節(jié)理巖體下TBM單刃和雙刃滾刀破巖特性研究

張旭輝，夏毅敏，譚青，林賚貺，勞同炳，劉杰

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節(jié)理巖體下TBM單刃和雙刃滾刀破巖特性研究

張旭輝1，2，夏毅敏1，2，譚青1，2，林賚貺1，2，勞同炳1，2，劉杰3

(1.中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙410083; 2.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長沙410083；3.中南大學(xué) 資源與安全工程學(xué)院，湖南 長沙 410083)

為了研究在考慮節(jié)理地質(zhì)條件下的兩種TBM滾刀破巖規(guī)律，采用顆粒離散元法建立不同節(jié)理特征下兩種滾刀的侵入破巖模型，分析節(jié)理巖體下兩種滾刀侵入破巖的動(dòng)態(tài)過程、裂紋擴(kuò)展等規(guī)律。研究表明：兩種滾刀在侵入節(jié)理巖體時(shí)，裂紋形成和擴(kuò)展分為兩個(gè)典型階段，兩種滾刀在受力以及裂紋數(shù)目上存在差異；隨節(jié)理特征的改變，節(jié)理對兩種滾刀作用下的裂紋擴(kuò)展呈引導(dǎo)和阻隔效應(yīng)，節(jié)理間距超過80 mm后，雙刃滾刀作用下的裂紋擴(kuò)展依然受到節(jié)理的控制；依據(jù)兩種滾刀破巖產(chǎn)生的巖碴方式分為常規(guī)破巖和節(jié)理面協(xié)同破巖兩種形式；單刃滾刀作用下巖體內(nèi)部的應(yīng)力分布隨節(jié)理傾角變化而偏轉(zhuǎn)，雙刃滾刀作用下的應(yīng)力分布隨節(jié)理傾角變化影響不大；兩種滾刀破巖效率隨節(jié)理特征改變而改變，當(dāng)?shù)堕g距合適時(shí)，雙刃滾刀相比單刃滾刀破巖效率要高；雙刃滾刀侵入節(jié)理巖體存在一個(gè)最優(yōu)刀間距使得破巖效率最高，最優(yōu)刀間距隨節(jié)理傾角增加先增大后減小。

隧道掘進(jìn)機(jī)；滾刀；破巖；節(jié)理；裂紋；比能耗

隨著我國地下隧道空間的高速發(fā)展，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)以其掘進(jìn)高效率、高可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于地下隧道開挖。TBM滾刀作為隧道開挖的主要工具，其工作特性直接關(guān)乎整個(gè)TBM的工作效果，為此國內(nèi)外對于TBM滾刀破巖做了大量研究。Rostamin等[1-2]采用線性試驗(yàn)臺對TBM滾刀破巖開展了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并以此得到了CSM模型，該模型被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際。Bruland[3]根據(jù)現(xiàn)場掘進(jìn)參數(shù)提出了NTNU模型，在歐洲等國被廣泛應(yīng)用。在數(shù)值模擬方面，Gong等[4]利用UDEC建立了雙滾刀侵入破巖模型，對裂紋擴(kuò)展進(jìn)行了詳細(xì)的探討并基于切入率指標(biāo)得到了最優(yōu)刀間距。譚青等[5]采用PFC從細(xì)觀角度對雙滾刀侵入破巖過程進(jìn)行分析，得到了不同切深下的最優(yōu)刀間距，并利用回轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺進(jìn)行驗(yàn)證。霍軍周等[6-7]采用有限元對不同模式下的滾刀破巖進(jìn)行研究，確定了最優(yōu)刀間距和最優(yōu)順次切削角度。

