硬巖掘進(jìn)機(jī)高壓水耦合破巖影響因素實(shí)驗(yàn)研究

朱團(tuán)輝, 李 光, 周小磊, 郭付軍, 許順海, 馮超強(qiáng)

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司設(shè)計(jì)研究總院，河南鄭州 450016)

引言

對(duì)于山體隧道等硬巖或超硬巖TBM施工過(guò)程中，采用傳統(tǒng)單純滾刀破巖效率低，滾刀磨損快，綜合掘進(jìn)效率低，因此急需開(kāi)發(fā)一種新的破巖方式。

高壓水射流切割技術(shù)是近幾十年發(fā)展起的新型切割、清洗、除垢(銹)、破巖新技術(shù)，正逐步應(yīng)用于機(jī)械、建筑、航空及軍工等領(lǐng)域[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新的抗壓材料以及制造精度的不斷提高，高壓水射流技術(shù)逐漸向超高壓、大流量方向發(fā)展，目前高壓水射流技術(shù)正逐步用于巖石破碎、切割與高精度材料、熱變形材料的加工與切割[2]，應(yīng)用領(lǐng)域隨技術(shù)發(fā)展不斷擴(kuò)大，新技術(shù)新領(lǐng)域不斷突破。

目前，對(duì)于高壓水射流破巖技術(shù)進(jìn)行了大量理論研究，也取得了一定的突破。雷光宇等[3]通過(guò)水射流動(dòng)態(tài)非線性有限元分析射流速度對(duì)巖石破壞效率影響，得出射流速度對(duì)高壓水射流破巖的影響較大，水射流沖擊巖石在接觸部位附近形成應(yīng)力集中，巖石的塑性應(yīng)變圍繞射流孔徑大致呈對(duì)稱(chēng)變化規(guī)律；CHEN等[4]在數(shù)值模型中設(shè)定2個(gè)閾值壓力，當(dāng)射流壓力大于第1個(gè)閾值壓力時(shí)，破巖機(jī)理主要靠水沖刷楔入效應(yīng)，當(dāng)大于第2個(gè)閾值壓力時(shí)，破巖機(jī)理是以水的錘擊為主的水錘效應(yīng)；施慧俊等[5]對(duì)高壓水射流切割工藝參數(shù)進(jìn)行了研究，獲得高壓水射流切割在切割混凝土?xí)r的最佳靶距范圍應(yīng)在30～40 mm之間,并分析后混合式射流切割機(jī)床具有最佳靶距的原因。

對(duì)于水射流破巖諸多影響因素以及破巖的復(fù)雜機(jī)理，目前仍不明確，仍有很大的研究空間。高壓水射流可以分為普通水射流、脈沖射流、空化射流、磨料水射流等，其復(fù)雜機(jī)理與影響因素的作用方式均有待進(jìn)一步研究。受目前技術(shù)限制，提高高壓水射流壓力、流量等將大大地提高研究使用成本，因此研究高壓水射流作用機(jī)理，明確高壓水射流主要影響因素作用機(jī)理，對(duì)于提高高壓水射流射流壓力和使用效率均具有重大意義。

本研究通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究不同噴嘴直徑、水射流壓力、噴嘴移動(dòng)速度對(duì)破巖效果的影響，結(jié)合TBM掘進(jìn)過(guò)程破巖貫入度(刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)一周推進(jìn)長(zhǎng)度)等參數(shù)，以巖石破碎深度與巖石破碎溝槽寬度為破巖效果測(cè)試指標(biāo)，研究不同條件下高壓水射流破巖效果，以及與TBM滾刀破巖耦合最佳的水射流破巖參數(shù)，并為進(jìn)一步探索高壓水射流破巖機(jī)理提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的建立與實(shí)驗(yàn)方案

