全尺度TBM滾刀線性切削花崗巖試驗研究

賀 飛, 田彥朝, 尚 勇, 馬洪素, 殷麗君

(1. 中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016； 2. 核工業(yè)北京地質(zhì)研究院中核集團高放廢物地質(zhì)處置重點實驗室， 北京 100029； 3. 北京工業(yè)大學(xué)城市與工程安全減災(zāi)教育部重點實驗室， 北京 100124)

0 引言

全斷面巖石隧道掘進機(tunnel boring machine, TBM)是一種用于隧道全斷面開挖的大型專用工程機械，被廣泛應(yīng)用于高速鐵路/公路、城市軌道交通和區(qū)域引水工程的隧道建設(shè)[1-2]。CCS(constant cross section)型盤形滾刀是現(xiàn)有TBM的主要破巖刀具，其破碎巖石的過程是TBM掘進施工的關(guān)鍵，直接影響著掘進速度和成本。

滾刀的基本破巖過程為： 刀盤運動帶動滾刀刃滾壓掌子面，刀刃下形成高壓密實核并驅(qū)動側(cè)向裂紋貫通成碴。滾刀破巖過程受到刀間距、刀具直徑、刀具刃寬、貫入度、巖石巖體力學(xué)參數(shù)等的綜合影響。針對這些參數(shù)的影響，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的試驗研究。

目前，主要采用全尺度線切割試驗臺(LCM)的方法開展室內(nèi)滾刀破巖試驗。Rostami[3-4]使用LCM試驗臺，研究了巖石強度、刀間距、刀刃寬度、刀具直徑、貫入度等參數(shù)對破巖過程的影響，提出了CSM(colorado school of mines)滾刀破巖載荷預(yù)測公式，由于該公式可直接用于載荷預(yù)測并指導(dǎo)滾刀布局和刀盤設(shè)計，因此被廣泛采用。Balci等[5-6]使用LCM試驗臺，開展了不同刃型(V型和CCS型)、刃寬、刀間距、貫入度條件下滾刀切削砂巖、頁巖和石灰?guī)r的試驗，提出了新的破巖載荷預(yù)測公式，并將破巖載荷與CSM模型進行了比對。Cho等[7]使用LCM試驗臺，研究了刀間距和貫入度對破巖比能的影響規(guī)律，得到了相應(yīng)的最優(yōu)刀間距和貫入度比值。Xia等[8]使用LCM試驗臺切削了大量的國內(nèi)巖石，對比所得破巖載荷與CSM模型預(yù)測值，發(fā)現(xiàn)CSM模型可以較準(zhǔn)確預(yù)測超硬巖和極硬巖的破巖載荷，但對軟巖和中硬巖的破巖載荷預(yù)測值偏低。針對中心刀和邊滾刀，Geng等[9-10]使用RCM試驗臺，對滾刀的回轉(zhuǎn)破巖過程進行了初步的試驗探索； Gong等[11]研制了新型刀具破巖試驗平臺，該平臺可用于開展全尺度、多種刀具、直線和回轉(zhuǎn)切削模式下的破巖試驗。Entacher等[12-13]通過在滾刀軸支座下方安裝應(yīng)變片，測試得到了TBM刀盤在實際掘進過程中不同區(qū)域滾刀的破巖載荷。

國內(nèi)外大量研究為TBM結(jié)構(gòu)設(shè)計和掘進施工提供了參考，然而實際公布的數(shù)據(jù)相對有限，且大多針對43.18 cm(17英寸)的CCS型滾刀，尚不足以完全支撐各種地質(zhì)條件下的刀具選型和TBM設(shè)計。

本文針對項目所遇的淺埋花崗巖地層，采用國內(nèi)外研究相對較少的33.02 cm(13英寸)CCS型滾刀以及43.18 cm(17英寸)滾刀，在5種刀間距和9種貫入度條件下開展系列全尺度滾刀破巖試驗，研究不同刃寬、刀間距和貫入度對破巖過程、破巖載荷和效率的影響，以期為同類項目提供參考和數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗方案