上述成果對于研究TBM滾刀破巖具有很好的參考價(jià)值，但上述研究成果很少考慮真實(shí)地層存在的實(shí)際因素，如高圍壓、高地?zé)帷?qiáng)滲流水壓以及巖層內(nèi)部節(jié)理等。工程數(shù)據(jù)、室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果[8-9]無不表明TBM滾刀破巖效果與圍壓、滲流以及節(jié)理等具有密切的關(guān)聯(lián)。其中節(jié)理巖體是TBM開挖普遍接觸的地層[10]，當(dāng)TBM遭遇節(jié)理巖層時(shí)，其滾刀破巖特性顯然不同于常規(guī)均一地層下的破巖特性，節(jié)理的存在使得裂紋的擴(kuò)展、巖石破碎模式、破碎載荷等均會發(fā)生改變[11-14]，研究節(jié)理?xiàng)l件下的滾刀破巖更加貼合工程實(shí)際。

本文采用顆粒離散元技術(shù)建立不同節(jié)理巖體下兩種滾刀的侵入破巖模型，嘗試從細(xì)觀角度研究節(jié)理巖體下兩種滾刀的破巖機(jī)制。

1 節(jié)理巖體下單、雙刃滾刀破巖模型

1.1 模型建立

通過對真實(shí)掘進(jìn)過程中TBM滾刀破巖進(jìn)行簡化，建立如圖1所示的TBM單、雙刃滾刀侵入節(jié)理巖體的破巖模型。

圖1 TBM滾刀破巖模型Fig.1 Numerical model of breaking rock by TBM cutters

其中節(jié)理巖體尺寸為300 mm×160 mm，節(jié)理傾角α為y軸與節(jié)理面之間的夾角，兩節(jié)理面之間的法相距離定義為節(jié)理間距s，節(jié)理巖體左右兩側(cè)以及下側(cè)被限定住自由度，不能發(fā)生位移。TBM滾刀的刀刃寬設(shè)定為10 mm，刀刃角設(shè)定為20°，對于雙刃滾刀需要額外定義一個(gè)刀間距，定義為l，無論是單刃還是雙刃滾刀，在模擬過程中都假定為剛性體即不考慮TBM滾刀的變形特點(diǎn)，由剛性墻代替?？紤]TBM掘進(jìn)過程中可能存在的節(jié)理傾向以及間距情況，設(shè)定節(jié)理間距為40、60、80 mm三種情況，節(jié)理傾角設(shè)定為0°、15°、30°、45°、60°、75°、90°七種情況。

1.2 巖體及節(jié)理的宏細(xì)觀參數(shù)確定

顆粒離散元在模擬真實(shí)對應(yīng)的巖體時(shí)，首先要對顆粒離散元中的細(xì)觀參數(shù)與真實(shí)的巖體宏觀參數(shù)進(jìn)行匹配，Moon等[15]通過研究發(fā)現(xiàn)，通過單軸壓縮和巴西劈裂就能很好的在離散元軟件中進(jìn)行數(shù)值匹配，本課題組基于此法對不同巖體進(jìn)行了大量的匹配工作，確定了水泥砂漿、花崗巖等在顆粒離散元中的細(xì)觀參數(shù)[16-17]。本文中模擬的巖體對象選用常見的花崗巖，其對應(yīng)的宏細(xì)觀參數(shù)見表1和表2。

表1 巖石試樣的宏觀力學(xué)參數(shù)

表2 巖石試樣細(xì)觀力學(xué)參數(shù)

顆粒離散元中巖體內(nèi)部節(jié)理通過輸入相應(yīng)的位置參數(shù)確定節(jié)理傾角和節(jié)理間距，最后將該處的顆粒重新賦予新的細(xì)觀參數(shù)得到相應(yīng)的節(jié)理。節(jié)理的細(xì)觀參數(shù)需要通過剪切實(shí)驗(yàn)進(jìn)行標(biāo)定得到，標(biāo)定過程見文獻(xiàn)[16]，節(jié)理的細(xì)觀參數(shù)為：粘結(jié)強(qiáng)度50 kPa，摩擦系數(shù)0.15，宏觀參數(shù)為：內(nèi)聚力8.45 MPa，內(nèi)摩擦角50°。利用顆粒離散元建立上述單、雙刃滾刀侵入節(jié)理巖體模型，巖體的產(chǎn)生通過賦予表2中的細(xì)觀參數(shù)得到，同時(shí)在對應(yīng)的巖體中產(chǎn)生相應(yīng)的節(jié)理，開展不同節(jié)理特征下的單、雙刃滾刀侵入破巖研究。

