BM 隧道掘進(jìn)參數(shù)確定提供參考。

2 壓頭貫入破壞試驗(yàn)

2.1 試件材料的選取及其準(zhǔn)備

為了使所選材料有致密的結(jié)構(gòu)和較小的孔隙率，試驗(yàn)試件采用α 型高強(qiáng)石膏澆注。高強(qiáng)石膏晶粒較粗，比表面積比較小，調(diào)成石膏漿體的可塑需水量很小，硬化后孔隙率小、強(qiáng)度高，使得試件有較高的彈性模量及抗壓強(qiáng)度，并具有顯著的脆性特征。具體參數(shù)如下表1 所示

表1 材料物理力學(xué)參數(shù) Table 1 Physico-mechanical parameters of materials

為使試件所產(chǎn)生的尺寸效應(yīng)不受到側(cè)向自由邊界的影響[12]，試件尺寸采用150 mm×150 mm× 20 mm（長(zhǎng)×寬×高）。為了保證試件力學(xué)性質(zhì)的一致性，所有試件均采用同一批次高強(qiáng)石膏。試件采用特制的鋁質(zhì)模具進(jìn)行澆注。模具內(nèi)部涂專(zhuān)用脫模劑，使試件脫模后的表面有很高的平整度。澆注之前在模具中插0.3 mm 的薄鋼片，澆注以后在試件初凝前抽出，利用石膏的熱膨脹性，使得裂隙閉合形成節(jié)理。

2.2 試驗(yàn)的加載以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

試驗(yàn)采用120°角的楔形壓頭，刃口的長(zhǎng)度為 40 mm，刃寬為3 mm。試驗(yàn)在經(jīng)過(guò)改裝的RMT-150C型巖石力學(xué)試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行。試件的兩側(cè)用側(cè)向千斤頂通過(guò)剛性承壓板施加一定圍壓來(lái)提供約束。模擬TBM 侵入力的法向荷載由試驗(yàn)機(jī)提供，試驗(yàn)中把壓頭的中心部分和試件的中心對(duì)齊，避免軸向荷載的偏心。試驗(yàn)過(guò)程中侵入深度通過(guò)位移傳感器測(cè)量，法向荷載通過(guò)安裝在軸向伺服千斤頂上的壓力傳感器測(cè)量。加載過(guò)程中，用CCD 相機(jī)采集試件表面裂紋擴(kuò)展圖像。試驗(yàn)裝置如圖1 所示：

圖1 試驗(yàn)裝置 Fig.1 Test equipment

2.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中采用4 種節(jié)理傾角和5 種不同的節(jié)理間距，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2 所示。圖中D 代表節(jié)理的間距，α 代表節(jié)理面與壓頭貫入平面（TBM 開(kāi)挖中的掌子面所處平面）的夾角，當(dāng)節(jié)理為水平即α =0°時(shí)，表示壓頭與試件接觸點(diǎn)到節(jié)理面的間距?？紤]到試件尺寸和邊界效應(yīng)，具體參數(shù)如表2 所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?Fig.2 Test models

表2 試件節(jié)理參數(shù) Table 2 Joint parameters of specimens

3 試驗(yàn)結(jié)果及其分析

3.1 不同節(jié)理傾角和間距情況下貫入荷載-侵深曲線特征

圖3～6 為不同節(jié)理傾角和間距條件下，壓頭貫入過(guò)程中的荷載－侵深曲線，荷載所反映的是試件對(duì)壓頭貫入過(guò)程中的抵抗力，侵深則是壓頭貫入試件中的深度。其基本特征為：在加載初期，荷載與侵深成比例增加，當(dāng)荷載持續(xù)增加達(dá)到躍進(jìn)點(diǎn)（荷載跌落之前達(dá)到的最大值，圖中虛線所示位置）后，主裂紋迅速擴(kuò)展，荷載明顯跌落，且跌落速率相當(dāng)快，該特征說(shuō)明主裂紋擴(kuò)展的突發(fā)性。