1.1 試驗設(shè)備

本文應(yīng)用北京工業(yè)大學(xué)機械破巖平臺(見圖1)，在無圍壓和直線切削模式下開展全尺度滾刀破巖試驗。該平臺由機械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、自動控制系統(tǒng)及測試系統(tǒng)組成，Gong等[11]已詳細說明該試驗平臺的結(jié)構(gòu)和試驗過程，本文不再贅述。

圖1 機械破巖試驗平臺[11]Fig. 1 Mechanical rock-breaking test platform[11]

對試驗臺的切削動作簡述如下： 1)通過液壓和螺紋機構(gòu)調(diào)整滾刀Z向位置并鎖止，從而保證滾刀以固定貫入度切削，Z向位移控制精度為0.1 mm； 2) 通過水平Y(jié)向液壓缸調(diào)整巖艙左右位置并鎖止，從而控制各次切削的間距，Y向位移控制精度為1 mm； 3) 通過水平X向液壓缸控制巖艙的前后運動，從而實現(xiàn)滾刀的切削動作。

該試驗平臺的主要技術(shù)指標(biāo)如下： 1)框架可承受最大載荷為2 000 kN，單刀加載力為1 000 kN； 2)試樣最大尺寸為1 000 mm×1 000 mm×600 mm(長×寬×高)； 3)線性切割時，直線破巖速度最大值定為20 mm/s； 4)通過在刀座下方安裝三向力傳感器獲取滾刀的三向破巖載荷，采用密西根科技公司的TR3D-D-100K三向力傳感器，其最大量程為444.8 kN，精度為最大量程的0.05%，即約0.22 kN。

1.2 試驗參數(shù)設(shè)計

本試驗巖樣為花崗巖，巖樣尺寸為980 mm×980 mm×600 mm(長×寬×高)，如圖2所示。按照GB/T 50266—2013《工程巖體試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》[14]的要求對花崗巖的單軸抗壓強度、巴西劈裂強度、縱波波速進行測試，得到花崗巖的力學(xué)參數(shù)，見表1。

圖2 試驗花崗巖巖樣Fig. 2 Granite samples

表1 試驗花崗巖力學(xué)參數(shù)Table 1 Mechanical parameters of tested granite

為研究刃寬及刀間距對TBM滾刀破巖機制及效率的影響，分別采用刃寬為13 mm和17 mm的43.18 cm(17英寸)CCS型盤形滾刀，設(shè)置不同的刀間距分組進行試驗。其中，刃寬13 mm的滾刀切割試驗分為4組，刀間距分別為60、65、70、75 mm，選取的貫入度依次為0.5、1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0 mm；刃寬17 mm的滾刀切割試驗分為2組，刀間距分別為75 mm和80 mm，選取的貫入度依次為0.5、1.0、2.0、3.0、3.5、4.0、4.5 mm，其中貫入度3.5 mm僅在刀間距80 mm條件下進行。

1.3 滾刀破巖試驗步驟

由于在進行滾刀破巖試驗前，巖石試樣的表面是完整無破損的，而TBM施工時，刀盤遇到的掌子面是由一系列的同心圓切槽所組成的不平整面，此時相鄰的切槽之間存在相互影響，且這種影響有利于破巖。因此，為了模擬實際情況，應(yīng)對平整的巖石表面進行處理，即滾刀在預(yù)設(shè)的滾刀間距下，以試驗設(shè)計的最小貫入度0.5 mm切割巖石表面，使巖石表面形成一系列等間距的切槽。切割的具體次數(shù)由巖石的平整度等因素決定，一般需要進行15～20層試驗，直到試驗得到有規(guī)律的、重復(fù)的數(shù)據(jù)為止。

