節(jié)理傾角和間距對(duì)TBM雙刃盤形滾刀破巖效率的影響

曹平，林奇斌，李凱輝, 2，韓東亞, 2

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節(jié)理傾角和間距對(duì)TBM雙刃盤形滾刀破巖效率的影響

曹平1，林奇斌1，李凱輝1, 2，韓東亞1, 2

(1. 中南大學(xué)資源與安全工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙，410083；2. 香港理工大學(xué)土木與環(huán)境工程系，中國(guó)香港，999077)

通過實(shí)驗(yàn)研究不同節(jié)理傾角和間距對(duì)TBM雙刃滾刀破巖的影響效果。實(shí)驗(yàn)采用預(yù)制節(jié)理水泥砂漿試件模擬節(jié)理巖體，節(jié)理面與侵入力方向夾角分別為0°，30°，60°和90°，節(jié)理面間距分別為20，30，40和50 mm，采集整個(gè)加載過程中滾刀的侵入深度和侵入力，并采用相機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，獲得試件表面破壞的發(fā)展過程以及最終破壞形態(tài)。研究結(jié)果表明：節(jié)理巖體存在3種基本破碎模式，主要與節(jié)理傾角有關(guān)；相鄰滾刀的協(xié)同破巖作用導(dǎo)致滾刀間巖體產(chǎn)生貫通裂紋，形成片狀巖碴；當(dāng)節(jié)理傾角為60°時(shí)，破巖比能耗最小，滾刀破巖效率最高；節(jié)理間距對(duì)巖碴的形成有較大影響，比能耗隨著節(jié)理間距增大而增大，破巖效率降低。

節(jié)理傾角；節(jié)理間距；TBM雙刃滾刀；破巖模式；破巖效率

隨著全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)TBM(tunnel boring machine)技術(shù)的不斷提高，TBM被廣泛應(yīng)用于隧道工程建設(shè)中，在不同巖體中，破巖效率已經(jīng)成為項(xiàng)目規(guī)劃和選擇隧道開挖方法的一個(gè)重要工具。很多地質(zhì)因素如節(jié)理性質(zhì)(節(jié)理傾角、節(jié)理間距、有無充填節(jié)理等)、巖溶、高地應(yīng)力、滲流等均會(huì)影響TBM破巖效率[1?4]。目前，對(duì)于節(jié)理傾角和間距因素，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者采用理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及室內(nèi)實(shí)驗(yàn)等手段對(duì)其進(jìn)行了研究[5?12]，如：BRULAND[5]提出了NTNU模型，對(duì)節(jié)理傾角影響TBM破巖速率進(jìn)行了定性分析；BARTON[6]提出QTBM模型來預(yù)測(cè)不同地質(zhì)條件下TBM破巖速率，并將節(jié)理傾角作為1個(gè)重要的影響因素；HOWARTH等[7]通過線性切割實(shí)驗(yàn)研究了節(jié)理間距對(duì)破巖效果的影響；GONG等[8?9]通過離散元軟件UDEC分析了不同節(jié)理傾角、不同節(jié)理間距時(shí)的破巖過程；HADI等[10]研究了節(jié)理間距和節(jié)理傾角對(duì)TBM單刀破巖速率的影響；GONG等[11]通過離散元軟件UDEC對(duì)TBM雙刀破巖進(jìn)行了數(shù)值模擬；LIU等[12]通過數(shù)值模擬研究了單雙滾刀對(duì)破巖的影響。現(xiàn)有的關(guān)于節(jié)理對(duì)TBM破巖的研究大多是基于數(shù)值模擬和節(jié)理性質(zhì)對(duì)TBM單刃滾刀破巖的影響，而在實(shí)際TBM的掘進(jìn)施工過程中，并不是采用滾刀單獨(dú)破巖，而是刀盤上的滾刀群對(duì)巖體協(xié)同破巖。為此，本文作者將通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究不同節(jié)理傾角和間距條件下對(duì)TBM雙刃滾刀破巖的影響，并對(duì)TBM雙刃滾刀破巖時(shí)裂紋的形成和擴(kuò)展過程進(jìn)行研究，通過總結(jié)裂紋的變化規(guī)律研究節(jié)理巖體的破巖模式，同時(shí)分析節(jié)理傾角和間距對(duì)雙刃滾刀破巖效率的影響，以便為TBM在不同節(jié)理巖體中的施工應(yīng)用中提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)概況

