適用于北山花崗巖的小直徑盲井掘進(jìn)機(jī)滾刀刃型初探

馬亞楠，龔秋明，殷麗君，康樂

（北京工業(yè)大學(xué) 城市防災(zāi)與減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100124）

目前，各國比較認(rèn)可的高放廢物處置方案是深地質(zhì)處置［1］。我國高放廢物地質(zhì)處置地下實(shí)驗(yàn)室工程選址于甘肅省北山新場，巖體條件為高完整性、高強(qiáng)度花崗巖［2］。場址內(nèi)鉆孔巖心測試結(jié)果表明：巖石單軸抗壓強(qiáng)度平均值為172 MPa，最高單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)235 MPa，巖石的磨蝕性極高，其Cerchar 磨蝕性指數(shù)值均在4 以上。根據(jù)我國地下實(shí)驗(yàn)室研發(fā)規(guī)劃，在地下實(shí)驗(yàn)室建成后即將開展工程屏障長期性能現(xiàn)場試驗(yàn)，而開展這一試驗(yàn)的前提是需要開挖處置坑。處置坑要求成硐精度高、圍巖損傷小，而鉆爆法難以滿足處置坑開挖的要求，因此芬蘭［3］、瑞典［4］等國家均采用機(jī)械法進(jìn)行處置坑施工。盲井掘進(jìn)機(jī)破巖依賴滾刀與巖石的相互作用，在滾刀作用下巖石內(nèi)部產(chǎn)生裂紋，相鄰裂紋之間的擴(kuò)展貫通形成巖片，達(dá)到破巖的目的［5］。滾刀的破巖效率直接影響工程施工的進(jìn)度和成本。通過研究不同刃型滾刀的破巖機(jī)理，設(shè)計(jì)適用于北山高強(qiáng)度、高磨蝕性的花崗巖地層的滾刀對提高開挖設(shè)備的破巖效率至關(guān)重要。

國內(nèi)外學(xué)者通過理論分析和室內(nèi)試驗(yàn)來研究滾刀的破巖荷載，并取得了豐富的成果。其研究成果可以概括為兩大理論，即擠壓破巖理論及擠壓、張拉與剪切綜合破巖理論。Evans等［6］、秋三藤太郎等［7］和Roxborough 等［8］根據(jù)擠壓破巖機(jī)理和壓頭侵入試驗(yàn)計(jì)算了滾刀破巖時(shí)所需的豎向力，認(rèn)為滾刀破巖力的大小與壓入巖石的橫截面積成正比。CSM 模型［9］綜合考慮了施工參數(shù)、滾刀設(shè)計(jì)與布置參數(shù)以及巖石的強(qiáng)度等對滾刀破巖力的影響，得到了廣泛的應(yīng)用。Balci 等［10］通過滾刀破巖試驗(yàn)對比分析了常截面滾刀和Ⅴ型滾刀破巖時(shí)的力學(xué)特征，并對常截面滾刀的破巖力預(yù)測模型從刀圈直徑和刃型參數(shù)等方面進(jìn)行了修正。Chiaia 等［11］結(jié)合理論和試驗(yàn)綜合分析了錐形、平底及球形等不同類型的壓頭侵入巖石過程中巖石的變形特點(diǎn)及應(yīng)力分布情況。Chen 等［12］利用侵入試驗(yàn)和聲發(fā)射設(shè)備比較了不同角度的楔刃滾刀侵入Charcoal 花崗巖和Berea 砂巖時(shí)的破巖機(jī)理，刀刃角越大越有利于裂紋的擴(kuò)展，所需的破巖力就越小，且較鈍的壓頭產(chǎn)生的聲發(fā)射點(diǎn)的聚集面更大。Li 等［13］根據(jù)不同刃角的Ⅴ型壓頭作用下的聲發(fā)射特征，也發(fā)現(xiàn)與巖石接觸面積越大的鈍刃刀具在破巖過程中產(chǎn)生的損傷核微震裂源聚集分布范圍越大。壓頭的形狀影響損傷核的發(fā)育，尖角刃刀具作用下巖石內(nèi)產(chǎn)生的損傷核呈“水滴狀”，鈍角刃刀具作用下巖石內(nèi)產(chǎn)生的損傷核呈“球狀”［14］。孫偉等［15］采用離散元軟件建立了滾刀破巖的仿真模型，研究了滾刀的不同刃型參數(shù)對滾刀破巖特征的影響，得到了刀圈刃寬、刃角等參數(shù)對裂紋擴(kuò)展特征、破巖體積以及比能等的影響規(guī)律。Zhang 等［16］建立了圓刃滾刀和楔刃滾刀破巖的數(shù)值模型，通過觀察裂紋的擴(kuò)展特征可知，圓刃滾刀作用下側(cè)向裂紋的擴(kuò)展范圍較大，而楔刃滾刀作用下豎向裂紋的擴(kuò)展范圍較大?，F(xiàn)有的研究主要集中在探討某些刃型參數(shù)對某一類型滾刀破巖的影響，雖具有參考意義，但無法為高強(qiáng)度高耐磨性的北山花崗巖進(jìn)行滾刀的適應(yīng)性設(shè)計(jì)提供具體依據(jù)。