按照試驗設(shè)計的貫入度和刀間距切割巖石，進行破巖試驗，并記錄在不同貫入度下所產(chǎn)生的三向力，即垂直于切割面的法向力、沿滾刀滾動方向的滾動力及垂直于滾動方向的側(cè)向力。試驗過程中，傳感器每10 ms采集一次瞬時破巖載荷，對試驗所獲取的瞬時破巖載荷數(shù)據(jù)取平均值，得到該次試驗的平均破巖載荷，在相同條件下開展數(shù)次切削試驗，直至各次試驗的平均載荷具有較好的重復(fù)性，計算這些可重復(fù)試驗所得平均載荷的平均值，得到最終平均破巖載荷。進行完每一層的切割后，對巖樣切割面拍照；收集該層所產(chǎn)生的巖片及巖粉，并對其稱重；對收集巖屑后的巖樣切割面再次拍照。每個貫入度和刀間距都需要進行4～10層的切割，直到數(shù)據(jù)有重復(fù)規(guī)律，以檢驗數(shù)據(jù)的正確性。試驗中，當(dāng)更換不同的刀間距和貫入度時，重復(fù)上述試驗步驟。

2 試驗過程及分析

2.1 滾刀破巖試驗描述

在刃寬T=13 mm、刀間距S=60 mm的條件下，對滾刀破巖現(xiàn)象隨貫入度P的變化過程進行描述，其他刃寬和刀間距條件下滾刀破巖現(xiàn)象隨P的變化與該過程總體相近。

當(dāng)P=0.5 mm時，破巖過程中巖面巖脊較低，切槽內(nèi)含有少量壓實的巖粉及小巖粒。切割過程中產(chǎn)生的大巖片數(shù)量較少，塊度及厚度不大，產(chǎn)生大巖片時會伴隨著悶響聲，并且在某一巖脊上產(chǎn)生大巖片后往往需要經(jīng)過2層切割才能再次產(chǎn)生巖片。貫入度為0.5 mm時，滾刀破巖后巖面及典型大巖片(背景參照方格為5 cm×5 cm，下同)如圖3(a)和3(b)所示。

當(dāng)P=1.0、2.0 mm時，破巖現(xiàn)象相比貫入度0.5 mm時有一定的變化： 每一層產(chǎn)生的巖片量增多但巖片的形成并不連續(xù)，刀刃兩側(cè)逐漸出現(xiàn)起灰、迸碴現(xiàn)象，巖片的增多使巖脊的平整度逐漸提高。巖片裂紋擴展的吱吱聲和巖片產(chǎn)生時造成的悶響聲頻繁且音量較大。貫入度為2.0 mm時，滾刀破巖后巖面及典型大巖片如圖3(c)和3(d)所示。

當(dāng)P=3.0、4.0 mm時，破巖現(xiàn)象逐漸劇烈，巖石在滾刀作用下較為連續(xù)地產(chǎn)生巖片，切槽內(nèi)巖粉和巖粒極多，并且存在少量的壓實核，巖片塊度較大，但少量大巖片從中間斷開，且破巖過程中聲響巨大，巖片瞬間三向力出現(xiàn)驟降，滾刀偶有抖動和側(cè)移，且兩側(cè)有起灰現(xiàn)象。貫入度為4.0 mm時，滾刀破巖后巖面及典型大巖片如圖3(e)和3(f)所示。

當(dāng)P=5.0、6.0 mm時，破巖現(xiàn)象十分劇烈，巖石在滾刀作用下連續(xù)產(chǎn)生巖片并伴隨著密集且沉悶的崩響聲，刀刃下有大量的巖粉及小碎片崩出，切槽內(nèi)存在大量的壓實核，巖屑布滿整個巖面，巖片極其破碎，過度破碎現(xiàn)象較為嚴(yán)重，巖片不規(guī)則且厚度變化較大，大巖片數(shù)量急劇下降； 此外，法向力變化迅速，且幅值較大。貫入度為6.0 mm時，滾刀破巖后巖面及典型大巖片如圖3(g)和3(h)所示。

