TBM盤形滾刀破碎飽水巖石實驗研究

祝貴祥，賀力克，譚青,3，姚之威，張逸超

(1.中南大學 機電工程學院，湖南 長沙410083；2.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院 電氣工程學院，湖南 長沙410208；3.中南大學 高性能復雜制造國家重點實驗室，湖南 長沙410083)

隨著我國地下空間隧道建設(shè)的高速發(fā)展，全斷面巖石掘進機(TBM)以其掘進高效率、高可靠性等諸多優(yōu)點而被廣泛應用于地下隧道開挖，而盤形滾刀作為刀盤的重要組成，在工作過程中不僅破巖量大，而且破碎速度快，直接影響著掘進工程的效率和開挖面的穩(wěn)定[1-3]。由于TBM 工作環(huán)境極其惡劣，經(jīng)常會受到復雜地質(zhì)條件如高地應力、高水壓和溫度引起的熱應力等因素的影響，巖石表現(xiàn)出截然不同的物理力學特性，進而造成盤形滾刀磨損量大、破巖效率低、隧道穩(wěn)定性差等施工問題[4]。張桂菊等[5]研究在巖石溫度變化條件下盤形滾刀掘進參數(shù)對破巖特性的影響，發(fā)現(xiàn)巖石溫度升高，不僅降低了巖石硬度、強度等力學性質(zhì)，而且能增強滾刀之間的協(xié)同作用，提高破巖效率；徐孜軍等[6-7]研究雙切刀順次作用下的破巖機制，研究表明切刀順次作用時前切削刀具刮過的巖面留下了大量殘余裂紋，造成了后續(xù)刀具切削水平力的減小和巖土的易切削性，并利用離散元法研究盾構(gòu)切刀作用下巖石的動態(tài)響應機制；張春會等[8]開展砂巖不用圍壓和飽水度下的力學實驗，研究表明砂巖模量隨著圍壓增加而增加，隨著飽水度增加而降低，且砂巖強度與飽水度有近似自然對數(shù)的數(shù)學關(guān)系；盧應發(fā)等[9]對大孔隙率砂巖在不同飽和液體情況下的力學特性進行試驗研究，試驗結(jié)果表明大孔隙率砂巖存在臨界圍壓和臨界飽和度，超過此臨界值，砂巖的破壞形式和力學特性將發(fā)生較大的改變；譚青等[10]研究盤形滾刀切削不同類型飽水硬巖和軟巖的破巖特性，試驗表明飽水后巖石破碎塊度增大，硬巖破碎量下降軟巖破碎量增加，而飽水后硬巖破碎的比能耗下降明顯，軟巖破碎比能耗則上升；夏冬等[11]為研究不同浸水時間飽水巖石損傷破壞過程中的力學特性，對天然及不同浸水時間的飽水閃長巖進行單軸壓縮力學試驗，結(jié)果表明飽水巖石的單軸抗壓強度和彈性模量隨浸水時間的增加呈指數(shù)的變化規(guī)律逐漸減小，浸水60 d 后其值均趨于穩(wěn)定。上述的研究成果表明，除了掘進參數(shù)和地質(zhì)因素會影響滾刀的破巖特性之外，地下水也是影響地下工程巖體穩(wěn)定性的重要因素之一[12-13]。富水地層是隧道開挖過程中常見的不良地質(zhì)，常見于過江跨海隧道或地下暗河等地層，該地層巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖含水量高且長時間受水浸泡，巖性較復雜，其物理力學性質(zhì)發(fā)生改變，這種刀-巖-水相互作用的關(guān)系，極大地影響了巖石的強度、特性以及TBM盤形滾刀破巖特性[14-16]。因此，研究巖石飽水對盤形滾刀切削性能的影響，對重大工程的設(shè)計與實踐具有重要意義。本文以砂巖為研究對象，開展干燥與飽水條件下的滾刀直線切削實驗，分析滾刀破巖切削參數(shù)與三向力的關(guān)系以及比能耗特性，對隧道掘進或巖石開采等具有一定的工程意義。