由于高壓水射流破巖效果受破巖壓力、噴嘴直徑、噴嘴移動(dòng)速度等諸多因素影響，單一影響因素中又有諸多取值，為避免重復(fù)實(shí)驗(yàn)，本研究擬采用正交實(shí)驗(yàn)法對(duì)諸多因素進(jìn)行科學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究各影響因素對(duì)破巖深度、寬度的影響。實(shí)驗(yàn)變量分別是壓力p、噴嘴直徑d、移動(dòng)速度v、噴嘴角度θ，靶距40 mm定值。實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖堑玫皆诓煌邏核畢?shù)條件下切割巖石的效果，確定最優(yōu)破巖參數(shù)。判斷破巖效果指標(biāo)包括切槽深度H和切槽寬度L。在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，需測(cè)量不同水壓、噴嘴直徑下單個(gè)噴嘴的流量和功率。

表1 實(shí)驗(yàn)因素參數(shù)表

因TBM掘進(jìn)中采用高壓水射流輔助破巖主要針對(duì)硬巖掘進(jìn)，為控制變量，本實(shí)驗(yàn)采用樣品巖石為花崗巖(巖石硬度：f=11.1)，實(shí)驗(yàn)中盡可能采用統(tǒng)一硬度的巖石部位進(jìn)行切割，保證實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)確性，利用工具做出各平整實(shí)驗(yàn)面，如圖1、圖2所示。

圖1 巖石樣本

圖2 巖石切割樣本

實(shí)驗(yàn)中，利用高壓水切割機(jī)不同水壓、不同直徑噴嘴以及不同移動(dòng)速度對(duì)巖石平整面進(jìn)行切割，由于巖石表面破碎沖擊應(yīng)力作用結(jié)果不盡相同，同一切割參數(shù)下巖石表面向不同方向破碎，因此同一切割溝槽下測(cè)多組切割深度與切割寬度，分別取平均值，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確，如圖3、圖4所示。

圖3 水射流切割試樣

不同高壓水射流壓力下對(duì)應(yīng)噴嘴不同水射流速度，即對(duì)應(yīng)噴嘴不同功率，在實(shí)驗(yàn)中選取的0.33，0.53，0.74 mm噴嘴直徑與140，280 MPa水射流壓力下對(duì)應(yīng)的水射流速度與噴嘴對(duì)應(yīng)功率，如表2所示。

圖4 切割后試樣

表2 射流速度與射流功率表

2 不同影響因素對(duì)破巖效果影響分析

通過(guò)高壓水射流不同參數(shù)的正交試驗(yàn)，首先選取壓力140 MPa、靶距40 mm、沖射角90°，研究不同噴嘴直徑、不同噴嘴移動(dòng)速度對(duì)破巖結(jié)果的影響，如圖5、圖6所示。采用140 MPa高壓水射流破巖，靶距、噴嘴垂直巖石表面射流破巖時(shí)，在相同噴嘴直徑下，水射流破巖切深隨著噴嘴移動(dòng)速度增大而明顯下降，不同噴嘴直徑下破巖深度隨噴嘴移動(dòng)速度變化規(guī)律一致，但噴嘴直徑對(duì)切深影響效果不明顯。在噴嘴直徑分別為0.53 mm與0.74 mm、噴嘴移動(dòng)速度0.05～0.1 m/s時(shí)，噴嘴水射流切割深度接近硬巖TBM掘進(jìn)時(shí)的刀盤(pán)貫入度。當(dāng)巖石被切出不同深度溝槽時(shí)，滾刀在溝槽之間破巖，滾刀破巖方式由擠壓正應(yīng)力破巖轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓切削應(yīng)力破巖，因此當(dāng)水射流切深與刀盤(pán)貫入度相當(dāng)時(shí)，高壓水射流與滾刀耦合破巖具有良好的破巖效果，TBM正常破巖掘進(jìn)時(shí)，通常滾刀線速度大于該實(shí)驗(yàn)值。因此，不能大幅度降低刀盤(pán)轉(zhuǎn)速來(lái)改善水射流破巖效果，這樣反而降低掘進(jìn)效率。