2.2 滾刀破巖過程分析

針對上述滾刀破巖試驗現(xiàn)象，對TBM滾刀破巖過程進行分析。該過程分為2個階段： 滾刀侵入巖體； 兩滾刀之間形成巖石碎片。

(a) P=0.5 mm，破巖面 (b) P=0.5 mm，典型大巖片

(c) P=2.0 mm，破巖面 (d) P=2.0 mm，典型大巖片

(e) P=4.0 mm，破巖面 (f) P=4.0 mm，典型大巖片

(g) P=6.0 mm，破巖面 (h) P=6.0 mm，典型大巖片圖3 43.18 cm(17英寸)滾刀破巖后巖面及典型大巖片隨貫入度P的變化(刃寬13 mm，刀間距60 mm)Fig. 3 Rock surfaces and typical rock chips revealed by different penetrations of disc cutter with diameter of 43.18 cm, width of 13 mm and spacing of 60 mm

單滾刀侵入巖體過程可分成5個階段： 建立應(yīng)力場；形成壓碎區(qū)；形成巖石碎片；出現(xiàn)侵入坑；產(chǎn)生宏觀裂紋并擴展。在初始階段，巖石中的微小裂隙隨著應(yīng)力的增加而閉合，巖石處于線彈性變形階段；隨著載荷的增大，在滾刀邊緣出現(xiàn)圓錐形裂紋，在滾刀底部形成壓碎區(qū)；隨著載荷繼續(xù)增大，緊鄰滾刀下方的巖石碎片發(fā)生劇烈粉碎。這些巖石粉碎后又被重新壓實，形成白色高密度壓實核，如圖4所示。巖石粉碎顆粒向內(nèi)及兩側(cè)擴張，擴張的趨勢造成了巖石中部及側(cè)向產(chǎn)生放射狀裂紋。在裂紋形成過程中，滾刀逐漸侵入巖石。當(dāng)側(cè)向裂紋生長至巖石表面時，滾刀底部的部分巖石及滾刀周圍的巖石迅速脫離巖體形成巖碴，貯存在巖石中的應(yīng)變能轉(zhuǎn)化成巖石碎片的動能。當(dāng)破巖載荷跌落后，滾刀迅速侵入至巖石一定深度處。

(a) 巖粉

(b) 壓實核圖4 巖粉及壓實核Fig. 4 Rock powder and crushed core

當(dāng)TBM滾刀滾過隧道工作面時，滾刀連續(xù)擴大壓碎區(qū)，產(chǎn)生裂紋并使之?dāng)U展。當(dāng)一條或更多的裂紋到達自由面或相鄰滾刀間裂紋貫通時就會形成巖石碎片。這個相互作用的過程受諸多因素影響，如破巖載荷、滾刀間距、巖石的物理力學(xué)性質(zhì)、已有的巖體裂隙及其特性、裂隙的方向等。當(dāng)滾刀間距過大或載荷過小時，裂紋朝著自由面擴展，巖石形成較小的三角形碎片；當(dāng)滾刀間距過小或載荷過大時，較長但無效的裂紋向巖石內(nèi)部擴展，在兩滾刀之間形成凹槽；只有當(dāng)滾刀間距、破巖載荷等參數(shù)與巖石的力學(xué)參數(shù)匹配狀態(tài)達到最優(yōu)時, 裂紋才能平直地向著鄰近滾刀擴展，有效形成破巖巖片。

2.3 試驗數(shù)據(jù)處理

通過對試驗過程中采集的滾刀三向力數(shù)據(jù)及巖碴質(zhì)量數(shù)據(jù)進行處理，獲得滾刀力的平均值(平均法向力Fn、平均滾動力Fr)和滾刀破巖比能SE。

由于試驗中更換不同的貫入度進行試驗，開始的1～2層切割層為試驗過渡段，此時獲得的滾刀三向力變化幅度較大，因此，當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)2層滾刀三向力較為平穩(wěn)的狀態(tài)時，自此記錄的數(shù)據(jù)方為有效數(shù)據(jù)。 平均力(Fn、Fr)由力-時間曲線與時間軸所圍面積和時間軸長度的比值計算得出。 滾刀破巖比能SE是反映滾刀破巖效率的一個重要指標(biāo)，計算公式如下：