本文設(shè)計(jì)并制作了適用于小直徑盲井掘進(jìn)機(jī)直徑為11 in 的平刃、楔刃及圓刃滾刀壓頭，對北山花崗巖巖樣進(jìn)行了侵入試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中利用聲發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測。獲得了不同刃型滾刀壓頭侵入破巖時(shí)侵入力和能耗隨貫入度的變化，以及不同刃型滾刀壓頭作用下巖樣內(nèi)部的損傷變化，其研究成果可為小直徑盲井掘進(jìn)機(jī)刀具選型提供參考。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)平臺

不同刃型滾刀的侵入試驗(yàn)在電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，此設(shè)備的軸向加載壓力為1 000 kN。試驗(yàn)空間位于主機(jī)的橫梁和下臺板之間，高度可以自由調(diào)整。試驗(yàn)機(jī)可以提供力和位移兩種加載方式，在加載過程中可以實(shí)時(shí)記錄侵入力與位移的關(guān)系。為了模擬滾刀侵入巖石的過程，自行設(shè)計(jì)加工了承載壓頭和剛性承壓平臺，如圖1 所示。

圖1 加載試驗(yàn)平臺Fig. 1 Indentation test platform for indenters with different blade shapes

1.2 聲發(fā)射系統(tǒng)

聲發(fā)射監(jiān)測系統(tǒng)主要記錄微破裂時(shí)釋放的能量及其產(chǎn)生的位置。本試驗(yàn)采用美國PAC 公司生產(chǎn)的 PCI-8 型聲發(fā)射測試系統(tǒng)對侵入試驗(yàn)過程進(jìn)行監(jiān)測，如圖2 所示。本試驗(yàn)利用該系統(tǒng)的6個(gè)信號通道，選用R6α型傳感器。試驗(yàn)過程中設(shè)置模擬濾波器的濾波范圍為5～400 kHz，AE 通道的門檻值大小40 dB，浮動(dòng)門寬6 dB，前置放大增益40 dB。試驗(yàn)過程中可統(tǒng)計(jì)聲發(fā)射事件發(fā)生的時(shí)間、總數(shù)以及確定巖石內(nèi)部損傷破壞的空間位置。

圖2 聲發(fā)射采集系統(tǒng)及探頭的位置Fig. 2 Acoustic emission acquisition system and sensor position

1.3 滾刀壓頭設(shè)計(jì)

TBM 盤形滾刀破碎巖石時(shí)刀刃直接與巖石接觸。在推進(jìn)系統(tǒng)的壓力下向前掘進(jìn)，同時(shí)TBM的刀盤作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)滾刀公轉(zhuǎn)的同時(shí)，滾刀也會在摩擦力和推力的作用下自轉(zhuǎn)，對掌子面產(chǎn)生切削作用并完成破巖。因此，滾刀刀圈的設(shè)計(jì)參數(shù)對滾刀在破巖過程中的三向力、破巖效率以及滾刀的使用壽命等都有較大影響。

