不同載荷下TBM盤形滾刀破巖試驗研究

譚青，孔亨，夏毅敏，易亮

?

不同載荷下TBM盤形滾刀破巖試驗研究

譚青1, 2，孔亨2，夏毅敏1, 2，易亮2

(1. 中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南 長沙 410083；2. 中南大學 機電工程學院，湖南 長沙 410083)

為了研究不同載荷(靜載、動靜組合加載)下全斷面巖石掘進機(TBM)盤形滾刀破巖的破碎效果及破碎效率，選用大理巖開展?jié)L刀直線切削破巖實驗和破碎塊篩分實驗，對比分析切削過程的破巖量、破碎塊的特征以及破碎比能耗與平均破碎塊度的規(guī)律。實驗結果表明：在同一貫入度及刀間距下，動靜組合加載下的大破碎塊相對較多，并且破巖量要大于靜載的；加入沖擊動載后，破碎塊的塊度變得均勻，平均破碎塊度增大約1.6倍，在刀間距60~80 mm時最大；破碎比能耗隨著平均塊度的增加而減小，呈現(xiàn)出指數(shù)關系，在相同的切削條件下動靜組合加載的破碎比能耗要小于靜載的。

TBM；盤形滾刀；動靜組合加載；破碎塊度；比能耗

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗采用課題組設計的多功能直線切削實驗臺，如圖1所示，該試驗臺主要由控制部分，液壓驅動部分，數(shù)據(jù)采集部分和滾刀破巖部分4部分組成。垂直的液壓加載裝置由豎直滑軌、豎直液壓缸及機架組成；前后往復液壓驅動裝置和左右往復液壓驅動裝置均由驅動液壓缸和滑動導軌組成。試驗臺可進行不同尺寸的滾刀切削實驗，也可以進行沖擊破巖實驗。

圖1 線性切割試驗臺

此次實驗利用試驗臺的沖擊破巖功能。沖擊動載裝置原理圖如圖2所示，主要由沖擊動載液壓缸、沖擊導向桿、鎖定螺釘與緩沖彈簧、潤滑系統(tǒng)等組成。實驗時沖擊載荷設為5 kN，沖擊頻率為1 Hz。實驗采用實際17寸盤形滾刀1:2比例縮小。施加沖擊載荷前，將各個部件安裝在橫梁底部，開啟潤滑系統(tǒng)，滾刀壓入巖石一定深度。

1—鎖定螺釘；2—緩沖彈簧；3—纖維塊；4—活動橫梁；5—沖擊動載液壓油缸；6—沖擊器與橫梁連接處；7—沖擊桿； 8—潤滑系統(tǒng)；9—沖擊器與刀架頂板連接處；10—刀架；11—滾刀

1.2 試樣準備

實驗所用的巖樣產自廣西梧州石材市場的大理巖，如表1所示的大理巖物理力學性能參數(shù)。

表1 實驗材料力學參數(shù)

實驗采用大理巖作為實驗樣品，它的尺寸結構為900 mm×380 mm×260 mm(長×寬×高)，將大理巖放入箱體內用水泥加固，箱體外形尺寸為1 000 mm×500 mm×300 mm，考慮到實驗是模擬實際工況下的巖石，周圍有一定的圍壓，故在其周圍填充水泥，可以增加一定的圍壓，避免實驗過程中滾刀將巖石樣品過度破碎，同時也可以防止巖石試樣移動。如圖3(b)所示，提前4 d用水泥將巖石固定在箱體中，保證水泥的凝結強度。

(a) 箱體；(b) 巖石固定

1.3 實驗方案

實驗需要進行重復切削多次，一種貫入度下對應幾種不同的切削刀間距，從巖石的用量方面考慮，在同一塊大理巖石上分層多次切削，切削方案如圖4所示，切削參數(shù)安排如表2所示。

為了更直觀地觀察2種不同載荷下的破巖效果在同一貫入度及刀間距下，不同載荷施加區(qū)域各占一半，先進行靜載切削，在設置的切削路徑切削完畢后，抬起滾刀，在指定的收集窗口，收集剝離的破碎塊，做好標記，收集窗口已預先設定好，然后進行動靜組合加載切削，重復上述步驟，直至所有的設定的切削組數(shù)切削完畢。

