盾構(gòu)直接掘進(jìn)含孤石地層的刀盤刀具振動(dòng)相似模型試驗(yàn)*

曾垂剛，陳瑞祥，楊振興，姜宗恒，王國(guó)安，趙 毅

(1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001； 2.中國(guó)中鐵隧道集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458；3.中國(guó)中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引言

含孤石地層是盾構(gòu)隧道工程遭遇的不良地質(zhì)條件之一[1-3]，屬于花崗巖的不均勻風(fēng)化層，常見于珠三角地區(qū)。由于孤石埋藏分布是隨機(jī)的，且性狀各異，大小不同，單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)到200MPa，因此盾構(gòu)掘進(jìn)含孤石地層有較大施工風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)致盾構(gòu)姿態(tài)和掘進(jìn)方向難以控制，刀具過量磨損，進(jìn)而引起地層噴涌、塌方、刀盤被卡、主軸承損壞或密封破壞等嚴(yán)重事故[4]。

目前，盾構(gòu)隧道對(duì)含孤石地層的應(yīng)對(duì)措施主要為超前探測(cè)、預(yù)處理、盾構(gòu)掘進(jìn)控制3個(gè)方面。超前探測(cè)方法主要為鉆探方法和工程物探方法。由于孤石分布無規(guī)律，尺寸不均，鉆探方法無法準(zhǔn)確、全面探測(cè)隧道沿線孤石情況[5]；工程物探方法屬于間接探測(cè)方法，應(yīng)用較多的有地震法、聲波探測(cè)法、孔中雷達(dá)法[6-7]。近幾年，部分學(xué)者試圖通過掘進(jìn)參數(shù)識(shí)別孤石，如周慶祥等[8]提出掘進(jìn)參數(shù)過渡態(tài)的概念，并通過研究過渡態(tài)的掘進(jìn)參數(shù)變化特征來識(shí)別孤石。劉建東等[9]、王旭東[10]結(jié)合盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，建立孤石地層SM識(shí)別模型及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別模型，利用盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了修正比能法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別效果。處理孤石的方法較多，且處理經(jīng)驗(yàn)豐富[11-13]，如地表預(yù)處理方法、洞內(nèi)處理方法等。孤石預(yù)處理方法受周邊環(huán)境的影響較大，且應(yīng)綜合考慮技術(shù)、成本、工期、安全等因素。對(duì)于盾構(gòu)掘進(jìn)控制方法，通過控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)以減少對(duì)周圍地層的擾動(dòng)影響，從而達(dá)到破巖和掘進(jìn)的目的[14-16]。

利用盾構(gòu)機(jī)直接掘進(jìn)含孤石地層的控制方法具有施工效率高、工期短等特點(diǎn)，一方面對(duì)超前探測(cè)方法起到補(bǔ)充作用，確保掘進(jìn)安全、高效；另一方面減小了地層預(yù)處理的繁雜工程量。盾構(gòu)直接掘進(jìn)含孤石地層過程中刀盤刀具承受循環(huán)偏載、應(yīng)力集中等非均布反作用力，刀盤刀具存在局部振動(dòng)損傷、圍巖擾動(dòng)過大等問題。

目前，對(duì)于盾構(gòu)直接掘進(jìn)含孤石地層的刀盤刀具振動(dòng)損傷規(guī)律還未有深入研究，因此刀盤刀具結(jié)構(gòu)防振動(dòng)損傷設(shè)計(jì)缺乏依據(jù)。為了明確盾構(gòu)直接掘進(jìn)含孤石地層的刀盤刀具振動(dòng)規(guī)律，本文通過室內(nèi)相似模型試驗(yàn)?zāi)M全盤滾刀直接掘進(jìn)含孤石地層過程，測(cè)取模擬含孤石地層與刀盤刀具不同點(diǎn)位的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，研究地層和刀盤刀具的振動(dòng)規(guī)律，并提出了刀盤刀具對(duì)含孤石地層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求。

1 刀盤刀具直接掘進(jìn)含孤石地層的室內(nèi)試驗(yàn)