直徑為11 in 或小于11 in 的滾刀適用于刀盤直徑小于2 m 的開挖設(shè)備，本研究的滾刀直徑確定為11 in。常見的盤形滾刀刀圈包括平刃、楔刃及圓刃三種。由三種刀圈的斷面形狀可知，刀刃角是決定楔刃滾刀破巖效率的關(guān)鍵參數(shù)，刀刃角和刀刃寬是決定平刃滾刀破巖效率的關(guān)鍵參數(shù)，刀刃的圓弧半徑是決定圓刃滾刀破巖效率的關(guān)鍵參數(shù)。結(jié)合前期的文獻(xiàn)調(diào)研、施工經(jīng)驗(yàn)及滾刀生產(chǎn)單位的建議，設(shè)計(jì)的三種滾刀壓頭的具體刃型參數(shù)見表1。

表1 滾刀壓頭刃型參數(shù)Table 1 Geometrical parameters of tested indentors

1.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)的花崗巖樣品取自高放廢物處置北山預(yù)選區(qū)的新場地段，花崗巖試樣尺寸為300 mm×300 mm×300 mm（長×寬×高），各向切割誤差小于2.0 mm，表面起伏小于0.2 mm。侵入試驗(yàn)開始前，按照ISRM 規(guī)范的要求對花崗巖試樣進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)、三軸壓縮試驗(yàn)及巴西劈裂試驗(yàn)，獲得了巖樣的基本物理力學(xué)參數(shù)，見表2。

表2 北山花崗巖的物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physical and mechanical parameters of Beishan granite

依據(jù)瑞典核燃料及廢物管理公司（SKB）在?sp? 地下實(shí)驗(yàn)室處置坑機(jī)械開挖的經(jīng)驗(yàn)，其巖體主要包括?sp? 閃長巖、Sm?land 花崗巖、綠巖和細(xì)?；◢弾r等四類硬巖，其單軸抗壓強(qiáng)度高達(dá)214 MPa，與北山的巖石條件相似。依據(jù)SKB 所用的處置坑機(jī)械開挖設(shè)備在正常開挖時(shí)的轉(zhuǎn)速10 rpm 及研發(fā)設(shè)備預(yù)設(shè)的目標(biāo)掘進(jìn)速度1.2 m·h-1，設(shè)定滾刀壓頭侵入試驗(yàn)的貫入度為2 mm。在試驗(yàn)過程中實(shí)時(shí)記錄試件的加載過程、聲發(fā)射事件及定位圖像、能量損耗等，試驗(yàn)后通過熒光法獲得與滾刀刀刃垂直方向的巖樣剖面裂隙擴(kuò)展模式圖像。

2 不同刃型滾刀侵入破巖過程分析

2.1 侵入過程中接觸應(yīng)力及聲發(fā)射特征分析

在滾刀侵入巖石的過程中，巖石礦物晶粒內(nèi)部和晶粒之間的黏結(jié)破壞會產(chǎn)生大量的微裂紋，并伴有能量釋放和聲發(fā)射事件。不同刃型滾刀在侵入過程中聲發(fā)射的事件數(shù)、能量及荷載-貫入度的變化規(guī)律如圖3 所示。不同刃型滾刀侵入過程中聲發(fā)射事件數(shù)及能率的變化規(guī)律有很大的相似性。滾刀侵入過程可以分為巖石原生裂紋壓密階段、彈性變形階段、裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展階段。其中，在原生裂紋壓密階段巖樣內(nèi)部的原生裂隙被不同程度地壓密、閉合，基本沒有聲發(fā)射事件產(chǎn)生；在理想狀態(tài)下，材料在彈性變形階段不產(chǎn)生破壞，但由于花崗巖自身結(jié)構(gòu)的非均質(zhì)性，在該階段仍會監(jiān)測到少量的聲發(fā)射信號；在裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展階段，巖石內(nèi)部原生的微裂紋開始擴(kuò)展，并且新裂紋逐漸萌生，裂紋之間開始交叉、融合，聲發(fā)射活動(dòng)劇烈。聲發(fā)射事件的數(shù)量和釋放能量的大小與巖石發(fā)生破壞的過程密切相關(guān)，聲發(fā)射事件數(shù)越多，說明巖石產(chǎn)生損傷的過程越劇烈，聲發(fā)射能量的大小及其分布能反映巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展的尺度，能量釋放越大，相應(yīng)的破裂尺度就越大。由圖3 可知，楔刃滾刀破巖過程中的聲發(fā)射事件數(shù)最多且釋放的能量最大，其巖石破裂的尺度最大。平刃滾刀破巖過程中釋放的能量最小，其平刃滾刀作用下巖石破裂的尺度最小。