圖4 切削方案示意圖

表2 切削參數(shù)安排表

2 實驗結果與討論

2.1 破碎效果分析

通過對靜載以及動靜組合加載作用下滾刀切削巖石后的巖石破碎塊進行收集，得到不同切削條件下的破碎塊。圖5所示為2種不同載荷條件下盤形滾刀切削巖石后巖石的破碎效果對比。從圖中可以看出，在貫入度為3 mm的情況下，加入沖擊動載荷后巖石的破碎塊相比靜載情況下明顯增多且破碎塊也相對更大。

綜上所述，相比于發(fā)酵前上清，荷葉發(fā)酵上清的抗氧化活性及抑菌性能均有顯著提升，這可能與荷葉成分物質的變化有關。黃酮、植物多酚、生物堿類物質是荷葉發(fā)揮抗氧化性的主要活性成分，經益生菌發(fā)酵后，其中的活性物質可能發(fā)生改變，導致其抗氧化活性及抑菌性的提高。而其中WEFA23發(fā)酵荷葉上清有更好的抗氧化活性和抑菌性能，這可能與屎腸球菌WEFA23菌株自身所擁有的抑菌性相關。

(a) 靜載；(b) 動靜組合加載

圖6~7所示為收集刀間距為40 mm時不同貫入度下的破碎塊，對比不同加載條件下刀間距40 mm不同貫入度的破碎效果，如圖6~7，貫入度越深，破碎量越多。從靜載與動靜組合加載下的破碎效果來看，相同貫入度下動靜組合加載下的破巖量明顯大于靜載條件下的破巖量，并且大破碎塊明顯多于靜載條件。說明加入沖擊動載荷后，巖石的破碎程度更好，破碎效果更明顯。

(a) S=40 mm, P=2 mm；(b) S=40 mm, P=3 mm；(c) S=40 mm, P=4 mm；(d) S=40 mm, P=6 mm

為了更加直觀地比較靜載及動靜組合加載下的破碎效果，如圖8所示，繪制同一貫入度不同刀間距下2種不同載荷情況下的破巖量對比圖，從圖中可見，在貫入度3 mm，刀間距60 mm時，破巖量達到了900.52 g，比靜載時提高了45%，在貫入度2 mm，刀間距30 mm時，破巖量達到了242.36 g，同比提高了129%。相同切削條件下，動靜組合加載下的破巖量普遍高于靜載條件下的。

(a) S=40 mm, P=2 mm；(b) S=40 mm, P=3 mm；(c) S=40 mm, P=4 mm；(d) S=40 mm, P=6 mm

(a) P=2；(b) P=3

2.2 破碎塊尺寸分布對比分析

通過稱重收集到的破碎塊，定量證實了加入沖擊動載后破碎效果更好。進一步研究破碎尺寸分布規(guī)律，進行篩分稱重并統(tǒng)計各粒徑區(qū)的破巖含量比，繪制累計篩分圖，篩下累計指的是小于某一給定篩孔徑占總破巖量的占比，篩下累計的計算方法如式(1)所示[14]：

式中：m代表每個篩分孔徑內的破碎塊質量，代表總質量。圖9中，曲線上凸表示細末占較大的百分比，下凸表示粗塊占較大的百分比。

圖9 篩下物累計曲線

Fig. 9 Cumulative undersize distribution curve

根據(jù)破碎塊的整體尺寸分布，選用的篩分孔徑規(guī)格如下：53，37.5，9.5，2.36和0.6 mm。將大理巖的破碎塊度分為0~0.6 mm，0.6~2.36 mm，2.36~9.5 mm，9.5~37.5 mm，37.5~53 mm，53~100 mm6個等級。采用對數(shù)坐標以準確的地描述破碎塊的分布。

通過對收集的破碎塊進行篩分統(tǒng)計，繪制出篩下累計圖，如圖10所示，給出在貫入度為4 mm和6 mm條件下的分布圖。由圖中曲線的分布可知，當貫入度為4 mm時，2種切削條件下，在刀間距為30 mm時，細末的含量均較多，刀間距為60 mm時，粗塊含量較多，在刀間距為40，80和100 mm時，塊度較為均勻，由圖10(a)和圖10(b)對比可知，當加入沖擊動載后，刀間距為30 mm和60 mm的曲線明顯向中間靠攏，并且曲線斜率增加相對緩和，這說明破碎塊的塊度趨于均勻，小粒徑和大粒徑均減少，中間粒徑增多。當貫入度為6 mm時，兩種切削條件下，刀間距為30 mm時，細末偏多，刀間距增加到80 mm時，粗塊相對含量最多，加入沖擊動載后，曲線向中間靠攏，塊度變得均勻。