圖7 反映的是不同節(jié)理傾角情況下躍進(jìn)點(diǎn)荷載與節(jié)理間距的關(guān)系，可以看出，當(dāng)節(jié)理傾角一定時(shí)，節(jié)理間距越大，達(dá)到躍進(jìn)點(diǎn)的貫入荷載值越大。

躍進(jìn)點(diǎn)荷載與節(jié)理傾角的關(guān)系如圖8 所示，為了進(jìn)行有效對(duì)比，選擇不同節(jié)理角度下節(jié)理間距相同的3 種工況進(jìn)行分析，其基本規(guī)律為：在相同節(jié)理間距條件下，隨著節(jié)理傾角的增加其躍進(jìn)點(diǎn)荷載都呈先減小后增大的趨勢(shì)，當(dāng)α 為30°時(shí)，所需荷載值最小。

圖3 α =0°時(shí)荷載-侵深曲線 Fig.3 Load-penetration depth curves atα =0°

圖4 α =30°時(shí)荷載-侵深曲線 Fig.4 Load-penetration depth curves atα =30°

圖5 α =60°時(shí)荷載-侵深曲線 Fig.5 Load-penetration depth curves atα =60°

圖6 α =90°時(shí)荷載-侵深曲線 Fig.6 Load-penetration depth curves atα =90°

圖7 節(jié)理間距與躍進(jìn)點(diǎn)荷載關(guān)系 Fig.7 Relationships between joint space and peak load

圖8 節(jié)理傾角與躍進(jìn)點(diǎn)荷載關(guān)系 Fig.8 Relationships between joint angle and peak load

3.2 不同節(jié)理傾角和間距情況下侵入特征

荷載－侵深曲線所反映的是壓頭下粉碎區(qū)、塑 性區(qū)的發(fā)展導(dǎo)致試件局部區(qū)域剛度弱化以及彈性 區(qū)域的變形的綜合表現(xiàn)，曲線特征反應(yīng)了巖石抗侵入的能力。用文獻(xiàn)[13-14]中定義的抗侵入系數(shù)K（kN?mm-1），即侵入單位深度所需荷載對(duì)曲線特征進(jìn)行表述，具體定義為

式中：P 為躍進(jìn)點(diǎn)荷載（kN）；U 為躍進(jìn)點(diǎn)刀具貫入深度（mm）。

侵入功A（kN?mm）所反應(yīng)的是試件從加載到主裂紋擴(kuò)展形成荷載跌落整個(gè)過(guò)程所消耗的能量，即圖9 中 OAUΔ 面積，其表達(dá)式為：

由于荷載的跌落與主裂紋的擴(kuò)展有關(guān)，建立主裂紋擴(kuò)展與能量釋放之間的關(guān)系： 裂紋擴(kuò)展所需要的能量E（kN?mm）為圖9 中 OABΔ 的面積。

根據(jù)試驗(yàn)得到的荷載－侵深曲線，得到不同節(jié)理傾角和間距條件下的K、A、E 值的統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。

K、A、E 值的基本變化規(guī)律為：節(jié)理傾角一定時(shí)，節(jié)理間距越大，巖石的抗侵入系數(shù)越大，達(dá)到躍進(jìn)破碎時(shí)所需侵入功越多，裂紋擴(kuò)展所需能量越大。具體分析如下：

