基于線性切割試驗碴片分析的滾刀破巖效率研究

龔秋明， 周小雄， 殷麗君, 何冠文， 苗崇通

(北京工業(yè)大學城市防災與減災教育部重點實驗室， 北京 100124)

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基于線性切割試驗碴片分析的滾刀破巖效率研究

龔秋明， 周小雄*， 殷麗君, 何冠文， 苗崇通

(北京工業(yè)大學城市防災與減災教育部重點實驗室， 北京 100124)

為了研究碴片形狀與TBM破巖效率之間的關系，應用機械破巖試驗平臺對北山花崗巖進行線性切割試驗。通過對試驗所形成的碴片進行粗糙度指數(shù)、扁平度以及長軸分析，發(fā)現(xiàn)不同滾刀間距及貫入度下所形成的碴片有很好的規(guī)律。TBM破巖效率越高，所形成的碴片大巖塊的長軸更長，粗糙度指數(shù)更大，同時碴片也更加扁平。將粗糙度指數(shù)與比能進行回歸分析，二者具有很好的線性關系。對于北山花崗巖，當?shù)堕g距與貫入度的比值為40左右時，TBM破巖效率最高。因此，碴片分析對評價TBM的破巖效率和優(yōu)化施工具有重要意義。

TBM； 碴片； 破巖效率； 滾刀破巖試驗； 線性切割試驗

0 引言

巖石隧道掘進機(TBM)技術自20世紀50年代中期進行工業(yè)化生產(chǎn)以來，由于其施工環(huán)境友好、施工進度快、對圍巖的影響小以及長隧道施工的經(jīng)濟效益顯著等優(yōu)點，已被廣泛地應用到各國的地下工程建設中[1]。TBM開挖隧道的關鍵問題是滾刀破巖效率，而碴片的形狀對TBM的破巖效率有著直觀的反映。國內(nèi)外學者通過室內(nèi)切割試驗和現(xiàn)場掘進試驗，對巖石碴片與破巖效率的關系展開了大量的研究。

目前，大量學者通過碴片體積計算比能，從能量的角度評價TBM的破巖效率[2-5]，而對碴片的形狀以及粒徑的分布研究得較少。F. F. Roxborough等[6]在巖石碴片累計曲線的基礎上提出了粗糙度指數(shù)，粗糙度指數(shù)可以反映破巖效率，大巖片比例越大，粗糙度指數(shù)越大，從而破巖效率越高； 周振國[7]對秦嶺隧道進行巖碴觀測，研究了碴片形狀與地質(zhì)條件的關系，并根據(jù)不同的巖碴狀態(tài)提出相應的施工建議； 陳文莉等[8]和宋克志等[9]利用理論分布函數(shù)研究巖碴的粒徑分布曲線，分別研究了粒徑的不同分布狀態(tài)與破巖方式和運行參數(shù)的關系； 文獻[10]和文獻[11]采用現(xiàn)場掘進試驗，通過巖石碴片篩分和大尺寸巖片形狀的分析，評價了不同掘進參數(shù)下的TBM破巖效率。上述研究都是對工程實例中獲得的碴片進行分析，而沒有考慮刀盤設計參數(shù)對碴片形狀和粒徑分布的影響。

本文采用北京工業(yè)大學自主研制的大型機械破巖試驗平臺，選用甘肅北山花崗巖大尺寸巖樣，進行TBM滾刀線性切割試驗，設計多種不同的刀間距與貫入度組合工況，通過對多種不同試驗工況下的碴片收集分析，研究碴片的形狀和尺寸與其破巖效率之間的關系。

1 試驗設計

1.1 機械破巖試驗平臺介紹

北京工業(yè)大學機械破巖平臺是在線性試驗機的基礎上發(fā)展而來的，除具備線性試驗機的所有功能外，還增加了雙刀破巖、圍壓試驗、旋轉(zhuǎn)試驗等功能。機械破巖試驗平臺整體模型如圖1所示，詳細介紹可參考文獻[12]。

圖1 機械破巖試驗平臺整體模型

1.2 滾刀破巖試驗步驟

通過對北山花崗巖進行滾刀線性切割試驗，已經(jīng)研究了不同刀間距對破巖效率的影響[13]和不同貫入度對滾刀破巖效率的影響[14]。本文主要在前人研究的基礎上，分析不同刀間距和貫入度條件下的碴片與破巖效率間的關系。文獻[13]和文獻[14]已經(jīng)對試驗設計及步驟進行了詳細的介紹，本文著重介紹碴片收集及處理。