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器

本實(shí)驗(yàn)在中南大學(xué)巖土力學(xué)流變實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)儀器為長(zhǎng)春朝陽公司生產(chǎn)的RYL?600微機(jī)控制巖石剪切流變儀。該儀器是由德國(guó)進(jìn)口全數(shù)字伺服控制器(EDC)與計(jì)算機(jī)控制的高精度巖石剪切流變實(shí)驗(yàn)設(shè)備，主要由軸向主機(jī)、橫向剪切框架、松下伺服電機(jī)及控制系統(tǒng)、德國(guó)DOLI測(cè)控系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等組成，可完成橫向最大剪應(yīng)力為200 kN、橫向位移加載速率為0.001~50 mm/min的實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過程中能夠同時(shí)記錄時(shí)間、橫向位移、法向位移、剪應(yīng)力、應(yīng)變等參數(shù)。

1.2 試樣制備

本實(shí)驗(yàn)選用的試件為水泥砂漿試件，選用標(biāo)號(hào)為30的快硬水泥和細(xì)砂，拌和水泥砂漿。在水泥砂漿中，水、水泥、細(xì)砂體積比為1:1:2。試件采用特制的鋼模具進(jìn)行澆注，模具內(nèi)部涂專用脫模劑，使試件脫模后的表面有很高的平整度。澆注時(shí)采用預(yù)埋云母片制作充填節(jié)理試件。在常溫下，養(yǎng)護(hù)28 d，達(dá)到預(yù)定的抗壓強(qiáng)度即可。試塊長(zhǎng)×高×寬為200 mm×140 mm× 30 mm，材料基本力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 材料基本力學(xué)參數(shù)

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

實(shí)驗(yàn)采用雙刃滾刀破巖，刀間距為70 mm，實(shí)驗(yàn)在經(jīng)改裝的RYL–600巖石剪切流變儀上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中，采用4種節(jié)理傾角和4種不同的節(jié)理間距，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D1所示(圖1中，為節(jié)理面間距，為巖體中節(jié)理面與滾刀貫入方向的夾角)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將試樣放置于經(jīng)改裝好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中滿足試樣水平方向圍壓為5 MPa(實(shí)際開挖中圍巖處于地應(yīng)力作用下)。實(shí)驗(yàn)中，以0.01 mm/s的加載速度通過刀具對(duì)試樣進(jìn)行軸向加載，并觀察侵入力–侵深曲線變化趨勢(shì)。曲線越過峰值便進(jìn)入殘余階段，每次實(shí)驗(yàn)的滾刀侵深均為10 mm，卸除軸壓并結(jié)束實(shí)驗(yàn)。在剪切過程中，與剪切流變儀相配套的控制記錄軟件Test記錄時(shí)間、侵入力、侵深等。