不同節(jié)理傾角下，節(jié)理間距對(duì)K 值的影響如圖10 所示：（1）α = 0°時(shí)，壓頭下應(yīng)力場(chǎng)呈對(duì)稱分布。在達(dá)到躍進(jìn)點(diǎn)之前，5 種不同節(jié)理間距試件的抗侵入系數(shù)基本一致，都在19 左右，可見(jiàn)水平節(jié)理對(duì)抗侵入系數(shù)的影響很小。（2）α = 30°時(shí)，壓頭到節(jié)理面的垂直距離從1 cm 增加到4 cm，抗侵入系數(shù)呈逐漸增大趨勢(shì)，最小值為8.14，最大值為17.06，節(jié)理傾角的變化對(duì)試件抵抗侵入的能力產(chǎn)生明顯的影響，節(jié)理間距越小抗侵入系數(shù)越小。（3）α = 60°時(shí)，壓頭到節(jié)理面的垂直距離從1 cm 增加到4 cm，抗侵入系數(shù)呈逐漸增大趨勢(shì)，D = 8 cm 時(shí)抗侵入系數(shù)與D = 6 cm 時(shí)的抗侵入系數(shù)基本一致，表明在該節(jié)理角度下節(jié)理間距超過(guò)一定的值，對(duì)K 值影響明顯降低。（4）α = 90°時(shí)，D = 2 cm 時(shí)，K 值為12.91。當(dāng)D 增加到4、6、8 cm 時(shí)，K 值分別為25.00、26.19、26.00，K 值的變化波動(dòng)不大，基本一致。

不同節(jié)理傾角下，節(jié)理間距對(duì)侵入功A 以及主裂紋擴(kuò)展所需能量E 的影響如圖11、12 所示。A、E 值的變化規(guī)律為：在達(dá)到躍進(jìn)點(diǎn)之前，節(jié)理間距越大，所需侵入功越多，裂紋擴(kuò)展所需能量越大。除D = 2 cm，α = 90°外，其余工況下侵入功與節(jié)理間距線性相關(guān)，主裂紋擴(kuò)展所需能量是關(guān)于節(jié)理間距的冪函數(shù)。

不同節(jié)理間距下，節(jié)理傾角對(duì)A、E、K 值的影響如圖13～15 所示。其基本規(guī)律為：在相同節(jié)理間距條件下，隨著節(jié)理傾角的增加，A、E、K 值都呈先減小后增大的趨勢(shì)，在α = 30°時(shí)，A、E、K 值最小。

α = 90°時(shí)，裂紋擴(kuò)展模式與其他角度不相同，對(duì)抗侵入系數(shù)、侵入功以及主裂紋擴(kuò)展所需能量的影響有著本質(zhì)的區(qū)別，在此進(jìn)行說(shuō)明：由于節(jié)理與貫入方向平行，側(cè)向裂紋的擴(kuò)展被節(jié)理限制，不能有效擴(kuò)展，增加了抵抗壓頭貫入的能力。中間主裂紋則是從壓頭端部起裂，向試件內(nèi)部擴(kuò)展，所受約束越來(lái)越大，其他角度則是從節(jié)理面處起裂，向壓頭端部發(fā)展，所受約束越來(lái)越小。尤其是D = 2 cm，由于節(jié)理間距偏小，側(cè)向裂紋的擴(kuò)展被節(jié)理所限制，導(dǎo)致壓頭下應(yīng)力集中，材料過(guò)度破碎，使得K 值偏小、A 值則偏大，由于該工況的特殊性，在圖10、11 中用圓圈標(biāo)識(shí)。

圖9 荷載-侵深曲線 Fig.9 Load-penetration depth curves

表3 K、A、E 值的統(tǒng)計(jì) Table 3 Statistics of the value of K, A and E

圖10 節(jié)理間距與K 值關(guān)系 Fig.10 Relationships between joint space and values of K

圖11 節(jié)理間距與A 值關(guān)系 Fig.11 Relationships between joint space and values of A

圖12 節(jié)理間距與E 值關(guān)系 Fig.12 Relationships between joint space and values of E

圖13 節(jié)理傾角與K 值關(guān)系 Fig.13 Relationships between joint angle and values of K

圖14 節(jié)理傾角與A 值關(guān)系 Fig.14 Relationships between joint angle and values of A

圖15 節(jié)理傾角與E 值關(guān)系 Fig.15 Relationships between joint angle and values of E