水射流沖擊巖石，在沖擊點(diǎn)處會(huì)形成應(yīng)力集中，隨著時(shí)間不斷向四周擴(kuò)散，形成破巖。從圖6可以看出，噴嘴移動(dòng)速度對(duì)水射流破巖切割寬度有一定影響，水射流切割寬度隨噴嘴移動(dòng)速度增大呈一定的下降趨勢(shì)。同時(shí)噴嘴直徑大小對(duì)水射流破巖切割寬度作用明顯；噴嘴直徑越大，水射流破巖寬度越大；切割寬度與滾刀布置密集程度有關(guān)，與掘進(jìn)面破巖效率相關(guān)，破巖寬度增加，可提高破巖效率同時(shí)適當(dāng)減少滾刀布置，從而減少破巖滾刀消耗，降低TBM破巖掘進(jìn)成本。

圖5 140 MPa不同靶速下切深曲線

圖6 140 MPa不同靶速下切寬曲線

對(duì)在280 MPa、靶距40 mm、沖射角90°下不同噴嘴直徑、不同噴嘴移動(dòng)速度對(duì)破巖結(jié)果的影響進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析,如圖7、圖8所示。水射流破巖過(guò)程可以分為表面沖擊、沖擊擴(kuò)挖和沖擊緩滯3個(gè)階段[6]。從圖7可以看出，同一噴嘴直徑下，切深隨著噴嘴直徑的增加呈現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，說(shuō)明噴嘴移動(dòng)速度加快不利于水射流進(jìn)行破巖，水射流破巖時(shí)，水流對(duì)巖石沖擊作用是一個(gè)對(duì)巖石反復(fù)作用的過(guò)程。對(duì)比圖5與圖7可以看出，對(duì)于同一噴嘴直徑與噴嘴移動(dòng)速度，280 MPa下射流破巖深度比140 MPa下明顯增大，不同噴嘴移動(dòng)速度下增大2～3 mm破巖深度，說(shuō)明破巖深度與水射流壓力(即水流沖擊巖石速度)直接相關(guān)。同時(shí)在280 MPa下噴嘴移動(dòng)速度在0.05～0.15 m/s時(shí)切割深度均接近TBM硬巖掘進(jìn)刀盤(pán)貫入度，比140 MPa下噴嘴移動(dòng)速度有明顯提升。同時(shí)，與140 MPa下噴嘴直徑對(duì)水射流切深影響作用不同，280 MPa下同一噴嘴移動(dòng)速度時(shí)，噴嘴直徑對(duì)水射流對(duì)巖石切深作用明顯，噴嘴直徑越大，同樣噴嘴移動(dòng)速度下水射流破巖深度也就越大。

高壓水射流破巖能量表征為沖蝕坑的形成和對(duì)巖體的沖擊破壞,射流能量耗散于剪切面的擴(kuò)展和滑動(dòng),儲(chǔ)存彈性勢(shì)能的釋放導(dǎo)致巖體的整體體積破壞[7]。從圖8可以看出，同一射流壓力下，射流切寬隨噴嘴移動(dòng)速度增大下降不明顯，說(shuō)明隨著射流壓力增大，水流沖擊巖石作用加快，水流沖擊破碎巖石相互作用所需時(shí)間明顯縮短。同時(shí)，與140 MPa射流壓力作用破巖寬度相比，280 MPa同一噴嘴直徑、同一噴嘴移動(dòng)速度下切寬并沒(méi)有明顯改善，并且在0.05 m/s噴嘴移動(dòng)速度下呈下降趨勢(shì)，說(shuō)明隨著水射流沖擊壓力作用增大，水流對(duì)巖石垂直作用增大，破巖深度加大，但由于破巖深度增加導(dǎo)致水射流沖擊巖石水平方向作用降低，射流沖擊水平作用方向切寬有一定減小。

圖7 280 MPa不同靶速切深曲線

圖8 280 MPa不同靶速切寬曲線

對(duì)靶距40 mm、沖射角90°下，在不同高壓水射流壓力、不同噴嘴直徑、不同噴嘴移動(dòng)速度對(duì)破巖結(jié)果的影響進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，如圖9、圖10所示，在其他條件相同時(shí)，不同水射流壓力對(duì)破巖切深效果影響明顯，即水射流壓力越大，水射流破巖切深也就越大，且該破巖作用規(guī)律在0.33, 0.53, 0.74 mm直徑噴嘴下均表現(xiàn)明顯。因此可知，當(dāng)高壓水射流沖擊與TBM滾刀耦合破巖時(shí)，相同直徑噴嘴下提高水射流壓力，有利于在較大刀盤(pán)轉(zhuǎn)速下高壓水切割破巖深度仍能滿足不小于刀盤(pán)貫入度，從而提高耦合破巖效率。