圖1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析

2.1 不同節(jié)理傾角和間距下的侵入力?侵深曲線

圖2所示為不同節(jié)理傾角條件下滾刀侵入力?侵深曲線。侵入力所反映的是試件對(duì)滾刀貫入過程中的抵抗力，侵深則是滾刀貫入試件中的深度。從圖2可見：在加載初期，侵入力與侵深呈比例增加，每個(gè)滾刀單獨(dú)作用于試件上，這個(gè)階段和1個(gè)滾刀壓入過程類似；當(dāng)侵入力持續(xù)增加時(shí)，破碎區(qū)形成；當(dāng)側(cè)向裂縫傳播到破碎區(qū)時(shí)，由于2個(gè)滾刀的相互作用，2個(gè)刀刃之間的側(cè)向裂紋相互交匯貫通，形成一道幾乎平行于自由面的貫通裂紋，并導(dǎo)致2個(gè)刀刃之間的巖體形成整塊破碎巖碴，大面積地從試件剝落，說明相鄰滾刀下產(chǎn)生的裂紋相互影響，并使得2個(gè)刀刃下的裂紋交匯貫通，產(chǎn)生了協(xié)同破巖作用。

節(jié)理傾角/(°): (a) 0; (b) 30; (c) 60; (d) 90

峰值傾入力與節(jié)理傾角的關(guān)系如圖3所示。由圖3可知：當(dāng)節(jié)理傾角為30°與60°時(shí)，峰值侵入力較??；在為0°與90°時(shí)，峰值侵入力較大。結(jié)合試件的破壞情況也可得知當(dāng)節(jié)理傾角為30°與60°時(shí)試件的破壞情況較嚴(yán)重，刀具更容易破碎巖石。

峰值侵入力與節(jié)理間距的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知：峰值侵入力隨著節(jié)理間距的變化而變化，如當(dāng)節(jié)理傾角=0°時(shí)，峰值侵入力隨著節(jié)理間距的增大而增大；當(dāng)節(jié)理傾角=90°時(shí)，峰值侵入力隨著節(jié)理間距的增大先增大后減小。這說明破巖效率與節(jié)理間距有關(guān)，結(jié)合試件的破壞情況也可得知節(jié)理間距對(duì)巖碴的塊狀體積有較大影響，對(duì)破巖效率有影響。

節(jié)理間距/mm：1—20；2—30；3—40；4—50。

節(jié)理傾角/(°)：1—0；2—30；3—60；4—90。

2.2 不同節(jié)理傾角和間距下的試樣破壞特征

2.2.1 節(jié)理傾角對(duì)破巖過程的影響

滾刀侵入巖石過程可分為破碎區(qū)形成、裂紋產(chǎn)生與擴(kuò)展、破巖碎片形成3部分。當(dāng)滾刀作用于巖石上時(shí)，首先緊鄰刀具下方的巖石發(fā)生塑性變形，出現(xiàn)擠壓破壞區(qū)，這個(gè)過程和1個(gè)滾刀單獨(dú)壓入過程一樣。當(dāng)2個(gè)滾刀繼續(xù)侵入時(shí)，由于抗拉破壞而在受壓區(qū)外圍延伸出大量微裂紋，與擠壓破壞區(qū)構(gòu)成刀具下的破碎區(qū)。巖石破碎區(qū)向內(nèi)及兩側(cè)擴(kuò)張，擴(kuò)張的趨勢(shì)造成巖石中部及側(cè)向產(chǎn)生放射狀裂紋即中間裂紋和側(cè)向裂紋。當(dāng)侵入力持續(xù)增加時(shí)，隨著側(cè)向裂縫傳播到破碎區(qū)，由于2個(gè)滾刀相互作用，2個(gè)刀刃之間的側(cè)向裂紋相互交匯貫通。裂紋尖端受拉力作用而促使裂紋不斷擴(kuò)展，當(dāng)側(cè)向裂紋達(dá)到巖石表面時(shí)則形成巖石碎片。隨著滾刀繼續(xù)侵入，侵入力繼續(xù)增大，形成一道幾乎平行于自由面的貫通裂紋，并導(dǎo)致2個(gè)刀刃之間的巖體形成整塊的破碎巖碴，大面積地從試件剝落，說明相鄰滾刀下產(chǎn)生的裂紋相互影響，并使得兩滾刀下的裂紋交匯貫通，產(chǎn)生了協(xié)同破巖作用。裂紋角示意圖如圖5所示[13]。