1 實驗部分

1.1 實驗裝置

實驗采用的是滾刀直線切削破巖多功能實驗臺，如圖1所示，該實驗臺主要由控制臺、液壓系統(tǒng)、測試采集系統(tǒng)和滾刀破巖工作臺組成，實驗臺整個動作系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)提供。垂直方向上，安裝在活動橫梁下的盤形滾刀在垂直油缸的作用下可以實現(xiàn)上下直線運動，且活動橫梁的四周加有4 根螺桿，能夠?qū)崿F(xiàn)活動橫梁的機械鎖死功能，從而保證滾刀切削過程其切削深度恒定不變。橫向方向上，可以利用橫向油缸的作用實現(xiàn)巖石料倉橫向移動，進而實現(xiàn)不同刀間距下滾刀切削破巖實驗。滾刀移動速度和巖石所受載荷可以通過控制液壓系統(tǒng)油壓或流量大小來實現(xiàn)。

實驗中使用的應變式三向力傳感器靈敏度大于1.0 mV/V，垂直方向的最大量程為120 kN，側(cè)向和水平的最大量程為60 kN。直線切削實驗采用實際工程中使用的17 寸常截面滾刀，固定安裝在自制的刀架上。圖2所示為滾刀所受三向力的示意圖。

圖1 滾刀直線切削多功能實驗臺Fig.1 Multifunctional TBM cutter performance test bench with disc cutter

圖2 滾刀受力示意圖Fig.2 Forces acting on the disc cutter

1.2 試樣準備

本實驗選用具有較高強度、吸水能力和較高孔隙率的紅砂巖作為實驗對象，尺寸為900 mm×400 mm×270 mm，置于鋼制的巖石料倉中并填充混凝土固定，這樣不但可以防止巖石試樣在切削過程中發(fā)生較大規(guī)模的開裂，減少邊緣效應，還可以模擬地下巖層，使巖石有了一定的被動圍壓。

將巖石試樣分為飽水組和干燥組，分別進行切削實驗。飽水組巖石試樣的飽水過程借鑒文獻[17]對大型巖石樣本的逐步飽水法，該方法主要依靠高滲透性巖石的毛細吸水能力，能夠?qū)r石試樣內(nèi)部干燥區(qū)域的孔隙氣體逐步驅(qū)趕出來，具有更好的飽水效果。砂巖主要物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 實驗材料物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock sample

1.3 實驗方案

直線切削實驗臺可以實現(xiàn)3 種切削參數(shù)的運動控制，分別是刀間距、貫入度和切削速度?？紤]到實驗所用滾刀具有較大的尺寸，因此本次實驗選取較大的貫入度和刀間距作為實驗參數(shù)，切削速度為40 mm/s。實驗組分為飽水組和干燥組，具體的實驗參數(shù)如表2和表3所示。

表2 滾刀切削干燥組砂巖切削參數(shù)Table 2 Cutting parameters under dry condition

表3 滾刀切削飽水組砂巖切削參數(shù)Table 3 Cutting parameters under saturate condition

上述參數(shù)的選取原則是為了便于利用刀間距/貫入度(S/P)分析最優(yōu)的刀間距和貫入度組合；同時，對飽水組還選取了144 mm 和216 mm 這些較大的刀間距，以便更好地分析巖石飽水對破巖特性的影響。

試樣準備完畢并置于巖石料倉中固定并保持水平，實驗開始時將滾刀調(diào)節(jié)至最低點與巖石上表面恰好接觸，在此基礎(chǔ)上向下移動滾刀至特定的貫入度位置，鎖緊活動橫梁螺母保證貫入度恒定。之后對選定的切削參數(shù)組合實驗組進行切削道設(shè)計，包括切削道數(shù)量、位置和長度，每個實驗組按照貫入度和刀間距從小到大的順序?qū)嶒?。開展實驗時，在每條切削道的起點開始采集刀架應變(三向力)，每個實驗組切削完成后，對巖石破碎塊進行收集，之后稱重。重復以上步驟，直至所有實驗組完成。