對(duì)比圖9、圖10，切割寬度主要受?chē)娮熘睆接绊?，增大水射流壓力?duì)提高相同噴嘴直徑、噴嘴移動(dòng)速度下水射流切寬具有促進(jìn)作用。高壓水射流壓力在巖石模型強(qiáng)度以下時(shí),截割力峰值相對(duì)于機(jī)械截齒單獨(dú)破巖有所降低,但比能耗沒(méi)有明顯降低;高壓水射流壓力大于巖石模型強(qiáng)度時(shí),截齒受力綜合水平、比能耗均有明顯改善[8]。

圖9 不同噴嘴直徑不同靶速下切寬曲線

圖10 不同噴嘴直徑不同靶速下切深曲線

對(duì)于正交實(shí)驗(yàn)，可以利用直觀分析或方差分析來(lái)確定各個(gè)因素(噴嘴直徑、射流壓力、移動(dòng)速度等)對(duì)破巖效果(切寬、切深)的影響大小，經(jīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)利用極差法分析可知，對(duì)于破巖切深效果而言，各因素影響大小依次為：射流壓力、移動(dòng)速度、噴嘴直徑；對(duì)于破巖切寬效果來(lái)說(shuō)，各因素影響大小依次為：噴嘴直徑、噴嘴移動(dòng)速度、水射流壓力。因此可以根據(jù)諸因素對(duì)水射流影響效果大小科學(xué)設(shè)置破巖水射流參數(shù)，達(dá)到提高破巖效率、降低高壓水射流功耗與水耗等目的，提高高壓水射流破巖應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)性。

水射流沖擊射流壓力較低時(shí)以表面沖蝕巖石為主,射流壓力達(dá)到一定值才能使巖石損傷破壞,出現(xiàn)放射性裂紋和層狀裂紋[9]。同時(shí)，對(duì)比不同直徑噴嘴下相同壓力、相同噴嘴移動(dòng)速度水射流破巖軌跡不難發(fā)現(xiàn)，巖石中的拉應(yīng)力區(qū)大部分轉(zhuǎn)化為壓應(yīng)力區(qū)，在圍壓作用下更難破碎[10]。如圖11、圖12，噴嘴直徑增大時(shí)，水射流沖擊更易造成巖石由于表面水平方向同向異性，導(dǎo)致巖石受高壓沖擊水平應(yīng)力不均而使巖石整塊脫落，形成大面積坑洼處，這同樣有利于與TBM滾刀耦合破巖時(shí)在滾刀切削應(yīng)力下的整塊巖石破碎，提高TBM掘進(jìn)效率。

以上實(shí)驗(yàn)中均是對(duì)于高壓水射流噴嘴方向垂直于巖石表面，即TBM掘進(jìn)時(shí)高壓水射流方向垂直于刀盤(pán)工作面，下面主要選取不同壓力(140，280 MPa)、靶距40 mm、不同噴嘴沖射角(90°，80°，75°，60°)下不同噴嘴直徑、相同噴嘴移動(dòng)速度(0.1 m/s)對(duì)破巖結(jié)果的影響，從圖13、圖14可以看出，適當(dāng)降低噴嘴入射角有助于增大水射流破巖深度。對(duì)于同一射流壓力下，當(dāng)噴嘴由垂直巖石表面至與巖石表面成75°角過(guò)程中，高壓水射流噴嘴直徑越大，高壓水射流切割巖石切深逐漸增大，即降低噴嘴與巖石表面夾角有利于提高高壓水射流破巖深度。同時(shí)對(duì)比不同壓力下噴嘴傾角逐漸減小過(guò)程，在280 MPa下水射流破巖深度隨傾角減小而增大更加明顯，說(shuō)明高壓力下適當(dāng)減小傾角更加有利于提高水射流破巖深度，從而提高在相同壓力、相同噴嘴直徑與噴嘴功率下的破巖效率。