本次線性切割試驗選用的北山花崗巖長×寬×高為1 000 mm×1 000 mm×600 mm，試樣如圖2所示，其基本物理力學參數(shù)如表1所示。共設計了5個不同的刀間距和7個級別的貫入度，每個刀間距和貫入度的組合為一組試驗工況，如表2所示。每塊巖樣只做一個刀間距，在同一刀間距下，貫入度的施加按照從小到大的順序，從0.5 mm開始，逐級增大到3.5 mm，每個貫入度需要做4～6層的切割，直到數(shù)據(jù)有重復規(guī)律為止，以檢驗數(shù)據(jù)的正確性。在每層切割結束后，清掃并收集每層切割所產(chǎn)生的巖粉和巖片，按照刀間距和貫入度以及層數(shù)進行編號。試驗結束后，對每組工況所獲得的巖石碴片進行篩分，并從中挑選出25塊具有代表性的巖片，通過卡尺量取其長軸、短軸和厚度，并進行扁平度分析。

圖2 北山花崗巖試樣

天然密度/(g/cm3)彈性模量/GPa泊松比抗壓強度/MPa抗拉強度/MPa縱波波速/(m/s)2．6023．020．188105．66．43345．72

表2 滾刀破巖試驗的設計參數(shù)

2 試驗數(shù)據(jù)處理及分析

本試驗對不同刀間距和貫入度下的碴片進行了篩分試驗，以獲取每組碴片的粗糙度指數(shù)，每組挑選了25塊典型的大巖片進行長軸計算和扁平度分析。

2.1 粗糙度指數(shù)

粗糙度指數(shù)由篩分試驗結果對巖片進行篩分后，得到各個篩網(wǎng)的累計篩余率，再將各個篩網(wǎng)的累計篩余率相加得到。具體表達形式為：

(1)

CI=∑Xi。

(2)

式(1)和式(2)中： Wi為大于某粒徑的巖片總質(zhì)量； W總為整個碴片的總質(zhì)量； Xi為某粒徑的累計篩余率；CI為粗糙度指數(shù)。

當破巖效率高時，產(chǎn)生的巖片較多，巖粉較少，此時粗糙度指數(shù)會較大。相反，當破巖效率低時，產(chǎn)生的巖片較少，而巖粉會較多，此時的粗糙度指數(shù)會較小。本試驗共選取了7個篩分孔徑，分別為50、31.5、20、10、5、2.5、0.68mm。

2.2 長軸及扁平度

巖片的形狀如圖3所示。一般來講，篩分試驗得到的是巖片中軸大小的質(zhì)量分布曲線，而長軸的測量曲線能反映巖片塊度的大小。長軸的尺寸越大，巖片越大，破巖效率越高。而扁平度分析則從形狀比例上評價巖片，根據(jù)巖片中軸和長軸的比例與短軸和中軸的比例大小，把巖片形狀分為4種，即形狀較平的巖片、形狀既長又平的巖片、形狀較長的巖片和形狀近似于立方體的巖片，如圖4所示。對于滾刀作用產(chǎn)生的巖片，巖片更接近于又長又平時，巖片的形狀最好，此時的破巖效率更高。本試驗中，在每個工況所收集的碴片中，挑選出25塊具有代表性的巖片，并通過游標卡尺測量每塊巖片的長軸、中軸、短軸尺寸。

a為最長軸； b為中軸； c為短軸。

圖3 巖片三軸形狀尺寸[15]

Fig. 3Sizeofrockchip[15]