(a)靜載貫入度4 mm；(b) 動靜組合貫入度為4 mm；(c) 靜載貫入度為6 mm；(d)動靜組合貫入度為6 mm

由圖10(a)~10(d)對比分析可知，在加入沖擊動載后，碎塊的塊度分布更加均勻，細末和大塊度都相應減少，這說明加入沖擊動載后，從破碎塊的角度來說，得到了更加均勻的巖石塊度，有利于巖石的破碎。

2.3 平均破碎塊與刀間距和貫入度的關系

設定破碎塊上限尺寸為70 mm，下限尺寸取0 mm，則對應每個孔徑內的破碎塊平均尺寸為：61.5，45.25，23.5，5.93，1.48和0.3 mm。刀間距為40 mm，不同切深的平均破碎塊如圖11所示，隨切深增加，無論何種加載方式，巖石破碎塊呈遞增趨勢并且動靜組合加載條件下的平均破碎塊明顯比靜載切割下要大，但當貫入度增加到4 mm后，破碎塊的增加速度減小。當貫入度相同時，動靜載組合切割方式下所產生的平均破碎塊大于靜載切割方式下所產生的平均破碎塊，尺寸大1.6倍左右。

圖11 平均破碎塊與切深關系

切深為4 mm，不同刀間距的平均破碎塊如圖12所示，對于2種不同加載方式，當?shù)堕g距相同時，動靜組合加載條件下產生的平均破碎塊度大于靜載切割下所產生的平均破碎塊。隨著刀間距的增加，破碎塊度先增加后減小，在切深為4 mm的情況下，選取的刀間距為30，40，60，80和100 mm。通過數(shù)據(jù)擬合發(fā)現(xiàn)，最大塊度出現(xiàn)在刀間距60~80 mm之間。根據(jù)實驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，當?shù)堕g距為30 mm和40 mm時，2種加載方式下，當滾刀先行切削一刀后，會對巖體產生一定的損傷，順次切削后能將巖脊剝落并會出現(xiàn)過度破碎現(xiàn)象，而當?shù)堕g距超過了60 mm，則會逐漸出現(xiàn)協(xié)同破碎的現(xiàn)象，如圖13所示，當盤形滾刀滾壓切削巖石時，在掘進機刀盤法向推力的作用下，滾刀壓入巖石，在刀具底部下方的巖體內部形成高應力區(qū)。當巖石內的應力達到一定大小時，就會產生微裂紋，在載荷的持續(xù)作用下裂紋向四周擴散、延伸，出現(xiàn)碎塊。在滾刀順次切削破巖過程中，當?shù)堕g距達到一定的距離會產生脊巖，當巖石內部裂紋自由擴散后而相互交匯，脊巖剝落，此時塊度最大，當2個滾刀的距離恰好或者接近脊巖裂紋交匯時的刀間距時，可以得到較大的巖石破碎塊。而當?shù)堕g距超過80 mm時，產生的微裂紋逐漸的遠離，直至不再交匯貫通，因此到80 mm時破碎塊度有所下降，產生的破碎塊尺寸減小，在刀間距60~80 mm時會出現(xiàn)最大塊度。

圖12 平均塊度與刀間距的關系

2.4 平均破碎塊與比能耗關系對比分析

為了分析滾刀在破巖過程中的破巖效率，Gertscha等[16]提出了比能耗的概念，如式(3)所示，表示單位體積巖石破壞時所消耗的能量。

式中：為破巖總功；為巖石破碎體積；W表示垂直力做功；用垂直力F與貫入度的乘積表示；W表示滾動力做功，用滾動力F與切削的路徑的長度的乘積表示。

圖13 協(xié)同破碎示意圖

Fig. 13 Schematic diagram of synergistic fragmentation

根據(jù)對破巖試驗結果分析，得到不同刀間距和貫入度下的平均破碎塊以及相對應的比能耗值，繪制如圖14所示的平均塊度與比能耗的關系圖。從圖中可以看出，破巖過程中的比能耗與平均塊度不是線性關系，巖石的平均破碎塊越大，所對應的比能耗值越低。這說明巖石的平均破碎塊越細所消耗的能量越大，也說明了過度破碎會導致所消耗的能量增加。對比靜載與動靜組合加載2種加載方式可知，得到同樣大小的平均破碎塊，靜載情況下所消耗的能量比動靜組合加載下要大。這說明加入沖擊動載荷后使得破巖效率提高。