2 破巖數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 單、雙刃滾刀侵入節(jié)理巖體的動(dòng)態(tài)過程分析

圖2為兩種滾刀侵入節(jié)理間距為40 mm，節(jié)理傾角為45°下的破巖過程圖。單刃滾刀侵入時(shí)，裂紋首先在刀刃下方萌生，并且初步形成主裂紋，該階段是微裂紋起裂階段，如圖2(a)左圖所示。隨著侵深逐漸增加，主裂紋擴(kuò)展到節(jié)理面后開始沿著節(jié)理面擴(kuò)展延伸，此時(shí)節(jié)理面對于裂紋的擴(kuò)展具有引導(dǎo)作用，如圖2(b)、(c)左圖所示。當(dāng)?shù)度欣^續(xù)下壓時(shí)，側(cè)向裂紋迅速擴(kuò)展并穿過節(jié)理面達(dá)到自由面形成破碎塊，如圖2(d)左圖所示。雙刃滾刀侵入節(jié)理巖體時(shí)，其侵入前期與單刃侵入前期下的裂紋生成和擴(kuò)展情況類似，即先在刀刃下方形成微裂紋，隨后主裂紋擴(kuò)展至節(jié)理面并沿節(jié)理面擴(kuò)展。但在侵入后期，隨著雙刀刃繼續(xù)侵入，雙刀刃之間的側(cè)向裂紋迅速擴(kuò)展并最終交匯，使得雙刃之間的巖體被剝落形成破碎塊。即雙刃侵入過程中的裂紋擴(kuò)展不同于單刃，雙刃滾刀侵入破巖存在協(xié)同作用，有利于雙刃之間的側(cè)向裂紋交匯以及破碎塊的形成。

圖2 兩種滾刀侵入過程圖Fig.2 The diagram of intrusion process by two kinds of cutters

對單、雙刃滾刀侵入破巖過程中的所受垂直力和裂紋數(shù)目情況進(jìn)行實(shí)時(shí)采集得到圖3，觀察可知，裂紋數(shù)目隨侵深增加持續(xù)增加，無論是單刃還是雙刃滾刀，當(dāng)侵深在1 mm附近以前時(shí)裂紋生成最為迅速，隨著侵深增加，裂紋數(shù)目的增加呈現(xiàn)兩個(gè)階段：急劇增加階段和穩(wěn)定增加階段，這兩個(gè)階段與前面分析裂紋的形成分為起裂和擴(kuò)展兩個(gè)階段具有一定的對應(yīng)性。如圖3中，在0～1 mm時(shí)裂紋急劇增加階段，在1～3.7 mm時(shí)穩(wěn)定增加階段，在3.7～4.2 mm后又短暫急劇增加，后續(xù)循環(huán)往復(fù)。值得注意的是裂紋的穩(wěn)定增加的持續(xù)時(shí)間大于裂紋的急劇增加的持續(xù)時(shí)間，另外裂紋急劇增加所對應(yīng)的力普遍處于峰值附近，即裂紋的急劇增加需要更大的力。雙刃滾刀相對于單刃滾刀，其對應(yīng)的裂紋數(shù)目始終要多，這主要是因?yàn)殡p刃滾刀與巖體接觸面積大，破壞區(qū)域相對也大導(dǎo)致裂紋數(shù)目相對較多。

圖3 兩種滾刀侵入過程受力和裂紋情況Fig.3 The condition of force and crack by two kinds of cutters

對比兩種滾刀的受力情況可知，雙刃滾刀受力明顯大于單刃滾刀受力，且當(dāng)侵入行程在1 mm以前，單、雙刃滾刀之間的受力差異較大，在后續(xù)侵入過程中，兩者的受力差異縮小。這主要是因?yàn)樵? mm以前為裂紋萌生階段，在該階段刀刃與巖體接觸面積越大則需要更大的力，而當(dāng)侵入行程大于1 mm以后，主要以裂紋的擴(kuò)展為主，另外由于前期刀刃下方的巖體已經(jīng)壓碎，后續(xù)持續(xù)侵入存在短暫懸空以及二次破碎現(xiàn)象，因此在侵入行程大于1 mm后，雙刀刃受力雖然大于單刀刃受力，但其差異會減小。

