0 引言

在地下工程施工中, 隧道掘进机 (TBM) 由于安全性高、扰动小、通风好、成型快、连续作业等优点, 已得到广泛应用^[1]。TBM的破岩效率由TBM设计参数、TBM运行参数以及岩体条件共同决定^[2]。

室内试验可以较真实地模拟TBM滚刀破岩, 对于研究滚刀破岩规律、优化刀盘设计及施工参数等发挥着重要作用^[3]。室内滚刀破岩试验开始于20世纪70年代, 试验中通过人为地控制滚刀间距和贯入度, 实时监测切割过程中的滚刀力, 可以得到最优的滚刀破岩效率, 因此, 室内滚刀破岩试验数据对TBM施工参数的优化有着重大的参考价值。目前美国科罗拉多矿业学院、土耳其伊斯坦布尔理工大学和韩国施工技术研究所分别拥有3台全尺寸滚刀破岩试验机, 但均为线性破岩试验机。利用这3台线性破岩试验机, 很多学者已经对滚刀线性破岩展开广泛深入的研究。

R.Gertsch等^[4]利用科罗拉多矿业学院的试验机, 在不同的刀间距和贯入度组合下使用17in (432mm) 滚刀对科罗拉多红色花岗岩进行破岩试验, 发现贯入度对比能的影响大于刀间距对比能的影响;J.Rostami等^[5]在大量试验的基础上提出了TBM掘进速度的预测模型;C.Balci等^[6]利用伊斯坦布尔理工大学的试验机, 用V型滚刀切割3种不同的岩石, 并将滚刀破岩试验得到的滚刀力与现场实测TBM滚刀力进行了对比;H.Tuncdemir等^[7]用4种不同的刀具切割14块不同强度的岩石, 得出了比能与粗糙指数之间的关系。借助韩国施工技术研究所的试验机, Soo-Ho Chang等^[8]用17in滚刀线性切割花岗岩, 并用数码影像仪来计算岩片体积, 得到了最优S/P值。

上述滚刀破岩试验均为线性切割试验, 虽然与TBM实际旋转破岩模式不同, 但线性破岩试验也得到了具有指导意义的结果。

北京工业大学在已有试验机的基础上自主研制了机械破岩试验平台, 该试验平台能够很好地模拟实际工况, 具有线性和旋转破岩功能。应用北京工业大学机械破岩试验平台, 马洪素等^[9]分析了围压对滚刀力、破岩效率的影响, 龚秋明等^[10,11]进行了贯入度、刀间距对滚刀力、破岩效率影响的分析, 并对100, 400mm节理条件下的破岩模式和滚刀力展开了研究。

本文采用北京工业大学自主研制的大型机械破岩试验平台, 对某引水工程巨斑花岗岩进行切割参数 (滚刀间距、贯入度) 相同条件下的线性破岩试验和旋转破岩试验, 对比分析两种切割方式对破岩过程及破岩效率的影响。

北京工业大学的机械破岩试验平台试验机由3部分组成, 即机械部分、液压系统和电气控制与数据采集系统, 可以模拟实际切割过程中的刀间距、贯入度、围压情况, 并实时采集滚刀数据。机械破岩试验平台的详细介绍见文献[3]。机械破岩试验平台实物和整体模型如图1所示。

本次试验的岩石试样是取自某引水工程隧道沿线, 从地表获取相同层位的巨斑花岗岩大块, 并运送到石材加工厂进行加工, 试样尺寸为980mm×980mm×600mm, 选取大体积岩石进行切割, 避免尺寸效应的影响。试验之前对试样进行了相关物理力学试验, 得到花岗岩的物理力学参数如表1所示。

线性破岩试验:本次试验选用19in (483mm) 的常截面盘形滚刀, 与工地用滚刀具有相同的滚刀刀刃宽度, 滚刀的刀间距为80mm, 最外侧切槽距试样边缘的距离为210mm。贯入度由小到大从0.5mm开始, 0.5mm为一个阶梯直到3.5mm进行破岩试验。切割速度为20mm/s。

旋转破岩试验:选用19in (483mm) 的常截面盘形滚刀, 旋转切割半径由内而外依次是70, 150, 230, 310, 390mm, 滚刀的刀间距为80mm, 贯入度由小到大从0.5mm开始, 以0.5mm为一个阶梯直到2.5mm进行破岩试验。切割速度为1.67rad/s。假定滚刀前进方向为纵向, 试验时滚刀先以线性切割方式进刀至岩石的纵向对称轴处, 而后开始旋转切割, 完成一次切割后按原线性切槽退出。横向移动80mm开始进行另一半径的切割, 如此循环。主要试验参数如表2所示。

试验开始时, 岩石表面平整光滑。必须对岩样表面进行处理, 使其与破岩过程中的岩面相同。处理岩石表面时, 两种切割方式均先以0.5mm贯入度切割岩石表面, 在岩石表面形成一系列等间距的切槽, 并获得稳定的三向力读数。然后可以进行第1级贯入度试验。

表面处理完成后, 按照设计的贯入度进行破岩试验, 并记录在不同贯入度下的试验数据。试验过程中, 每级贯入度切割6层。切割完一层后, 仔细收集该层所产生的岩片和岩粉, 进行筛分试验。当试验中更换不同的贯入度进行试验时, 开始切割的层数为试验过渡层, 等到连续的两层滚刀三向力平稳后, 记录的数据方为真实有效的数据。

在线性滚刀破岩试验过程中, 先以0.5mm贯入度进行表面处理, 表面处理过程中边缘切槽处出现贯通至岩样边缘的裂纹, 致使该切槽处的法向力小于其余切槽。试验过程中由于贯入度较小, 滚刀对岩石的破坏作用小, 使得切槽间产生的裂纹难以贯通, 形成的岩片较小, 岩粉较多, 仅有少量的大岩块产生。