圖14 比能耗與平均破碎塊度的關系

3 討論與應用

TBM在隧道掘進時，在破碎硬度比較大的巖石層時，此時，由于TBM刀盤在旋轉而后面液壓油缸在施加推力，掘進的時候會出現(xiàn)較大的沖擊，相對破碎嚴重的掌子面凹凸起伏大，當滾刀經過大凹坑時相當于施加了沖擊載荷，因此在實驗中添加沖擊載荷對于實際的隧道開挖具有一定的指導作用。

硬巖環(huán)境通常較為干燥，TBM硬巖掘進過程中將產生大量的粉塵，粉塵將對隧道中工作人員的正常工作造成極大影響[17]，由實驗結果可以發(fā)現(xiàn)，施加了沖擊載荷后細末會相應減少，而中粒徑的巖塊會增多。

4 結論

1) 從破碎形態(tài)上看，加入沖擊動載荷后巖石大破碎塊相比靜載情況下明顯增多，破碎量增大。

2) 靜載條件下的破碎塊偏細，動靜組合加載條件下的破碎塊相對較均勻或粗塊偏多。

3) 研究不同切深的平均破碎塊可知，隨切深增加，無論何種加載切割方式，巖石破碎塊呈遞增趨勢并且動靜組合加載切割下的平均塊度明顯比靜載切割下要大；隨刀間距增加，破碎塊先增加后減小，且在刀間距為60~80 mm時取得最大值。

4) 在2種不同載荷下，破碎比能耗隨著平均破碎塊的增加而減小，并且加入沖擊動載后，同一平均破碎塊度下，消耗的能量要小。

[1] 王夢恕. 中國盾構和掘進機隧道技術現(xiàn)狀、存在的問題及發(fā)展思路[J]. 隧道建設, 2014, 34(3): 179?187. WANG Mengshu. Tunneling by TBM/shield in China: State-of-art problems and proposals[J]. Tunnel Construction, 2014, 34(3): 179?187.

[2] 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]. 哈爾濱工程大學學報, 2016, 37(10): 1424?143. 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?143.

[3] 夏毅敏, 吳才章, 顧健健, 等. 不同地應力下TBM盤形滾刀破巖特性[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2016, 47(2): 450?458. XIA Yimin, WU Caizhang, GU Jianjian, et al. Mechanical characteristics of TBM disc cutter under the initial stress[J].Journal of Central South University (Science and Technology), 2016, 47(2): 450?458.

[4] Jamal Rostami. Study of pressure distribution within the crushed zone in the contact area between rock and disc cutters[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2013, 57(1): 172?186.

[5] 彭琦. 圍壓對TBM滾刀破巖影響機制研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2014, 33(增1): 2743?2749. PENG Qi. Research on influence mechanism of confining pressure on rock breakage by TBM cutters[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2014, 33(Suppl 1): 2743?2749.

[6] 馬洪素, 紀洪廣. 節(jié)理傾向對TBM滾刀破巖模式及掘進速率影響的試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2011, 30(1): 155?163. MA Hongsu, JI Hongguang. Experimental study of the effect of joint orientation on fragmentation modes and penetration rate under TBM disc cutters[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2011, 30(1): 155?163.

[7] 譚青, 徐孜軍, 夏毅敏, 等. 2種切削順序下TBM刀具破巖機理的數(shù)值研究[J]. 中南大學學報(自然科學版), 2012, 43(3): 940?946. TAN Qing, XU Zijun, XIA Yimin, et al. Numerical study on mode of breaking rock by TBM cutter in two cutting orders[J]. Journal of Central South University (Science and Technology), 2012, 43(3): 940?946.

[8] 劉春. TBM掘進機關鍵部件-盤型滾刀的研制[J]. 中國鐵道科學, 2003, 24(4): 101?106. LIU Chun. Development on disc cutter-key component of TBM[J]. China Railway Science, 2003, 24(4): 101?106.