圖11 不同噴嘴直徑不同靶速下切寬效果

圖12 不同噴嘴直徑不同靶速下切深曲線

同時(shí)，對(duì)比不同傾角下高壓水射流破巖切割寬度效果，如圖15、圖16所示，在相同壓力、相同噴嘴直徑與噴嘴移動(dòng)速度下，水射流破巖切寬隨著噴嘴與巖石表面夾角減小而減小，說(shuō)明傾角減小有利于增大高壓水破巖切深，但將減小高壓水射流切寬，這可能是由于適當(dāng)減小傾角將有利于高壓水射流破巖沖擊后排出，從而不會(huì)對(duì)水平方向巖石產(chǎn)生過(guò)大沖擊。

圖13 140 MPa不同噴嘴直徑不同傾角切深曲線

圖14 280 MPa不同噴嘴直徑不同傾角切深曲線

圖15 140 MPa不同噴嘴直徑不同傾角切寬曲線

圖16 280 MPa不同噴嘴直徑不同傾角切寬曲線

3 結(jié)論

高壓水射流沖擊破巖和高壓水射流結(jié)合機(jī)械齒作為一種清潔高效的破巖方法，由于對(duì)其破巖機(jī)理研究較少，應(yīng)用范圍不大[11]。本研究通過(guò)設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)研究了高壓水射流的射流壓力、噴嘴直徑、噴嘴移動(dòng)速度與噴嘴沖射角等射流主要參數(shù)對(duì)高壓水射流破巖效果(主要指標(biāo)：破巖切深、切寬)的影響，通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)：

(1) 通過(guò)對(duì)比不同壓力(140, 280 MPa)、靶距40 mm、沖射角90°下不同噴嘴直徑、不同噴嘴移動(dòng)速度對(duì)破巖結(jié)果的影響可知，在其他射流條件相同時(shí)，高壓水射流切深在低壓力下噴嘴直徑增大，對(duì)水射流切深影響不明顯，在高壓力時(shí)隨著噴嘴直徑增大而增大，隨著噴嘴移動(dòng)速度的增大而減小，并且高壓水射流切深隨著壓力增加而增大，對(duì)于高壓水射流與TBM滾刀耦合破巖，可以選取噴嘴功率低而切深與TBM硬巖掘進(jìn)滾刀破巖貫入度相近的壓力、噴嘴直徑等參數(shù)，提高耦合破巖效率而又降低總破巖消耗功率；

(2) 正交實(shí)驗(yàn)其他條件相同下，高壓水射流切寬則主要受?chē)娮熘睆接绊?，噴嘴直徑越大，水射流破巖切寬也就越大，同時(shí)受高壓水射流壓力影響，水射流壓力增大有利于增大破巖切寬，水射流破巖切寬受?chē)娮煲苿?dòng)速度影響不明顯，特別是在射流壓力高時(shí)，由于高壓水沖擊破巖作用較快，切寬受?chē)娮煲苿?dòng)速度影響不明顯；

(3)通過(guò)對(duì)比正交試驗(yàn)不同水射流與巖石表面沖射角可知，對(duì)于水射流噴嘴與巖石表面不同沖射夾角，在壓力等其他條件相同時(shí)，水射流切深在沖射角90°～75°范圍內(nèi)隨著沖射角的較小而有所增大，因此適當(dāng)減少水射流沖射角有利于提高水切割切深，但降低水射流沖射角使水射流切寬下降，對(duì)水射流破巖產(chǎn)生不利影響，高壓水射流搭載TBM硬巖耦合掘進(jìn)時(shí)，可適當(dāng)考慮減少?zèng)_射角以增大水射流切深，可在低水射流能耗下達(dá)到TBM硬巖掘進(jìn)貫入度，從而降低耦合破巖總功率，提高耦合破巖效率。