2 實驗結(jié)果與分析

2.1 切削參數(shù)對切削載荷的影響

通過控制不同的刀間距、貫入度組合，并記錄滾刀切削巖石過程中的垂直力、滾動力和側(cè)向力，得到砂巖在干燥和飽水2 種條件下刀間距與三向力的關(guān)系，為了得到在不同切削參數(shù)下切削載荷的變化趨勢，對數(shù)據(jù)采用線性擬合的方法，圖中每一橫坐標下有不同的數(shù)據(jù)點，分別代表不同的切削參數(shù)組合，如圖3所示，其中F為切削力，S為刀間距。圖3(a)，3(b)和3(c)分別為垂直力、滾動力、側(cè)向力與刀間距的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著刀間距的增大，垂直力和滾動力逐漸增大，而側(cè)向力具有較大的離散性，沒有明顯的規(guī)律。由滾刀破巖理論可知，無論對于干燥還是飽水巖石，刀間距的增加均會減弱相鄰切削的協(xié)同作用，巖石會由過度破碎向裂紋無法貫通的方向發(fā)展，因此導致破巖載荷變大，滾動力和垂直力上升。并且對于飽水巖石來說，刀間距對垂直力的影響要比切削干燥巖石更為突出。

觀察干燥和飽水條件下三向力的變化可以發(fā)現(xiàn)，巖石飽水后滾刀破巖的垂直力和側(cè)向力均小于干燥條件下的垂直力和側(cè)向力，在刀間距相同的情況下二者分別下降20%～35%和8%～33%，這說明飽水會對巖石的強度產(chǎn)生一定的弱化作用，使得滾刀的破巖載荷降低，這與巖石力學測試實驗結(jié)論相符。

圖3 刀間距與三向力的關(guān)系Fig.3 Relationship between cutter spacing and force

分析干燥和飽水條件下滾刀貫入度與三向力的關(guān)系，如圖4所示，F(xiàn)為切削力，P為貫入度。圖3(a)，3(b)和3(c)分別為垂直力、滾動力、側(cè)向力與貫入度的關(guān)系。

從圖中可以看出，三向力均隨著貫入度的增加而增加，且飽水條件下的三向力小于干燥條件下的三向力。其中，隨著貫入度的增加，垂直力和滾動力增加較為明顯，P=9 mm 時相比P=3 mm 時干燥組垂直力增加60%，飽水組增加50%；滾動力均增加約200%；干燥組和飽水組的側(cè)向力均有增加，但是變化不大。與刀間距分析中一樣，飽水組和干燥組的垂直力差距較大，在刀間距相同的情況下，飽水后垂直力下降25%～33%，滾動力差別較小。

圖4 貫入度與三向力的關(guān)系Fig.4 Relationship between penetration and force

2.2 切削參數(shù)對切削系數(shù)的影響

切削系數(shù)，即CC(cutting coefficient)，表征為滾動力與垂直力之比[18]，如下式所示：

式中，F(xiàn)R為滾動力；FN為垂直力。它反應了某一刀盤推力下大致需要的刀盤扭矩。CC 值越大，表示推力相同時需要的扭矩越大。

在2.1 節(jié)對切削參數(shù)與三向力的分析中可以發(fā)現(xiàn)，巖石飽水前后滾刀切削巖石的垂直力、滾動力變化幅度不盡相同。每種巖石有其特定的切削系數(shù)，由此可以預估掘進設(shè)備特定推進力下所需的刀盤扭矩。圖5(a)和5(b)分別為巖石干燥和飽水條件下切削系數(shù)與刀間距和貫入度的關(guān)系。

圖5 切削參數(shù)與切削系數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between cutting parameters and coefficient

從圖中可以看出，隨著刀間距與貫入度的增加，干燥和飽水條件下的巖石切削系數(shù)均相應增加。這是因為，隨著刀間距和貫入度的增加，滾動力的增長速度大于垂直力的增長速度，由圖3和圖4便可得知。但區(qū)別在于圖5(a)中干燥與飽水條件下的CC 值差值要大于圖5(b)，這表明CC 值對刀間距變化的敏感程度要高于貫入度。

2.3 切削參數(shù)對比能耗的影響

滾刀切削巖石的刀間距和貫入度是一組重要的掘進參數(shù)，從直線破巖實驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同的刀間距貫入度組合下，滾刀的破巖載荷發(fā)生的變化較大，且具有一定的規(guī)律性，且不同的刀間距貫入度組合下巖石的破碎量也不同。根據(jù)滾刀不同的切削模式(協(xié)同模式和非協(xié)同模式)，當?shù)堕g距較小(協(xié)同作用較強)時，裂紋能相互貫通，并向巖石內(nèi)部擴展，造成過度破碎，如圖6(a)所示；當?shù)堕g距向最優(yōu)刀間距接近時，裂紋將基本沿直線擴展并與相鄰裂紋交匯，巖石恰好破碎，如圖6(b)所示；當?shù)堕g距進一步增大，裂紋只能向自由面擴展，在開挖面形成突起的巖脊，如圖6(c)所示，此時滾刀處于非協(xié)同切削模式。因此，研究破碎單位體積巖石消耗的破碎能耗對選擇最優(yōu)的刀間距貫入度組合(S/P)以及對切削效率的提高有重要的意義。