式中： SE為滾刀破巖比能，MJ/m3；Fr為滾動力，kN；l為滾刀切割巖石的切割長度，m；V為破巖試驗過程中產(chǎn)生巖片的體積，即巖片質(zhì)量與巖石密度的比值，m3。

試驗結(jié)果匯總見表2和表3。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 刃寬、刀間距對平均法向力的影響

滾刀破巖過程為滾壓破巖，法向力為主導(dǎo)作用力?，F(xiàn)場掘進過程中，刀盤每轉(zhuǎn)一圈時的掘進距離為貫入度；在線切割試驗中，預(yù)先設(shè)定的切削深度等同于實際掘進中的貫入度指標(biāo)。通過試驗不同刃寬、不同刀間距條件下滾刀平均法向力隨貫入度的變化規(guī)律，來研究實際工程中不同刃寬、刀間距對平均法向力的影響，數(shù)據(jù)擬合結(jié)果如圖5所示。

表3 刃寬為17 mm時滾刀破巖試驗結(jié)果Table 3 Test results of rock breaking with cutter width of 17 mm

(a) 平均法向力與貫入度關(guān)系

(b) 平均法向力與刀間距關(guān)系圖5 不同試驗條件下平均法向力對比曲線Fig. 5 Comparison curves of average normal force under different conditions

1)對于試驗中所采用的各種刀間距，貫入度的增加均導(dǎo)致平均法向力的增大且其增長速度隨著貫入度的增加而逐漸降低，即貫入度增量相同時，平均法向力的增量將逐漸減小。例如： 對于刃寬13 mm的滾刀，當(dāng)貫入度逐漸增加至3.0 mm左右時，平均法向力的增長速度迅速減弱；而對于刃寬17 mm的滾刀，當(dāng)貫入度逐漸增加至4.0 mm左右時，平均法向力的增長速度迅速減弱。這主要是由于隨著貫入度增加，較大的法向力使得滾刀下方巖體裂紋發(fā)展更加充分，相鄰滾刀間作用更加明顯，滾刀侵入巖體所受的抵抗力相對減小。

2)在相同刃寬、貫入度條件下(貫入度0.5 mm情況除外)，平均法向力總體上隨刀間距的增大而增大，但增長幅度不大，曲線總體上比較平緩。

3)在相同貫入度、刀間距條件下，平均法向力隨刃寬的增大而增大。在刀間距為75 mm的2組試驗中，刃寬17 mm的滾刀平均法向力隨貫入度的變化規(guī)律與刃寬13 mm的情況相似，均可用對數(shù)函數(shù)擬合，但數(shù)值上有一個明顯的抬升； 刃寬17 mm的滾刀平均法向力隨貫入度的增長速度大于刃寬13 mm的情況。刃寬的增大使得刀刃與巖石的接觸面積增大，從而導(dǎo)致平均法向力明顯增大； 由此做出推斷，刀刃下方的裂紋隨貫入度增大而發(fā)展貫通的能力隨著刃寬的增大而減小。分析表明，在刀間距為75 mm和貫入度分別為1.0、2.0、3.0、4.0 mm條件下，17 mm刃寬滾刀平均法向力相比13 mm刃寬滾刀平均法向力的增大幅度分別為32%、29%、39%和11%。

4)對于刃寬為17 mm的滾刀，當(dāng)貫入度為4.0 mm左右時，滾刀承受的平均法向力約為275 kN，已超過43.18 cm(17英寸)滾刀所能承受的額定工作載荷；而對于刃寬為13 mm的滾刀，當(dāng)貫入度超過6.0 mm時，滾刀所承受的平均法向力仍小于230 kN。這表明對于相同直徑的CCS型滾刀，適當(dāng)減小刀刃端部的寬度，可能會延長刀具(尤其是滾刀軸承)的使用壽命，但具體情況還需要進一步結(jié)合刀刃磨損速度來綜合評判。