圖3 不同刃型滾刀侵入破巖聲發(fā)射的撞擊數(shù)、能量及荷載-貫入度的變化規(guī)律Fig. 3 Variation of AE number，energy，and load-penetration under indenters with different blade shapes

楔刃、平刃及圓刃滾刀壓頭在侵入過程中的平均侵入力分別是131、188 和98 kN。由于3種滾刀壓頭的截面形狀不一致，侵入力及消耗的能量不能直接進(jìn)行對比分析。滾刀壓頭與巖石接觸區(qū)域的面積直接影響侵入力及聲發(fā)射特征參數(shù)，故引入接觸面積來消除滾刀壓頭刃型參數(shù)的影響。利用SolidWorks 中的Measure 工具測量楔刃、平刃及圓刃滾刀壓頭侵入巖石2 mm 時(shí)在接觸面上的投影面積分別是712、669 和385 mm2，如圖4 所示。假設(shè)滾刀在巖石接觸區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力均勻分布，可知楔刃、平刃及圓刃滾刀壓頭在侵入過程中產(chǎn)生的接觸應(yīng)力分別是184、281 和255 MPa。因此，從接觸應(yīng)力的角度看，在平刃和圓刃滾刀作用下，巖石內(nèi)部更容易產(chǎn)生損傷。

圖4 不同刃型滾刀侵入巖石2 mm 時(shí)在接觸面上的投影Fig. 4 Projection of three indenters on the contact surface at the penetration depth of 2 mm

2.2 不同刃型滾刀作用下巖石的破壞情況

三種滾刀壓頭以貫入度2 mm 侵入巖石后巖石的破壞情況如圖5 所示。可知楔刃壓頭對巖石產(chǎn)生了明顯的劈裂作用，平刃壓頭作用下巖石未產(chǎn)生破壞，而圓刃壓頭作用下在巖石的表面產(chǎn)生了巖渣。

圖5 巖石在三種滾刀壓頭作用下的破壞情況Fig. 5 Failure of rock under indenters with different blade shapes

3 聲發(fā)射定位結(jié)果與侵入壓頭下微裂紋分布特征

由于各傳感器與同一震源之間的位置不同，接受聲發(fā)射信號時(shí)存在時(shí)間差，通過反演計(jì)算即可確定聲源的位置。為了驗(yàn)證聲發(fā)射定位結(jié)果的準(zhǔn)確性，在侵入試驗(yàn)后通過熒光法獲得了滾刀刀刃垂直方向的巖樣剖面裂隙擴(kuò)展模式圖像。楔刃、平刃及圓刃滾刀壓頭作用下的聲發(fā)射事件定位結(jié)果及巖石內(nèi)部的微裂紋如圖6～8 所示。由圖6a、7a 和8a 可見，滾刀壓頭作用下聲發(fā)射定位點(diǎn)呈明顯的聚集分布的特點(diǎn)。從聲發(fā)射定位剖面圖6b、7b 和8b 與相對應(yīng)的巖石宏觀裂紋分布圖6c、7c 和8c 對比可以發(fā)現(xiàn)，巖石壓碎區(qū)與宏觀裂紋附近的微震事件出現(xiàn)頻率高，聲發(fā)射定位點(diǎn)較多，與壓頭下巖石破壞及宏觀裂紋擴(kuò)展比較一致，宏觀裂紋擴(kuò)展范圍比監(jiān)測到的聲發(fā)射事件的空間范圍更小。楔刃壓頭作用下聲發(fā)射定位點(diǎn)在刀刃下方聚集成一條向下擴(kuò)展的豎線，與宏觀裂紋的產(chǎn)生與擴(kuò)展方向一致。平刃壓頭作用下聲發(fā)射定位點(diǎn)在刀刃下方聚集較多，而在刀刃兩側(cè)有宏觀裂紋出現(xiàn)的地方聲發(fā)射反而較少，可能與巖石宏觀拉破裂有關(guān)，拉破裂貫通需要的能量較少。而圓刃壓頭作用下聲發(fā)射定位點(diǎn)在刀刃的下方及兩側(cè)均有聚集，且在刀刃兩側(cè)形成的聚集區(qū)與巖石表面夾角較小。從破巖角度上講，楔刃壓頭作用下巖石內(nèi)部產(chǎn)生了較長的豎向裂紋，幾乎沒有橫向或者徑向裂紋，不利于滾刀相互作用產(chǎn)生巖渣，平刃壓頭作用下巖石內(nèi)部僅在刀刃的兩側(cè)形成了細(xì)小的裂紋，而圓刃壓頭作用下產(chǎn)生了較長的側(cè)向裂紋。綜合聲發(fā)射的定位結(jié)果和巖石內(nèi)部裂紋擴(kuò)展分布，從滾刀、巖石相互作用破巖效果分析，圓刃滾刀更適合北山花崗巖破巖。