2.2 節(jié)理特征對單、雙刃滾刀裂紋擴(kuò)展效應(yīng)分析

統(tǒng)計(jì)不同節(jié)理特征下的破巖狀態(tài)圖得到圖4，圖4中對應(yīng)的滾刀侵深為10 mm，雙刃滾刀的刀刃間距為80 mm(限于篇幅原因，只列出四種節(jié)理傾角和兩種節(jié)理間距的破巖效果圖)。觀察可知，節(jié)理對單、雙刃滾刀的侵入破巖過程中裂紋的擴(kuò)展主要存在兩方面的影響：引導(dǎo)效應(yīng)、阻隔效應(yīng)。值得注意的是當(dāng)節(jié)理間距大到一定程度后，如本文中節(jié)理間距為80 mm時(shí)，節(jié)理對單刃滾刀侵入過程中裂紋擴(kuò)展影響不大，即引導(dǎo)和阻隔效應(yīng)不明顯，如圖4(i)、(j)、(k)、(l)。

當(dāng)節(jié)理傾角較小時(shí)(0～30°)，無論是單刃還是雙刃滾刀作用，當(dāng)主裂紋到達(dá)節(jié)理面后，裂紋幾乎是沿著節(jié)理方向向巖體內(nèi)部擴(kuò)展，此時(shí)的節(jié)理具有引導(dǎo)效應(yīng)，如圖4(a) 、(b) 、(e) 、(f)所示，但雙刃相對于單刃滾刀而言，雙刃更有利于裂紋沿節(jié)理巖體內(nèi)部擴(kuò)展，影響范圍更大且當(dāng)?shù)度虚g距合適時(shí)能促進(jìn)刀刃之間的側(cè)向裂紋擴(kuò)展，進(jìn)而剝落雙刃之間的巖體，但兩刀刃以外的側(cè)向裂紋一般不能穿越鄰近節(jié)理，如圖4(f)、(n)(刀刃與節(jié)理面距離過小時(shí)除外，如圖4(e)。另外，對比圖4(i)、(j)和4(m)、 (n)可知，即使在節(jié)理間距較大的情況下，雙刃滾刀作用下的裂紋擴(kuò)展依然會受到節(jié)理的影響，即節(jié)理傾角較小時(shí)對裂紋擴(kuò)展所表現(xiàn)的引導(dǎo)效應(yīng)。

當(dāng)節(jié)理傾角較大(60°～90°)時(shí)且節(jié)理間距較小時(shí)如本文中的40 mm，由于節(jié)理的作用，無論是單刃還是雙刃作用，下方的裂紋均被節(jié)理阻斷，不能向巖體內(nèi)部繼續(xù)擴(kuò)展，表現(xiàn)出阻隔效應(yīng)，這主要是因?yàn)楣?jié)理面強(qiáng)度遠(yuǎn)比巖體其他部位的強(qiáng)度低，當(dāng)節(jié)理面阻斷裂紋擴(kuò)展后，節(jié)理不會沿強(qiáng)度高的巖體內(nèi)部擴(kuò)展，如圖4(c)、(d)、(h)等。值得注意的是當(dāng)節(jié)理間距大到一定程度后如80 mm，節(jié)理傾角在90°附近時(shí)，節(jié)理間距對單、雙刃滾刀作用下的裂紋阻隔效應(yīng)不明顯，如圖4(l)、(p)。這說明節(jié)理對滾刀侵入破巖是否有阻隔效應(yīng)，不僅要求節(jié)理傾角較大還要求節(jié)理間距夠小。

當(dāng)節(jié)理傾角適中(30°～60°)時(shí)，節(jié)理對裂紋擴(kuò)展是起阻隔還是引導(dǎo)效應(yīng)關(guān)鍵在于刀刃與節(jié)理面的相對位置，當(dāng)?shù)度信c節(jié)理面相鄰時(shí)表現(xiàn)為引導(dǎo)效應(yīng)，當(dāng)?shù)度信c節(jié)理面相距較遠(yuǎn)時(shí)表現(xiàn)為阻隔效應(yīng)。