5)貫入度為0.5 mm時，平均法向力的變化沒有穩(wěn)定的規(guī)律；隨著貫入度增大，上述規(guī)律逐漸穩(wěn)定。這是由于貫入度為0.5 mm時，滾刀與巖石的相互作用較弱，所產(chǎn)生的大巖片數(shù)量較少，但塊度及厚度較大，并且在某一巖脊上產(chǎn)生大巖片后往往需要經(jīng)過多層的切割才能再次產(chǎn)生巖片，即貫入度0.5 mm條件下的切割受前期表面處理影響較大，因此有一定的波動性。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，刃寬和貫入度對平均法向力的影響較為明顯，而刀間距對平均法向力的影響不明顯。

3.2 刃寬、刀間距對平均滾動力的影響

TBM掘進中刀盤轉(zhuǎn)矩大小取決于每個滾刀的平均滾動力，通過本試驗中不同刃寬、刀間距條件下平均滾動力的變化趨勢，可以對實際工程中不同刀型及刀間距下TBM掘進時的轉(zhuǎn)矩運行參數(shù)進行優(yōu)化。圖6為不同刃寬及刀間距條件下，滾刀平均滾動力隨貫入度變化曲線圖。

1)如圖6(a)所示，平均滾動力隨著貫入度的增大均呈線性函數(shù)增長趨勢。同一刀間距條件下，平均滾動力隨著貫入度的增加而增大，貫入度增加導(dǎo)致平均法向力以及滾刀與巖面接觸面積的增大，使得破巖過程中滾刀所受的摩擦力加大，從而平均滾動力增大。

(a) 平均滾動力與貫入度關(guān)系

(b) 平均滾動力與刀間距關(guān)系圖6 不同試驗條件下平均滾動力對比曲線Fig. 6 Comparison curves of average rolling force under different conditions

2)如圖6(a)所示，在相同貫入度、刀間距條件下，平均滾動力隨刃寬的增加而增大。在相同貫入度下，滾刀刃寬越大，平均法向力、滾刀與巖石的接觸面積越大，最終導(dǎo)致平均滾動力增大。分析表明，在刀間距為75 mm和貫入度分別為1.0、2.0、3.0、4.0 mm條件下，17 mm刃寬滾刀平均滾動力相比13 mm刃寬滾刀平均滾動力的增大幅度分別為23%、11%、19%和12%。對比3.1節(jié)分析結(jié)果表明，刃寬對于法向力的影響程度要強于滾動力。

3)如圖6(b)所示，在相同刃寬、貫入度條件下，平均滾動力總體上隨刀間距的增大而增大，但增長幅度不大，曲線總體上比較平緩，且不同貫入度條件下的曲線變化規(guī)律存在區(qū)別。

通過以上分析發(fā)現(xiàn)，刃寬和貫入度對平均滾動力的影響較為明顯，而刀間距對平均滾動力的影響不明顯。

3.3 刃寬、刀間距對滾刀破巖比能的影響

破巖比能SE即破碎單位體積巖體所做的功，一般借助這一指標(biāo)來評價特定條件下TBM滾刀的破巖效率。圖7為不同刀間距、刃寬和貫入度條件下，破巖比能的變化趨勢圖。

圖7 不同試驗條件下滾刀破巖比能對比曲線Fig. 7 Comparison curves of rock cutting specific energy under different conditions