3.3 不同節(jié)理傾角和間距情況下試樣破壞特征

圖16 為不同節(jié)理傾角和間距條件下試樣破壞區(qū)域的裂紋素描圖，虛線表示節(jié)理，實(shí)線表示宏觀裂紋。試件編號(hào)約定：節(jié)理間距+節(jié)理傾角，為了體現(xiàn)裂紋細(xì)節(jié)各圖比例尺未進(jìn)行統(tǒng)一，以間距D 的長(zhǎng)度體現(xiàn)。如2-30 表示節(jié)理間距D 為2 cm，節(jié)理傾角為30°。當(dāng)節(jié)理傾角為0 時(shí)，D 表示節(jié)理到壓頭的距離。

從圖16 可以看出：節(jié)理的空間位置對(duì)裂紋的擴(kuò)展有著明顯的控制作用，節(jié)理面既是拉破壞裂紋的起裂位置，同時(shí)也對(duì)裂紋的擴(kuò)展起到了阻隔作用。節(jié)理面平行或垂直貫入方向時(shí)，裂紋空間分布近似對(duì)稱，當(dāng)呈一定角度時(shí)，裂紋則發(fā)生大的偏轉(zhuǎn)。具體分析如下：

（1）α = 0°時(shí)：在刀具荷載作用下，試件所受力呈對(duì)稱分布，由于節(jié)理的水平分割，節(jié)理面上與侵入方向相交點(diǎn)的拉應(yīng)力迅速集中，當(dāng)節(jié)理間距偏小時(shí)，首先達(dá)到抗拉極限，裂紋起裂，并迅速向壓頭端部擴(kuò)展。

D = 2 cm 時(shí)，環(huán)形裂紋所包圍的破壞剝離區(qū)僅限于壓頭與節(jié)理之間部分，中間拉裂紋首先從節(jié)理面上表面起裂向壓頭端部擴(kuò)展，隨后在節(jié)理面下表面起裂向試件內(nèi)部發(fā)展。

D = 3、4、5 cm 時(shí)，發(fā)育明顯的側(cè)向裂紋以及環(huán)形裂紋，兩2 條中間裂紋近似平行發(fā)展。其順序?yàn)椋褐虚g裂紋首先從節(jié)理面向壓頭擴(kuò)展，在密實(shí)核邊緣終止，隨后刀頭兩側(cè)出現(xiàn)明顯的側(cè)向裂紋。

D = 6 cm 時(shí)，中間裂紋從壓頭向節(jié)理擴(kuò)展，隨后出現(xiàn)環(huán)形裂紋，最后出現(xiàn)側(cè)向裂紋，最終裂紋擴(kuò)展貫通導(dǎo)致破碎塊體剝離。

（2）α = 30°時(shí)：節(jié)理的存在破壞了應(yīng)力場(chǎng)的對(duì)稱性，差異變形引起的拉應(yīng)力在節(jié)理面處垂直于微裂隙表面，并使裂紋尖端產(chǎn)生大的拉應(yīng)力場(chǎng)，隨著荷載的增加，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展。

D = 2 cm 時(shí)，共出現(xiàn)3 條主裂紋，其中一條的起裂點(diǎn)位于節(jié)理面上，且該點(diǎn)為節(jié)理到壓頭距離最近點(diǎn)，裂紋近似垂直于節(jié)理。側(cè)向裂紋擴(kuò)展到一定程度后發(fā)生明顯的偏轉(zhuǎn)，平行節(jié)理方向繼續(xù)擴(kuò)展。D = 4 cm 時(shí)與D = 2 cm 時(shí)基本相似，只是側(cè)向裂紋未發(fā)生偏轉(zhuǎn)，擴(kuò)展到節(jié)理處終止。

D = 5 cm 時(shí)，除環(huán)形裂紋以及垂直節(jié)理面并擴(kuò)展到壓頭的一條裂紋外，在壓頭下部處發(fā)育3 條明顯側(cè)向裂紋，2 條擴(kuò)展到節(jié)理面處終止，另外1 條平行節(jié)理方向擴(kuò)展，其末端發(fā)育垂直節(jié)理面的次級(jí)裂紋。