圖4 裂紋擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)圖Fig.4 State diagram of crack propagation

采用中南大學(xué)拉壓試驗(yàn)機(jī)，利用刀頭對巖板進(jìn)行加壓試驗(yàn)，觀察節(jié)理對單刃滾刀作用下裂紋擴(kuò)展規(guī)律。圖5為不同節(jié)理傾角下對應(yīng)的破巖狀態(tài)圖，左圖為侵入后的實(shí)物圖，右圖通過對實(shí)物圖中的裂紋擴(kuò)展情況進(jìn)行素描得到，其中節(jié)理由水泥砂漿對所切割的空隙進(jìn)行填充得到。

由圖5可知，節(jié)理傾角在0°和30°時(shí)，節(jié)理對滾刀下的裂紋擴(kuò)展具有很好的引導(dǎo)作用，誘導(dǎo)裂紋擴(kuò)展到巖體內(nèi)部深處，如5(a)、(b)所示。節(jié)理傾角在60°和90°時(shí)，滾刀下的主裂紋沿垂直方向擴(kuò)展，直到節(jié)理面后沿垂直方向擴(kuò)展受到阻礙，具有明顯的阻隔效應(yīng)，試驗(yàn)觀測到的單刃滾刀作用下節(jié)理的引導(dǎo)和阻隔效應(yīng)與數(shù)值模擬結(jié)果具有很好的一致性。

2.3 節(jié)理特征對單、雙刃滾刀作用下巖碴形成分析

結(jié)合上述分析可知，當(dāng)節(jié)理間距大到一定程度且節(jié)理傾角合適，節(jié)理面對兩種滾刀破巖影響不大，滾刀作用下產(chǎn)生巖碴方式如圖6(a)、(b)所示，此時(shí)對應(yīng)的巖碴呈細(xì)粒狀或扁平狀，整體尺寸較小，這種巖碴產(chǎn)生的破巖方式為常規(guī)破巖，另外雙刃相對于單刃滾刀而言，由于雙刃的協(xié)同作用能產(chǎn)生更為扁長的巖碴。當(dāng)滾刀不斷侵入時(shí)，滾刀與節(jié)理面不斷接近，此時(shí)節(jié)理面能協(xié)同滾刀破巖，產(chǎn)生巖碴的方式如圖6(c)、(d)所示，此時(shí)的巖碴由刀刃下的主裂紋和節(jié)理面的破壞共同產(chǎn)生，對應(yīng)的主巖碴呈塊狀，整體尺寸較大，這種巖碴產(chǎn)生的破巖方式為節(jié)理協(xié)同破巖，顯然由于節(jié)理的協(xié)同作用，巖碴的塊度大大增加，破巖效率相對要高。另外當(dāng)節(jié)理間距較小時(shí)(如上述40 mm)，無論是單刃還是雙刃滾刀破巖始終呈現(xiàn)出節(jié)理協(xié)同破巖方式。

工程中當(dāng)節(jié)理面間距較大時(shí)，由于TBM是連續(xù)掘進(jìn)，因此兩種破巖方式會交替出現(xiàn)，巖碴也呈現(xiàn)細(xì)小和大塊交替出現(xiàn)的情況。如圖7所示為某一掘進(jìn)工程中不同階段下破巖的真實(shí)排碴情況，該掘進(jìn)地段富含節(jié)理，圖7(b)為節(jié)理協(xié)同破巖時(shí)產(chǎn)生的巖碴。另外當(dāng)TBM滾刀常規(guī)破巖時(shí)，掌子面往往相對平整且能觀察到明顯的滾刀滾過的凹槽(同心圓)，如圖8(a)所示，而當(dāng)處于節(jié)理面協(xié)同破巖時(shí)，掌子面一般凹凸不平，無法觀測到刀刃滾過的凹槽，無同心圓現(xiàn)象，如圖8(b)所示。