圖6 滾刀破巖模式Fig.6 Diagram of three cutting models

通過三向力測試結(jié)果，可以進一步計算出滾刀切削干燥和飽水巖石的比能耗。Gertsch 等[19]提出比能耗的概念，比能耗(SE)是指破碎單位體積巖石所消耗的能量，消耗能量越少，其破巖效率就越高。根據(jù)實際切削的破巖量可以計算出實際破巖比能耗(SEA)，計算公式如下：

式中：FR為滾動力平均值，kN；L為切削長度，mm；ρ為巖石密度，g/m3；m為實際破巖質(zhì)量，g。

此外，根據(jù)特定的貫入度P和刀間距S，由理論破巖體積定義計算的名義比能耗(SEN)公式如下：

圖7為干燥組和飽水組在不同刀間距、貫入度組合下的實際比能耗(SEA)和理論比能耗(SEN)。從圖中可以看出，對于干燥組和飽水組，實際比能耗隨著S/P的增大先降低后升高，存在最優(yōu)的刀間距、貫入度組合使得比能耗最低。這是由于S/P較小時，刀具間的協(xié)同作用較大，巖石產(chǎn)生了過度的破碎，消耗了更多的能量；隨著S/P的增大，相鄰切削產(chǎn)生的側(cè)向裂紋能逐漸延伸至貫通，此時巖石破碎所消耗的比能耗較低；當S/P繼續(xù)增加時，刀具間的協(xié)同作用減弱，側(cè)向裂紋不再相交，導致破巖載荷增加，破巖量減少，比能耗增加。同時從圖7中可以看出，不論是對于干燥組還是飽水組，在實驗組內(nèi)SEA均低于SEN，這說明實際的巖石破碎量大于理論值。

圖7 比能耗與S/P的關(guān)系Fig.7 Relationship between specific energy and the ratio of cutter spacing and penetration

對比干燥組和飽水組的實際比能耗，如圖8所示。2 個實驗組測得的曲線具有相同的變化規(guī)律，并且最優(yōu)刀間距、貫入度組合都處于S/P=20 左右的位置。不同的是巖石飽水后的實際比能耗要高于干燥組，在S/P=20 時，飽水組比能耗高出干燥組17%左右。這是由于水對巖石材料的物理化學作用，削弱了巖石破碎時裂紋的擴展能力，導致巖石的破碎量有所減少，因此破碎單位體積巖石的功反而增加。

圖8 干燥組與飽水組實際比能耗對比Fig.8 Contrast of specific energy under saturate and dry condition

3 結(jié)論

1)隨著刀間距的增大，垂直力和滾動力逐漸增大，側(cè)向力具有較大的離散性，沒有明顯的規(guī)律。在刀間距相同的情況下，巖石飽水后滾刀破巖的垂直力和側(cè)向力均小于干燥條件下的，分別下降20%～35%和8%～33%。隨著貫入度的增加，三向力均增加，垂直力和滾動力增加較為明顯，側(cè)向力變化不大。且飽水條件下的三向力小于干燥條件下的三向力，刀間距相同的情況下垂直力下降25%～33%，滾動力差別較小。

2)隨著刀間距與貫入度的增加，干燥和飽水條件下的巖石切削系數(shù)均相應增加。但區(qū)別在于刀間距變化時二者的CC 值差值要大于貫入度的變化，這表明CC 值對刀間距變化的敏感程度要高于貫入度。

3)實際比能耗隨著S/P的增大先降低后升高，最優(yōu)的刀間距、貫入度組合都處于S/P=20 左右時使得比能耗最低。對于干燥組和飽水組，在實驗組內(nèi)SEA均低于SEN，說明實際的破巖體積均大于理論值。并且由于水對巖石材料的物理化學作用，導致巖石飽水后的實際比能耗要高于干燥組，在S/P=20 時，飽水組比能耗高出干燥組17%左右。