圖5 裂紋角示意圖

不同節(jié)理傾角和間距下試樣破壞圖如圖6所示，其中虛線表示宏觀裂紋[14]。由圖6可知：1) 當(dāng)=0°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，中間裂紋由節(jié)理面引導(dǎo)向巖石深部擴(kuò)展；2) 當(dāng)=30°時(shí)，中間裂紋由節(jié)理面引導(dǎo)向巖石深部擴(kuò)展，從刀具兩側(cè)生成側(cè)向裂紋向自由面或節(jié)理面擴(kuò)展形成碎塊；3) 當(dāng)=60°時(shí)，節(jié)理面受到刀具的剪切作用，致使裂紋從節(jié)理面起裂并向節(jié)理面或自由面擴(kuò)展形成碎塊；4) 當(dāng)=90°時(shí)，在雙刀荷載作用下，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，并迅速向滾刀端部擴(kuò)展。

(a) 節(jié)理傾角為90°，節(jié)理間距為20 mm；(b) 節(jié)理傾角為90°，節(jié)理間距為30 mm；(c) 節(jié)理傾角為90°，節(jié)理間距為40 mm；(d)節(jié)理傾角為90°，節(jié)理間距為50 mm

2.2.2 節(jié)理間距對(duì)破巖過程的影響

對(duì)比不同節(jié)理間距可以發(fā)現(xiàn)TBM雙刃滾刀破巖過程可分為2個(gè)階段[15]：正常破巖和節(jié)理面破巖。當(dāng)節(jié)理間距較小時(shí)，滾刀作用于巖體，形成的裂紋能達(dá)到節(jié)理面，并與節(jié)理面貫通形成大塊碴片；當(dāng)節(jié)理面間距較大時(shí)，滾刀下形成的裂紋不足以達(dá)到節(jié)理面，裂紋的擴(kuò)展、貫通以形成巖片為主。在實(shí)際工程中，TBM處于連續(xù)掘進(jìn)狀態(tài)，這2種破巖狀態(tài)交替進(jìn)行，進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)薄巖片和大塊巖碴交替出現(xiàn)的情況。

在節(jié)理巖體中，通過水泥砂漿模擬巖樣實(shí)驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)：由于節(jié)理的存在使破碎區(qū)的形狀尤其裂紋的起始及擴(kuò)展方向、破巖碎片的體積發(fā)生了明顯改變，如圖7所示的中間裂紋方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，側(cè)向裂紋從節(jié)理端開裂并向自由面擴(kuò)展。

2.3 節(jié)理傾角和間距對(duì)滾刀破巖效率的影響

節(jié)理傾角和間距對(duì)TBM破巖效率可采用破碎功與破碎體積之比來衡量[9]。破巖所需破碎功越小，破巖體積越大，則破碎功與破碎體積之比越??；比能耗越小，則破巖效率越高。不同節(jié)理間距及傾角的破巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。破碎功按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：F為第加載步的軸向力；u為第加載步的軸向位移；為求和步數(shù)。

圖7 節(jié)理對(duì)破巖的影響

Fig. 7 Effect of joint on fragmentation

巖石比能耗E是反映TBM機(jī)械破巖效率的重要指標(biāo)，定義為開挖單位體積的巖石所消耗的能 量[16?22]，即E=/。破碎功與節(jié)理傾角的關(guān)系如圖8所示。從圖8可見：當(dāng)節(jié)理間距為20 mm，由30°向60°增大時(shí)，破碎功隨之降低(從126.62 J降低到64.23 J)；當(dāng)增大到90°時(shí)，所需破碎功明顯增加(增加至115.66 J)。

比能耗與節(jié)理傾角的關(guān)系如圖9所示。從圖9可見：當(dāng)節(jié)理傾角從0°增大到60°時(shí)，破巖效率明顯增大；當(dāng)節(jié)理傾角從60°增大到90°時(shí)，破巖效率明顯降低。從破巖效率來看，在巖石中存在1個(gè)最優(yōu)傾角，當(dāng)節(jié)理傾角=60°時(shí)，比能耗最低，TBM雙刃盤形滾刀的破碎效率最高。