圖5 單刃在不同節(jié)理傾角下破巖狀態(tài)圖Fig.5 Formation of rock chips under jointed rock

圖6 節(jié)理?xiàng)l件下的巖碴產(chǎn)生方式Fig.6 Formation of rock chips under jointed rock

圖7 常規(guī)與節(jié)理協(xié)同方式對應(yīng)的排碴Fig.7 Rock chips under two kinds of modes of breaking rock

圖8 兩種破巖方式對應(yīng)的掌子面Fig.8 Tunnel face under two kinds of modes of breaking rock

2.4 節(jié)理特征對單、雙刃滾刀作用下應(yīng)力分布規(guī)律

在滾刀作用下，巖體內(nèi)部的應(yīng)力分布規(guī)律關(guān)乎巖體的破壞形式以及裂紋的擴(kuò)展規(guī)律，圖9和圖10分別為節(jié)理間距為40 mm下不同節(jié)理傾角所對應(yīng)的單刃和雙刃滾刀作用下的應(yīng)力云圖。

由圖9可知，當(dāng)單刃作用節(jié)理巖體，刀刃下方為負(fù)應(yīng)力區(qū)，即刀刃下方的接觸巖體主要以壓失效為主，刀刃兩側(cè)為正應(yīng)力區(qū)即以拉應(yīng)力失效為主。當(dāng)節(jié)理存在一定的傾向時(shí)，應(yīng)力橢圓分布不再對稱而呈偏轉(zhuǎn)趨勢。如圖9(b)，此時(shí)節(jié)理傾角為30°，巖體內(nèi)部的應(yīng)力橢圓偏轉(zhuǎn)方向幾乎和節(jié)理方向一致，當(dāng)節(jié)理傾角增加到60°時(shí)，應(yīng)力橢圓向左偏轉(zhuǎn)，與節(jié)理的方向幾乎垂直，如圖9(c)所示。當(dāng)節(jié)理傾角不存在傾向時(shí)，即節(jié)理傾角為0°和90°時(shí)，對應(yīng)的應(yīng)力橢圓基本上對稱，如圖9(a)、(d)所示。由此可知，當(dāng)巖體內(nèi)部存在傾向節(jié)理時(shí)，單刃作用下巖體內(nèi)部應(yīng)力橢圓會發(fā)生一定偏轉(zhuǎn)，不再呈對稱分布。

觀察圖10，雙刃滾刀侵入節(jié)理巖體后，雙刃下方均會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力橢圓，但由于節(jié)理的存在，左右的應(yīng)力圓分布存在一定的區(qū)別，另外雙刃之間的應(yīng)力分布為正應(yīng)力區(qū)，這說明雙刃之間的碎塊由拉應(yīng)力產(chǎn)生?？傮w來說，當(dāng)節(jié)理傾角存在傾向時(shí)對雙刃滾刀作用下的應(yīng)力分布的影響不同于單刃滾刀，雙刃滾刀下的應(yīng)力橢圓隨節(jié)理傾角的改變沒有明顯的偏轉(zhuǎn)趨勢。

Goodman[18]在考慮巖體內(nèi)部只有一組等間距節(jié)理下，將滾刀侵入簡化為集中力q加載，得到巖體內(nèi)部垂向應(yīng)力分量[18]：

式中取節(jié)理傾角α為0°、30°、60°、90°，通過計(jì)算可得到不同節(jié)理傾角下垂直力的分布規(guī)律示意圖，如圖11所示。由圖可知，當(dāng)節(jié)理傾角存在一定傾向時(shí)，應(yīng)力分布呈現(xiàn)一定的偏轉(zhuǎn)，而當(dāng)節(jié)理對稱分布即沒有傾向時(shí)，應(yīng)力分布對稱。對比圖9和圖11可知，兩者在不同節(jié)理傾角下所對應(yīng)的應(yīng)力偏轉(zhuǎn)方向幾乎一致，理論上得到的應(yīng)力分布規(guī)律整體上和離散元數(shù)值模擬結(jié)果具有很好的一致性。