依托國(guó)內(nèi)某超大直徑海灣隧道工程，采用盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的盾構(gòu)TBM多模態(tài)綜合試驗(yàn)臺(tái)開展全盤滾刀直接掘進(jìn)含孤石地層的室內(nèi)模型試驗(yàn)，如圖1所示。通過配制孤石地層相似材料，布設(shè)地層與刀盤的振動(dòng)加速度傳感器，控制相似試驗(yàn)的刀盤掘進(jìn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)直接掘進(jìn)含孤石地層的過程模擬，測(cè)取地層與刀盤不同點(diǎn)位的振動(dòng)加速度時(shí)程曲線。

圖1 盾構(gòu)TBM多模態(tài)綜合試驗(yàn)臺(tái)

1.1 盾構(gòu)TBM多模態(tài)綜合試驗(yàn)臺(tái)

盾構(gòu)TBM多模態(tài)綜合試驗(yàn)臺(tái)主要包括掘進(jìn)控制系統(tǒng)、模型箱、出渣系統(tǒng)等，可實(shí)現(xiàn)刀盤刀具的垂直與水平向掘進(jìn)破巖過程模擬。試驗(yàn)臺(tái)刀盤共安裝有14把單刃滾刀，其滾刀刀座安裝在滑槽內(nèi)，可實(shí)現(xiàn)滾刀的不同破巖半徑及刀具間距的自由調(diào)整。刀盤的垂向運(yùn)動(dòng)由4個(gè)液壓缸控制，可實(shí)現(xiàn)刀盤滾刀的垂向破巖掘進(jìn)。刀盤的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由另一個(gè)液壓缸控制，可實(shí)現(xiàn)刀盤的環(huán)向滾動(dòng)破巖。刀盤推進(jìn)液壓油缸的最大總推力達(dá)4 000kN，旋轉(zhuǎn)液壓缸的總功率達(dá)2 500kN·m。刀盤的最大推進(jìn)速度和旋轉(zhuǎn)速度分別為50mm/min和6r/min。

模型箱用于澆筑或放置開挖地層。如果開挖地層為相似材料，通過在模型箱內(nèi)澆筑和夯壓相似材料，可實(shí)現(xiàn)對(duì)含孤石地層的模擬。模型箱外徑為2 280mm。

1.2 含孤石地層模型

1.2.1相似材料

由于無法獲取該海灣隧道工程的海底孤石，因此考慮采用相似材料模擬含孤石地層。首先，根據(jù)Froude Similitude Proportion比例定律及海灣隧道盾構(gòu)直徑與多模態(tài)綜合試驗(yàn)臺(tái)刀盤直徑，計(jì)算長(zhǎng)度比尺KL為1/6.55、應(yīng)力比尺Kσ為1/5、力比尺KF為1/124.51、扭矩比尺Kw為1/1 405.04、時(shí)間比尺KT為1/2.56。

根據(jù)對(duì)含孤石地層的鉆孔勘探，含孤石地層段的軟土為中、粗砂，孤石為微風(fēng)化花崗巖，球狀，直徑達(dá)5.5m，占隧道開挖面1/3。孤石的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。根據(jù)相似比尺，計(jì)算相似材料的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 孤石力學(xué)參數(shù)

表2 相似材料力學(xué)參數(shù)

為了獲得配制相似材料的基材比例，如水灰比、水砂比、骨料比等，選用42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥、中粗砂、重晶石粉、礦渣作為不同相似材料配合比設(shè)計(jì)的基本材料開展正交試驗(yàn)。根據(jù)設(shè)計(jì)的8組微風(fēng)化花崗巖相似材料配合比，制作成φ50×100相似材料試樣，如圖2所示。對(duì)相似試樣開展室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)取單軸抗壓強(qiáng)度、密度和彈性模量，并選擇滿足物理力學(xué)參數(shù)相似要求的相似配合比。最終，微風(fēng)化花崗巖的最優(yōu)相似材料配合比如表3所示。