圖6 楔刃滾刀作用下聲發(fā)射事件的定位結(jié)果及巖石內(nèi)部裂紋分布Fig. 6 Positioning results of AE events under the wedge-edge cutters and the distribution of cracks

圖7 平刃滾刀作用下聲發(fā)射事件的定位結(jié)果及巖石內(nèi)部裂紋分布Fig. 7 Positioning results of AE events under the flat-edge cutters and the distribution of cracks

圖8 圓刃滾刀作用下聲發(fā)射事件的定位結(jié)果及巖石內(nèi)部裂紋分布Fig. 8 Positioning results of AE events under the round-edge cutters and the distribution of cracks

4 刃型優(yōu)選

北山花崗巖具有高強(qiáng)度、高完整性的特點(diǎn)，合理的刀具選型是滿足處置坑成洞質(zhì)量要求、實(shí)現(xiàn)巖體高效開挖及控制圍巖開挖損傷的關(guān)鍵因素。本研究開展了三種常見的滾刀刃型壓頭的侵入試驗(yàn)，從荷載-貫入度的變化情況來看，圓刃壓頭作用下巖石發(fā)生破壞時(shí)的侵入力較小，需要提供的推力較小，且接觸應(yīng)力較大，巖石內(nèi)部更容易產(chǎn)生損傷。從聲發(fā)射系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)來看，圓刃滾刀作用下定位點(diǎn)聚集區(qū)與巖石表面的夾角較小，易形成橫向和側(cè)向裂紋，有利于破巖。從壓頭作用下裂紋的擴(kuò)展模式及產(chǎn)生的巖渣來看，圓刃壓頭作用下產(chǎn)生了較長的側(cè)向裂紋，且在巖石的表面產(chǎn)生了薄片狀巖渣。因此，圓刃滾刀更適合北山花崗巖破巖。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)制作了直徑為11 in 的平刃、楔刃和圓刃三種滾刀侵入壓頭，并將其以2 mm 的貫入度進(jìn)行室內(nèi)侵入試驗(yàn)，利用聲發(fā)射測試系統(tǒng)獲取了滾刀侵入全過程的聲發(fā)射參數(shù)。獲得結(jié)論如下：

1）聲發(fā)射信號與荷載-貫入度曲線有著良好的對應(yīng)關(guān)系。平刃和圓刃滾刀壓頭在侵入過程中產(chǎn)生的接觸應(yīng)力較大，巖石內(nèi)部更容易產(chǎn)生損傷。平刃壓頭侵入巖石的過程中侵入力明顯大于楔刃和圓刃。

2）熒光裂紋顯現(xiàn)法及聲發(fā)射定位結(jié)果均與巖石破壞特征有良好的對應(yīng)關(guān)系。熒光裂紋顯現(xiàn)法直觀地顯示了三種壓頭以2 mm 的貫入度侵入巖石后巖石內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展特征，宏觀裂紋附近的微震出現(xiàn)頻率高，聲發(fā)射定位點(diǎn)較多。裂紋的擴(kuò)展特征及巖石破壞特征表明圓刃壓頭作用下產(chǎn)生了較多的與巖石表面夾角較小的側(cè)向裂紋，有利于破巖。

3）綜合接觸應(yīng)力、裂紋擴(kuò)展特征及巖渣數(shù)量，圓刃滾刀是更適合北山高強(qiáng)度、高完整性與高磨蝕性花崗巖小直徑盲井掘進(jìn)機(jī)破巖的滾刀刃型。