圖9 不同節(jié)理傾向單刃滾刀作用下的垂向應(yīng)力云圖Fig.9 Vertical stress contour map in different joint orientation by single-point cutter

圖10 不同節(jié)理傾向的垂向應(yīng)力云圖Fig.10 Vertical stress contour map in different joint orientation by double-point cutter

圖11 不同節(jié)理傾角下巖體內(nèi)部應(yīng)力分布理論解Fig.11 Theory resolution of vertical stress contour map in different joint orientation

2.5 節(jié)理特征對單、雙刃滾刀作用下能耗分析

表征破巖效果的好壞通常由破巖效率來說明，而破巖效率與破巖比能耗密切相關(guān)，比能耗是指單位體積下的巖石發(fā)生破碎時(shí)所需要的能量，其值越大說明破巖效率越低。圖12為單刃和雙刃滾刀侵入不同節(jié)理巖體下對應(yīng)的破巖比能耗關(guān)系圖(此時(shí)對應(yīng)的雙刃滾刀之間的刀間距為80 mm)，由圖可知，無論是單刃還是雙刃滾刀，其對應(yīng)的比能耗隨節(jié)理傾角增加，比能耗先減小后增加且在60°時(shí)取得最小值，這說明存在一個(gè)節(jié)理傾角使得破巖能耗最低。另外，對于同一種滾刀，隨節(jié)理間距增加破巖比能耗相應(yīng)增加。當(dāng)節(jié)理間距和節(jié)理傾角相同時(shí)，雙刃滾刀對應(yīng)的比能耗均小于單刃滾刀對應(yīng)的比能耗，這說明在侵入節(jié)理巖體時(shí)，雙刃滾刀破巖效果要優(yōu)于單刃滾刀。導(dǎo)致這種現(xiàn)象的主要原因可能是因?yàn)殡p刃滾刀之間由于刀間距合適兩刃所體現(xiàn)的協(xié)同效應(yīng)，能剝落雙刀刃之間的巖體，增加破碎體積，進(jìn)而提高破巖效率。

圖12 兩種滾刀破巖比能耗關(guān)系圖Fig.12 Relationship of specific energy between two kinds of cutters

2.6 節(jié)理特征下雙刃滾刀刀間距優(yōu)化

通過2.5節(jié)分析可知，當(dāng)雙刃刀間距合適時(shí)，雙刃滾刀侵入巖體的破巖效率高于單刃滾刀的破巖效率。對于刀刃之間的間距取值一直是雙刃滾刀設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問題，課題組通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬研究得到了無節(jié)理巖體條件下的雙刃最優(yōu)刀間距，然而考慮節(jié)理?xiàng)l件下的最優(yōu)刀間距鮮見報(bào)道。由2.2節(jié)分析可知，當(dāng)節(jié)理間距過大時(shí)，節(jié)理間距對裂紋的擴(kuò)展不大，此時(shí)滾刀最優(yōu)刀間距與無節(jié)理巖體下的最優(yōu)刀間距相近。文中選擇節(jié)理間距為40 mm，切深為10 mm，研究不同節(jié)理傾角下破巖效率隨刀間距的變化規(guī)律。

由圖13可知，當(dāng)?shù)堕g距相同時(shí)，節(jié)理傾角在60°時(shí)比能耗最低。當(dāng)節(jié)理傾角相同時(shí)，隨刀間距增加，破巖比能耗先減小后增加，存在一個(gè)最優(yōu)刀間距使得破巖效率最高。值得注意的是隨著節(jié)理傾角的依次增加，最優(yōu)刀間距先增加后減小，如節(jié)理傾角在0°時(shí)，最優(yōu)刀間距在75 mm左右，節(jié)理傾角在60°時(shí)，最優(yōu)刀間距在85 mm左右，節(jié)理傾角在90°時(shí)，最優(yōu)刀間距在70 mm左右。

圖13 不同節(jié)理傾角下比能耗和刀間距的關(guān)系Fig.13 Relationship between specific energy and cutter spacing under different jointed rock