圖2 相似材料巖樣

表3 相似材料配比和室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

1.2.2含孤石地層模型

根據(jù)該海灣隧道工程地質(zhì)情況，中粗砂層采用細(xì)砂堆填，定義強(qiáng)度為0MPa；孤石采用已配制相似材料立模澆筑而成，單軸抗壓強(qiáng)度為44.16MPa，孤石模型直徑為0.84m，高度為0.8m，呈圓柱狀。

含孤石地層采用圓形模板澆筑孤石模型，待孤石養(yǎng)護(hù)完成后，拆除模板，并填筑細(xì)砂至高度0.8m，如圖3所示。

圖3 含孤石地層模型及傳感器布設(shè)

1.2.3傳感器布設(shè)

在巖盤模擬土層內(nèi)布設(shè)加速度傳感器1個(gè)，埋深0.4m，測(cè)取x，y，z3個(gè)方向加速度，其中z方向?yàn)槎軜?gòu)機(jī)掘進(jìn)方向，x，y方向平行于巖盤面。在孤石模型中布設(shè)4個(gè)應(yīng)變片測(cè)點(diǎn)，每個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)取3個(gè)方向應(yīng)變量；布設(shè)1個(gè)三向加速度傳感器，布置在10號(hào)滾刀軌跡線，具體如圖3所示。

另外，刀盤的6個(gè)部位布設(shè)三向加速度傳感器，如圖4所示，半徑與位置如表4所示。

表4 刀盤上加速度傳感器安裝半徑和位置

圖4 刀盤加速度傳感器布設(shè)

1.3 刀盤刀具直接掘進(jìn)

根據(jù)該海灣隧道工程盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和相似比尺，設(shè)定刀盤轉(zhuǎn)速為0.1～1.6r/min。考慮到孤石掘進(jìn)困難，降低刀盤轉(zhuǎn)速開展試驗(yàn)，刀盤轉(zhuǎn)速采用0.1，0.3，0.8r/min 3個(gè)控制參數(shù)，每個(gè)參數(shù)下設(shè)置2，5，8，11，14，17，20，23，26，29，32mm/min等多個(gè)推進(jìn)速度，共記錄33組掘進(jìn)參數(shù)下的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)，如表5所示。

表5 掘進(jìn)參數(shù)

試驗(yàn)過程中，持續(xù)不間斷記錄三向加速度值的時(shí)域曲線，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)相似地層與刀盤的振動(dòng)變化。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 巖盤內(nèi)置加速度

統(tǒng)計(jì)與分析巖盤內(nèi)置加速度傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)時(shí)程曲線進(jìn)行傅里葉轉(zhuǎn)換，得到加速度值頻域曲線。根據(jù)孤石模型內(nèi)的加速度傳感器產(chǎn)生的振動(dòng)曲線可以看出：不同位置的振動(dòng)傳感器振動(dòng)加速度時(shí)程曲線稍有差異，這與傳感器所處滾刀滾壓軌跡有關(guān)；刀盤滾刀破巖引起地層微應(yīng)變，使得地層振動(dòng)頻率偏低，振幅偏小；滾刀掘進(jìn)孤石地層中，地層振動(dòng)屬于低頻振動(dòng)，地層振動(dòng)頻率僅為0～5Hz。

2.2 刀盤各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度有效均值

三向振動(dòng)加速度傳感器可以測(cè)取x，y，z方向振動(dòng)加速度值，方向兩兩垂直。規(guī)定x方向?yàn)榈侗P徑向方向，y方向?yàn)榈侗P環(huán)向方向，z方向?yàn)榈侗P掘進(jìn)方向(即刀盤軸向方向)。根據(jù)擬定3組刀盤轉(zhuǎn)速，開展刀盤刀具掘進(jìn)孤石地層的試驗(yàn)，記錄、篩選刀盤各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度值。N4加速度傳感器在3個(gè)方向的振動(dòng)加速度隨時(shí)間變化如圖5所示。

圖5 N4測(cè)點(diǎn)三向振動(dòng)加速度變化曲線

由于刀盤旋轉(zhuǎn)破巖，則N4測(cè)點(diǎn)的三向振動(dòng)加速度值整體呈正余弦分布，每個(gè)時(shí)刻點(diǎn)扣除重力加速度后為測(cè)點(diǎn)實(shí)際三向振動(dòng)加速度值。