圖4 巖片形狀的分類

2.3 粗糙度指數(shù)分析

通過測定得到粗糙度指數(shù)，按照每個刀間距繪制粗糙度指數(shù)隨貫入度的變化曲線，如圖5所示。

圖5 不同刀間距的粗糙度指數(shù)和貫入度關系

Fig. 5Coarsenessindexesvs.penetrationrateofcutterswithdifferentspacings

由圖5可知，對于各個刀間距，都有粗糙度指數(shù)隨貫入度的增大呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢，而粗糙度指數(shù)最大時，一般會有最大的破巖效率。在貫入度較小時，滾刀的傾入作用主要是在滾刀正下方形成壓碎區(qū)，此時產(chǎn)生的巖粉比例較高，不能進一步形成裂紋，無法形成大量巖片，粗糙度指數(shù)會很小，破巖效率降低。隨著貫入度的增大，破碎區(qū)逐漸擴大，裂紋發(fā)展的越多，巖片形成較多，粗糙度指數(shù)逐漸增大，破巖效率逐漸增高。而貫入度太大，滾刀與巖石的強烈作用反而使一部分能量形成大量的巖粉，此時的粗糙度指數(shù)又會較小，破巖效率降低。對于北山花崗巖，如刀間距為60 mm和70 mm時，對應粗糙度指數(shù)最高、破巖效率最高的貫入度為2.0 mm 左右； 刀間距為80 mm 時，對應粗糙度指數(shù)最高、破巖效率最高的貫入度為2.5 mm左右； 刀間距為90 mm和100 mm時，對應粗糙度指數(shù)最高、破巖效率最高的貫入度為3.0 mm左右。

另外，從圖5中可得，在貫入度較小時，粗糙度指數(shù)是隨著刀間距增大而減小的，在貫入度較大時，粗糙度指數(shù)是隨著刀間距的增大而增大，說明粗糙度指數(shù)是受刀間距和貫入度共同影響的。因此，將粗糙度指數(shù)和刀間距與貫入度的比值作回歸分析，如圖6所示。

圖6 刀間距與貫入度的比值和粗糙度指數(shù)的關系

Fig. 6 Coarseness indexes vs. ratios between spacing of cutters and penetration rates

由圖6可知，粗糙度指數(shù)隨刀間距與貫入度的比值呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。對于北山花崗巖而言，當?shù)堕g距與貫入度的比值為30～40時，粗糙度指數(shù)達到最大，此時破巖效率最高。

2.4 碴片長軸、扁平度分析

統(tǒng)計5組刀間距下破巖產(chǎn)生的巖片長軸分布和三軸形狀變化，如圖7—11所示，其中，三軸變化圖的中心點為平均值，十字線的長度代表標準差的數(shù)值。

當?shù)堕g距為60 mm時，如圖7所示，由巖片統(tǒng)計結果可知，貫入度由0.5 mm增大到2.0 mm的過程中，巖片長軸的長度在增大，形狀朝著既長又平的方向發(fā)展，直到貫入度達到2.0 mm時，巖片長軸長度最大，形狀最好；當貫入度繼續(xù)增大時，巖片的長軸長度開始下降，巖片變得更加破碎，從而反映了破巖消耗的能量增加，破巖效率降低。因此，當?shù)堕g距為60 mm時，貫入度為2.0 mm是破巖效率的臨界點。

同理，由圖8—11可知： 當?shù)堕g距為70 mm 時，貫入度為2.0 mm是破巖效率的臨界點； 當?shù)堕g距為80 mm時，貫入度為2.5 mm是破巖效率的臨界點； 當?shù)堕g距為90 mm和100 mm時，貫入度為3.0 mm是破巖效率的臨界點。巖片形狀結果的統(tǒng)計分析，從側(cè)面可以反映破巖效率的高低，這與粗糙度指數(shù)的計算結果也是相符的。

(a) 刀間距為60 mm的長軸分布圖

(b) 刀間距為60 mm時巖片形狀分布

(a) 刀間距為70 mm的長軸分布圖

(b) 刀間距為70 mm時巖片形狀分布

(a) 刀間距為80 mm的長軸分布圖

(b) 刀間距為80 mm時巖片形狀分布

(a) 刀間距為90 mm的長軸分布圖

(b) 刀間距為90 mm時巖片形狀分布

(a) 刀間距為100 mm的長軸分布圖

(b) 刀間距為100 mm時巖片形狀分布

3 與其他破巖效率指標的比較

比能是從能量角度評價破巖效率的一個重要指標，即切削單位體積巖石所做的功[16]，比能越小表示破碎巖石所消耗的能量越小，破巖效率越高。比能的計算公式為

(3)

式中：SE為比能，MJ/m3； FR為平均滾動力，kN； l為滾刀切割巖石的切割長度，mm； V為破巖試驗產(chǎn)生巖片的體積，計算時用巖片的質(zhì)量除以巖石的密度，m3。

文獻[13]分別計算了每個刀間距與貫入度下的比能值，并從比能的角度分析了破巖效率。對于北山花崗巖而言，當?shù)堕g距與貫入度的比值為30左右時，比能的值最小，此時破巖效率最高，這與本文通過碴片分析所得到的結果基本是一致的。