1)無論何種刃寬及刀間距條件下，滾刀破巖比能與貫入度之間的變化趨勢存在相似之處，即隨著貫入度的增加，由于大塊巖片比例增大，破巖比能會逐漸降低，破巖效率逐漸提高，直到達到最優(yōu)貫入度，此時破巖比能值最低，破巖效率最高；超過最優(yōu)貫入度后，在大塊巖片比例增大的同時，造成巖片過度破碎，巖粉及巖粒增多，破巖比能又出現(xiàn)增大的趨勢，破巖效率則隨之降低。其中，刃寬為13 mm時，刀間距S=60 mm的最優(yōu)貫入度為1.0 mm，刀間距S=65、70 mm的最優(yōu)貫入度為2.0 mm，刀間距S=75 mm的最優(yōu)貫入度為1.0 mm；刃寬為17 mm時，刀間距S=75、80 mm的最優(yōu)貫入度分別為1.0 mm和2.0 mm。

2)在貫入度(0.5、1.0、2.0、3.0、4.0 mm)、刀間距(S=75 mm)相同的條件下，滾刀破巖比能隨刃寬增大而增大。刃寬的增大導(dǎo)致法向力、滾動力增大，刀具下的粉核區(qū)增大，巖屑中巖粉和小直徑巖片占比更多，故在此破巖條件下破巖效率下降，破巖比能增大。

3)刃寬為13 mm時，在貫入度相同的條件下，滾刀破巖比能隨刀間距的增加先增大后減小，刀間距S=75 mm條件下破巖比能最小，破巖效率最高；刃寬為17 mm時，在貫入度相同的條件下，刀間距S=75、80 mm 2種條件下的滾刀破巖比能曲線相互交錯，但整體來說較小刀間距條件(S=75 mm)下破巖比能更小，破巖效率更高。

4 結(jié)論與建議

本文使用全尺度線切割試驗平臺，采用2種不同的刃寬(13、17 mm)、5種不同的刀間距(60、65、70、75、80 mm)和9種不同的貫入度進行了無圍壓條件下的滾刀切削花崗巖試驗。主要結(jié)論如下：

1)滾刀破巖平均法向力與貫入度成對數(shù)函數(shù)關(guān)系；相同刃寬、不同刀間距條件下，曲線形狀基本一致，隨刀間距的增大而總體向上平移；不同刃寬條件下，隨著刃寬增大，曲線明顯抬升，曲線斜率(載荷增長速度)增大。

2)滾刀破巖平均滾動力與貫入度成線性函數(shù)關(guān)系；在相同貫入度、刀間距條件下，平均滾動力隨刃寬的增加而增大；在相同刃寬、貫入度的條件下，平均滾動力總體上隨刀間距的增大而增大，但增長幅度不大。

3)滾刀破巖平均載荷(平均法向力和平均滾動力)主要受到貫入度和刃寬的影響，而刀間距對平均載荷的影響不明顯。刃寬對于平均法向力的影響程度要強于平均滾動力。

4)貫入度對滾刀破巖比能具有顯著的影響，總體上滾刀破巖比能隨貫入度的增大先減小后增大。針對本次試驗的花崗巖，從破巖比能最小的角度考慮，建議最優(yōu)貫入度取值為1.0～2.0 mm；如果采用該貫入度開展實際掘進，雖然可能實現(xiàn)能量的最高效利用，但是對于TBM本身的掘進能力而言則是極大的浪費，將造成掘進速度變慢、掘進成本提高等問題，為提高實際TBM的掘進速度，可在滾刀最大可承受載荷范圍內(nèi)，適當(dāng)增大貫入度。因此，實際掘進貫入度的確定，不能僅根據(jù)破巖效率來評判，還要綜合刀具承載能力、掘進速度和掘進成本等多個指標(biāo)進行共同決策。

本文主要研究了刀間距、刃寬和貫入度對破巖載荷和破巖比能的影響規(guī)律，對各組試驗的巖碴形貌、尺寸和級配的分析尚不充分；同時，本文僅針對33.02 cm(13英寸)和43.18 cm(17英寸)滾刀開展了試驗，而48.26 cm(19英寸)滾刀目前已經(jīng)得到較為廣泛的應(yīng)用，但是關(guān)于48.26 cm(19英寸)滾刀的破巖試驗?zāi)壳吧胁欢嘁姡瑪M在后續(xù)開展相關(guān)研究。