圖16 試件破壞后裂紋擴(kuò)展素描圖 Fig.16 Crack sketches of the damage specimens

D = 6、8 cm 時(shí)，基本一致，壓頭下部由剪切破壞形成的環(huán)形裂紋，并伴隨有少量次生裂紋以及1 條從節(jié)理面到密實(shí)核邊緣的拉裂紋。

（3）α = 60°時(shí)：D = 2 cm 時(shí)，由于節(jié)理間距偏小，限制了裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致壓頭下小區(qū)域內(nèi)裂紋數(shù)量明顯偏多，發(fā)育多條側(cè)向裂紋，同時(shí)發(fā)育1 條中間裂紋平行節(jié)理方向擴(kuò)展。

D = 4、6、8 cm 時(shí)，裂紋發(fā)育形態(tài)基本一致，除部分次級(jí)裂紋以外，主裂紋發(fā)育規(guī)律如下：1 條由節(jié)理面處擴(kuò)展到壓頭的裂紋，1 條從壓頭下部的密實(shí)核區(qū)域邊緣擴(kuò)展的中間裂紋，該裂紋的最大特點(diǎn)是擴(kuò)展方向逐漸平行節(jié)理方向。

（4）α = 90°時(shí)：試件所受力呈對(duì)稱分布，節(jié)理對(duì)側(cè)向裂紋的擴(kuò)展有明顯的控制作用，對(duì)中間裂紋的影響則較小。D = 2、4、6 cm 時(shí)，側(cè)向裂紋終止于節(jié)理面處，中間裂紋張性明顯。D = 8 cm 時(shí)，除環(huán)形裂紋和側(cè)向裂紋發(fā)育外，中間裂紋開(kāi)始擴(kuò)展就出現(xiàn)大的偏轉(zhuǎn)，可能是試件受力不對(duì)稱，導(dǎo)致差異變形造成的。

4 結(jié) 論

（1）當(dāng)節(jié)理傾角一定時(shí)，隨著節(jié)理間距增大，達(dá)到躍進(jìn)點(diǎn)的貫入荷載值增加，侵入功以及主裂紋擴(kuò)展能量也都呈增大趨勢(shì)。α =0°、90°時(shí)，抗侵入系數(shù)基本一致（除α =90°，D = 2 cm 時(shí)，抗侵入系數(shù)明顯偏低），α = 30°、60°時(shí)，抗侵入系數(shù)呈增大趨勢(shì)。

（2）當(dāng)節(jié)理間距一定時(shí)，隨著α 角度的增加，躍進(jìn)點(diǎn)荷載、抗侵入系數(shù)、侵入功以及主裂紋擴(kuò)展能量都呈先減小后增大趨勢(shì)。在α = 30°時(shí)，各值都為其最小值，即節(jié)理面與侵入方向的夾角為60°時(shí)，最有利于刀具破巖，該工況下TBM 的掘進(jìn)速率能有效提高

（3）節(jié)理面的空間位置控制著壓頭下試件的變形及破壞過(guò)程，節(jié)理面有利于拉裂紋的起裂，但同時(shí)又對(duì)裂紋的擴(kuò)展起到了阻隔作用，當(dāng)節(jié)理面平行或垂直貫入方向時(shí)，裂紋擴(kuò)展分布近似對(duì)稱，當(dāng)呈一定角度時(shí)，裂紋則發(fā)生大的偏轉(zhuǎn)。

實(shí)際工程表明，節(jié)理對(duì)TBM 掘進(jìn)速率有著重要影響。本文通過(guò)試驗(yàn)研究節(jié)理面參數(shù)對(duì)抗侵入系數(shù)、侵入功以及主裂紋擴(kuò)展能量的影響，對(duì)指導(dǎo)TBM 在節(jié)理巖體隧道施工中采取合理掘進(jìn)參數(shù)有著一定的參考意義。

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