粗糙度指數(shù)和比能都能反映破巖效率，通過對35組工況下的比能和粗糙度指數(shù)進行回歸分析，得到二者之間基本呈現(xiàn)出很好的線性關系，如圖12所示，粗糙度指數(shù)越大對應的比能會越小。因此，在實際的施工現(xiàn)場無法計算比能的時候，通過分析碴片尺寸及形狀來判斷破巖效率是一種可行的方法。

圖12 粗糙度指數(shù)與比能的關系

Fig. 12Relationshipbetweenspecificenergyandcoarsenessindex

4 結論與討論

本文應用機械破巖試驗平臺，對43.18cm(17英寸)盤形滾刀線性切割的北山花崗巖碴片展開了研究分析。通過碴片的粗糙度指數(shù)、長軸和扁平度分析，發(fā)現(xiàn)它們之間在不同工況下呈現(xiàn)出很好的規(guī)律，可以較好地評價TBM的破巖效率。

1) 對于不同刀間距，巖片粗糙度指數(shù)隨貫入度的增大先增大再減小，當粗糙度指數(shù)最大時，達到最大破巖效率。對于北山花崗巖，刀間距為60mm和70mm時的最佳貫入度為2.0mm，刀間距為80mm時的最佳貫入度為2.5mm，刀間距為90mm和100mm時的最佳貫入度為3.0mm。通過將粗糙度指數(shù)和刀間距與貫入度比值進行回歸分析，發(fā)現(xiàn)當?shù)堕g距與貫入度的比值在30～40時，粗糙度指數(shù)達到最大，破巖效率最高。該結論可為北山花崗巖TBM開挖的刀盤設計提供參考。

2) 對典型大巖片的長軸以及扁平度進行分析，發(fā)現(xiàn)在長軸最大處其巖片形狀比例最好，破巖效率也最高，其結論與通過粗糙度指數(shù)分析的結果基本一致。

3) 通過將本文的碴片分析粗糙度指數(shù)與文獻[13]中的比能進行回歸分析，發(fā)現(xiàn)二者之間的線性關系很明顯，驗證了使用碴片分析來評價破巖效率是可行的。實際工程中，可以借助碴片分析的方法來評價施工效率。

本文的線性切割試驗是在無圍壓的條件下進行的，而實際的TBM施工中都會存在不同條件的地應力。同時，實際的巖體條件包含節(jié)理裂隙。圍壓和節(jié)理會對碴片的形狀造成不同程度的影響，因此，在今后的研究中需要考慮圍壓和地質(zhì)巖體條件對碴片形狀的影響。

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Study of Rock Breaking Efficiency of TBM Disc Cutter Basedon Chips Analysis of Linear Cutting Test

GONG Qiuming, ZHOU Xiaoxiong*, YIN Lijun, HE Guanwen, MIAO Chongtong

(KeyLaboratoryofUrbanSecurityandDisasterEngineeringofMinistryofEducation,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

In order to study the relationship between rock breaking efficiency of TBM and the shapes of rock chips, the linear cutting test is carried out on Beishan granite by mechanical rock breaking test platform. The analytical results of coarseness index, flatness and long axis of rock chips show that the shapes of rock chips can reflect the rock breaking efficiency of TBM. The higher the rock breaking efficiency of TBM is, the longer the long axis of rock clip is, the larger the coarseness index of rock clip is and the flatter the rock clip is. The coarseness index and specific energy show linear relationship by regression analysis. The rock breaking efficiency of TBM reaches the highest when the ratio between spacing of cutters and penetration rate is 40. The results show that the analysis of rock chips is very important for evaluation of rock breaking efficiency of TBM and construction optimization.

TBM; rock chip; rock breaking efficiency; rock breaking test by disc cutter; linear cutting test

2016-09-21;

2017-01-02

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(“973”計劃)項目(2014CB046900)； 國家自然科學基金青年基金項目(51508010)

龔秋明(1969—)，男，湖南安化人，2005年畢業(yè)于新加坡南洋理工大學(NTU)，巖土工程專業(yè)，博士，教授，主要從事掘進機、盾構隧道開挖，巖土工程監(jiān)測，邊坡穩(wěn)定性分析，巖土工程勘察及評價工作。E-mail： gongqiuming@bjut.edu.cn。*通訊作者： 周小雄， E-mail: zhou_xiaoxiong@foxmail.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.016

U 455.3

A

1672-741X(2017)03-0363-06