表2 不同節(jié)理間距及傾角的破巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果

比能耗與節(jié)理間距的關(guān)系如圖10所示。從圖10可知：當(dāng)節(jié)理傾角一定時(shí)，隨著節(jié)理間距不斷增大，比能耗也不斷增大，破巖效率降低。

節(jié)理間距/mm：1—20；2—30；3—40；4—50。

節(jié)理間距/mm：1—20；2—30；3—40；4—50。

節(jié)理傾角/(°)：1—0；2—30；3—60；4—90°。

3 結(jié)論

1) 當(dāng)節(jié)理傾角一定、節(jié)理間距較小時(shí)，滾刀作用于巖體，形成的裂紋能達(dá)到節(jié)理面，并與節(jié)理面貫通形成大塊碴片；當(dāng)節(jié)理面間距較大時(shí)，滾刀下形成的裂紋不足以達(dá)到節(jié)理面，裂紋的擴(kuò)展、貫通以形成巖片為主。在實(shí)際工程中，TBM處于連續(xù)掘進(jìn)狀態(tài)，這2種破巖狀態(tài)交替進(jìn)行，進(jìn)而薄巖片和大塊巖碴交替出現(xiàn)。

3) 相鄰滾刀下產(chǎn)生的裂紋相互影響，使得兩刀刃下的裂紋交匯貫通，產(chǎn)生協(xié)同破巖作用，形成片狀 巖碴。

4) 從滾刀破巖效率來看，破巖比能耗隨著節(jié)理傾角的增加有1個(gè)逐漸減少然后增大的過程，在巖石中存在1個(gè)最優(yōu)節(jié)理傾角，當(dāng)節(jié)理傾角=60°時(shí)，破巖比能耗最小，TBM雙刃盤形滾刀的破碎效率達(dá)到最高值；當(dāng)節(jié)理傾角一定時(shí)，隨著節(jié)理間距不斷增大，比能耗也不斷增大，破巖效率降低。

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(編輯 陳燦華)

Effects of joint angle and joint space on rock fragmentation efficiency by two TBM disc cutters

CAO Ping1, LIN Qibin1, LI Kaihui1, 2, HAN Dongya1, 2

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Department of Civil and Environmental Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong 999077, China)

Based on laboratory tests, the effects of joint angle and joint space on the penetration of two TBM disc cutters were studied. In the test, concrete jointed specimens were adopted to simulate jointed rock mass. The anglebetween joint plane and tunnelling axis were 0°, 30°, 60° and to 90°, and four joint spaces were 20, 30, 40 and 50 mm respectively. Penetration depth and penetration force were collected during the loading process. Shooting with the camera in real time, photographs of the damage of specimen and failure mode of the development process were taken. The results show that there exists three basic modes of rock fragmentation which are mainly related to the joint orientation. The interaction between rock and TBM double disc cutter leads to cracks coalescence and chips formation. The specific energy achieves the minimum at the joint angle=60° and the fragmentation efficiency of two TBM disc cutters can reach the highest. The joint space has significant impact on the formation of rock chips. Specifically, the specific energy increases with the increase of the joint space, but the fragmentation efficiency presents the opposite trend.

joint angle; joint space; two TBM disc cutters; fragmentation modes; fragmentation efficiency

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.05.023

U45

A

1672?7207(2017)05?1293?07

2016?05?19；

2016?07?01

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)項(xiàng)目(2013CB035401)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2015zzts262) (Project(2013CB035401) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project(2015zzts262) supported by the Central University Special Fund For Basic Scientific Research Business Expenses)

曹平，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事巖石力學(xué)與工程應(yīng)用研究；E-mail: pcao_csu@sina.com