記錄、篩選、整理每組掘進(jìn)參數(shù)各測(cè)點(diǎn)的三向振動(dòng)加速度值，并計(jì)算各組掘進(jìn)參數(shù)各測(cè)點(diǎn)加速度值的平均值、有效值等。依據(jù)各測(cè)點(diǎn)位置半徑繪制3組刀盤轉(zhuǎn)速下6個(gè)測(cè)點(diǎn)的三向振動(dòng)加速度有效值曲線，如圖6～8所示。

圖6 N1～N6測(cè)點(diǎn)在5個(gè)刀盤轉(zhuǎn)速下x方向加速度幅值有效均值

圖7 N1～N6測(cè)點(diǎn)在5個(gè)刀盤轉(zhuǎn)速下y方向加速度幅值有效均值

圖8 N1～N6測(cè)點(diǎn)在5個(gè)刀盤轉(zhuǎn)速下z方向加速度幅值有效均值

由圖6～8可知，各測(cè)點(diǎn)三向振動(dòng)加速度值隨刀盤轉(zhuǎn)速的變化趨勢(shì)相同，且x，y方向振動(dòng)加速度隨刀盤轉(zhuǎn)速增大趨勢(shì)明顯，z方向振動(dòng)加速度有減小趨勢(shì)，但相差不大；分析其原因，增大刀盤轉(zhuǎn)速，可以降低刀盤環(huán)向振動(dòng)加速度。

同時(shí)，隨各測(cè)點(diǎn)半徑從小到大排列，刀盤x方向、z方向振動(dòng)加速度值沿刀盤直徑方向整體呈增大趨勢(shì)，y方向振動(dòng)加速度值相差不大。N1，N5，N2測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度值在x方向、z方向存在“W”形變化。分析其原因，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度值與刀盤結(jié)構(gòu)具有較大關(guān)系，雖然N1，N5，N2測(cè)點(diǎn)半徑相近，但N5的結(jié)構(gòu)剛度優(yōu)于N1，N2測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)剛度，因此N5的振動(dòng)加速度有效值小于N1，N2的振動(dòng)加速度有效值。由此推斷，建議盾構(gòu)掘進(jìn)含孤石地層時(shí)，應(yīng)根據(jù)孤石位置適當(dāng)增大其破巖滾刀處的結(jié)構(gòu)剛度。

3 結(jié)語

為了獲得盾構(gòu)掘進(jìn)孤石地層過程中刀盤振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律，依托國(guó)內(nèi)某超大直徑海灣隧道工程開展刀盤滾刀掘進(jìn)含孤石地層的室內(nèi)模型試驗(yàn)。通過計(jì)算相似比尺，選用42.5號(hào)普通硅酸鹽水泥、中粗砂、重晶石粉、礦渣配制相似材料，制作含孤石的地層模型，并對(duì)刀盤不同位置采用加速度傳感器監(jiān)測(cè)刀盤振動(dòng)加速度值，開展了33組掘進(jìn)參數(shù)下刀盤掘進(jìn)含孤石地層試驗(yàn)。從試驗(yàn)結(jié)果可以得出如下結(jié)論。

1)盾構(gòu)掘進(jìn)含孤石地層時(shí)，地層振動(dòng)頻率僅為0～5Hz，屬于低頻振動(dòng)。

2)從刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)振動(dòng)加速度值的影響來看，刀盤不同位置的徑向、軸向振動(dòng)加速度值隨刀盤轉(zhuǎn)速增大而增大，環(huán)向方向振動(dòng)加速度值變化不大。因此，刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中宜考慮刀盤徑向、軸向的振動(dòng)響應(yīng)。

3)刀盤不同位置的振動(dòng)加速度值與刀盤結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，結(jié)構(gòu)剛度越大，振動(dòng)加速度越小。因此，盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)中宜根據(jù)地層軟硬不均程度調(diào)整刀盤結(jié)構(gòu)剛度。