3 結(jié)論

本文通過顆粒離散元對節(jié)理巖體下的單刃和雙刃滾刀侵入破巖進(jìn)行分析，得到了以下結(jié)論：

1)兩種滾刀在侵入節(jié)理巖體時(shí)，裂紋的形成分為起裂、擴(kuò)展過程。兩種滾刀在受力、裂紋的擴(kuò)展和數(shù)目上存在差異，雙刃滾刀存在協(xié)同作用；

2)依據(jù)節(jié)理特征的不同，節(jié)理對兩種滾刀作用下的裂紋擴(kuò)展具有引導(dǎo)和阻隔兩種效應(yīng)，與試驗(yàn)觀測結(jié)果一致；

3)雙刃滾刀作用下產(chǎn)生的巖碴相對單刃下的巖碴較為扁長。根據(jù)節(jié)理特征的不同，兩種滾刀作用下產(chǎn)生的巖碴方式主要有常規(guī)破巖和節(jié)理面協(xié)同破巖兩種形式；

4)單刃作用下的應(yīng)力分布受節(jié)理的影響呈現(xiàn)一定的偏轉(zhuǎn)且與理論解析一致，雙刃作用下應(yīng)力分布受節(jié)理的影響不大；

5)兩種滾刀在節(jié)理傾角為60°時(shí)破巖比能耗取得最小值，破巖效率隨節(jié)理間距增加而增加，雙刃滾刀相比單刃滾刀其侵入節(jié)理巖體破巖效率要高；

6)存在最優(yōu)刀間距使破巖效率最高且最優(yōu)刀間距隨節(jié)理傾角增加先增大后減小。

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Study on the characteristics of breaking jointed rock by tunnel boring machine single-point and double-point cutters

ZHANG Xuhui1,2, XIA Yimin1,2,TAN Qing1,2, LIN Laikuang1,2, LAO Tongbing1,2, LIU Jie3

(1. State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China; 2. College of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China; 3. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In this study, we investigated the breaking behavior of rock penetrated by two types of tunnel boring machine (TBM) disc cutters with respect to the geological condition of the joint. We used the particle discrete element method to establish a model for penetrating the rock with the two types of cutters and analyzed the dynamic breaking behavior of rock and crack propagation. Our results show that the formation and propagation of cracks involves two classic stages and that the force and number of cracks differ when penetrating a jointed rock using two types of cutters. A change in the joint angle has guide and blocking effects on crack propagation. When using a double-pint cutter and the joint spacing is more than 80 mm, this angle controls the crack propagation. With respect to the formation of rock chips, the rock exhibits regular and joint-coordinated breaking modes based on the type of slag produced by the breaking rocks. When using a single-point cutter, a change in joint angle deflects the stress distribution caused by the cutter inside the rock but has little effect on the stress distribution caused by the two-point cutter. The rock-breaking efficiency of the two cutters changes with changes in the joint characteristics. When the cutter spacing is adequate, the double-point cutter has higher efficiency than the single-point cutter. There is an optimal cutter spacing that maximizes the efficiency of breaking rocks when the double-point cutter is penetrating a jointed rock, and this spacing will increase first and then decrease with increases in the joint angle.

tunnel boring machine(TBM); cutter; breaking rock; joint; crack; specific energy

2015-09-10.

日期：2016-09-01.

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2013CB035401)；國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(2012AA041803)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51274252，51475478)；中南大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2016zzts043).

張旭輝(1989-),男, 博士研究生;

夏毅敏(1967-), 男, 教授,博士生導(dǎo)師.

張旭輝，E-mail:csuxuhui@163.com.

10.11990/jheu.201509032

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160901.1435.002.html

U455.3+1

A

1006-7043(2016)10-1424-08

張旭輝，夏毅敏，譚青，等. 節(jié)理巖體下TBM單刃和雙刃滾刀破巖特性研究[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2016, 37(10): 1424-1431.

ZHANG Xuhui, XIA Yimin, TAN Qing， et al. Study on the characteristics of breaking jointed rock by tunnel boring machine single-point and double-point cutters[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(10): 1424-1431.