[9] 敖日汗, 張義同. 盾構掘進中刀盤振動分析[J]. 機械設計, 2010, 27(2): 27?29. AO Rihan, ZHANG Yitong. Analysis of cutter disc vibration in shield driving[J]. Journal of Machine Design, 2010, 27(2): 27?29.

[10] 張斌. 盾構在復雜地質條件下的進出洞施工技術[J]. 隧道建設, 2009, 29(3): 305?309. ZHANG Bin. Construction technology of launching and arriving for shield tunneling in complex geology[J]. Tunneling Construction, 2009, 29(3): 305?309.

[11] 周創(chuàng)兵, 陳益峰, 姜清輝, 等. 論巖體多場廣義耦合及其工程應用[J]. 巖石力學與工程學報, 2008, 27(7): 1329?1340. ZHOU Chuangbing, CHEN Yifeng, JIANG Qinghui, et al. On generalized multi-field coupling for fractured rock masses and its applications to rock engineering[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2008, 27(7): 1329?1340.

[12] 趙伏軍. 動靜載荷禍合作用下巖石破碎理淪及試驗研究[D]. 長沙: 中南大學機電工程學院, 2004: 19?111. ZHAO Fujun. Theoretical and research study on rock fragmentation under coupled dynamic and static loads[D]. Changsha: Central South University School of Mechanical and Electrical Engineering, 2004: 19?111.

[13] WANG S Y, Sloan S W LIU H Y, et al. Numerical simulation of the rock fragmentation process induced by two drill bits subjected to static and dynamic (impact) loading[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences, 2011, 44(3): 317?332.

[14] 洪亮. 沖擊荷載下巖石強度及破碎能耗特征的尺寸效應研究[D]. 長沙: 中南大學, 2008. HONG Liang. Size effect on strength and energy dissipation in fracture of rock under impact loads[D]. Changsha: Central South University, 2008.

[15] 許余金, 劉石. 大理巖沖擊加載試驗碎塊的分形特征分析[J]. 巖土力學, 2012, 33(11): 3225?3229. XU Yujin, LIU Shi. Research on fractal characteristics of marble fragments subjected to impact loading[J]. Rock and Soil Mechanics, 2012, 33(11): 3225?3229.

[16] Gertscha R, Gertschb L, Rostamic J. Disc cutting tests in colorado red granite: implications for TBM performance prediction[J]. International Journal of Rock Mechanics & Mining Sciences, 2007, 44(2): 238?246.

[17] 郭春. 特長 TBM 施工隧道環(huán)境粉塵安全控制研究[J].工業(yè)環(huán)境與安全, 2015, 41(7): 63?66. GUO Chun. Study on the dust control of the construction environment safety in extra-long tunnel driven by TBM[J]. Industrial Safety and Environmental Protection, 2015, 41(7): 63?66.

Experimental research of TBM disc cutter cutting rock on different load case

TAN Qing1, 2, KONG Heng2, XIA Yimin1, 2, YI Liang2

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

In order to study the crushing effect and the efficiency of energy consumption in crushing with disc cutters for tunneling boring machine (TBM) under different load conditions (static loading, coupling static and dynamic loading)，marble rock were chosen to conduct the disc cutter linear cutting test and broken rock slag screening experiment, the rock breakage, characteristics of the broken pieces as well as the energy consumption were analyzed. Test results show that big broken pieces are relatively greater when impact loading was exerted, and the rock breakage is also more than static loading’s under same penetration and spacing. The size of broken pieces are became well-distributed, the average size increases about 1.6 times after giving impacting loading, the average size is biggest at a space of 60~80 mm. The energy consumption decreases with the increase of average size, exhibiting an exponential relationship. Under same cutting condition, the energy consumption of coupling static and dynamic loading is less than the static loading.

TBM; disc cutter; coupling static and dynamic loads; broken pieces; specific energy

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2018.11.028

TU433

A

1672 ? 7029(2018)11 ? 2956 ? 08

2017?09?22

國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(973計劃)項目(2013CB035401)；國家自然科學基金資助項目(51274252)

譚青(1955–)，男，湖南長沙人，教授，博士，從事掘進機刀具破巖機理方面的研究；E?mail：jds-share@163.com

(編輯 陽麗霞)