1.0mm贯入度开始切割过程中产生的岩片较少, 岩粉较多。随着切割的层数增加, 滚刀的相互作用加强, 裂纹得到扩展, 产生较大岩片。当贯入度为1.5mm时, 裂纹扩展良好, 几乎每层切割都有大岩片产生, 岩片的厚度较小。

在贯入度2.0mm切割过程中, 尽管每层切割都有岩片产生, 但由于滚刀的力较大, 切槽间的距离较小, 形成的岩片较为破碎, 且岩粉开始增多。2.5mm贯入度以后随着滚刀力上升, 岩石破碎更加严重, 滚刀所受到的岩石侧向力加大。

以图2所示线性切割破岩1.5mm贯入度下的三向力变化为例, 试验过程中的三向力变化如下。

滚刀旋转破岩试验与滚刀线性破岩过程相同, 首先以0.5mm贯入度进行表面处理, 切割过程中刀具对岩石的作用较小, 切槽间形成的裂纹难以贯通, 经多层切割后, 会在其中一层产生较多岩片, 岩片较厚。岩片产生时有脆裂声, 法向力及滚动力陡然减小, 而后重新上升。贯入度为1.0mm时, 刀具对岩石的相互作用加强, 裂纹得到较好扩展, 每层都有岩片产生, 但产生的岩片较小, 少有长且扁的大岩片产生。产生大岩片时岩石发出与小岩片时明显不同的声响, 声音较为沉闷, 法向力及滚动力迅速减小。

贯入度为1.5mm时产生的岩块与贯入度为1.0mm相比有所增多, 岩片的尺寸也有所增大。开始切割时岩片较厚, 随着切割层数的增加, 岩块厚度有所降低, 破岩效果逐渐变好。贯入度为2.0mm时裂纹得到很好贯通, 每层切割都有沉闷声发出, 产生较多的岩片, 产生的岩片厚度明显变小, 长度变大。试验过程中仅有少量岩粉产生。

贯入度为2.5mm的试验过程中有大量的岩片产生, 滚刀力加大, 岩片较为破碎, 厚度增大。同时, 岩粉的数量开始增多。以图3所示贯入度为2.0mm下的三向力变化为例, 说明试验过程中三向力的变化。

通过本次试验计算出滚刀的法向力、滚动力、比能, 统计了岩片的分布情况。两种切割方式的数据整理过程如下。

1) 法向力和滚动力的计算

首先要剔除试验过渡层的数据, 采用滚刀力平稳的对应层数据;其次剔除边缘切槽的数据, 此切槽的数据由于缺少相邻切槽的影响, 较其他切槽偏大;最后剔除开始进刀及最后退刀时滚刀未能充分接触岩石时的数据。以此得到的数据来计算法向力和滚动力的平均值。

2) 切割系数 (C_c) 的计算

切割系数反映了破岩过程中所需扭矩的相对值, 计算公式如下:

式中:F_R为平均滚动力 (k N) ;F_N为平均法向力 (k N) 。

3) 比能 (SE) 的计算

比能是破碎单位体积岩石所需做的功, 反映了TBM破岩效率的高低。比能值越小, 破岩效率越高。计算公式如下:

式中:SE为比能 (MJ/m³) ;F_R为平均滚动力 (k N) ;L为滚刀切割岩石的切割长度 (mm) , 由切槽长度、切槽个数、切割层数三者的积得到;V为破岩过程中产生岩片的体积 (m³) , 由岩片及岩粉的质量除以岩石密度得到。

1) 法向力和滚动力的计算数据处理过程中首先要剔除滚刀线性进入和旋转切割的交叉部分 (如图4所示1/4岩块部分) , 其次剔除缺少相邻切槽影响的最外侧和最内侧切槽, 最后剔除滚刀未能充分接触岩石时的数据。以此得到的数据来计算法向力和滚动力的平均值。

2) 采用式 (1) 、式 (2) 计算旋转切割的切割系数和比能。在比能的计算过程中切槽长度为线性进刀和旋转切割一周相加的结果。两种切割方式的数据处理结果如表3所示。

贯入度对滚刀力的影响如图5, 6所示, 开始切割时即使较小的贯入度也能产生很大法向力。但由于滚刀进尺不深, 岩块对滚刀的抵抗作用不强, 所以滚刀转动所需的滚动力也不大。随着切深的加大, 岩块的抵抗作用加强, 需要更大的法向力及滚动力才能切割岩石。从图中可以发现法向力及滚动力并非随着贯入度线性增加。究其原因是贯入度增大, 裂纹得到扩展, 为下一步的破岩提供基础, 使得破岩所需法向力增长率降低。但切深增大, 导致岩块对滚刀前进的抵抗作用加大。因此, 破岩所需的法向力随着贯入度增加的变化率小于滚动力随着贯入度增加的变化率。在图7中也可以看出, 随着贯入度增加, 滚动力的变化率增大, 相应的切割系数的增长率也增大。

对比图5~7所示线性切割和旋转切割的曲线可以看到, 两种切割方式中贯入度对滚刀力和切割系数的影响具有相同趋势, 但随着贯入度的加大, 旋转切割所需的法向力逐渐小于相同贯入度下的线性切割的法向力, 而滚动力、切割系数的变化规律则与法向力的变化相反。通过比较破岩过程中的两种切割方式的三向力变化发现, 线性切割过程中侧向力是正负交替出现, 整个切割过程中的侧向力平均值大体为0。而旋转切割过程侧向力几乎全部为负, 且数值较大。这说明在旋转切割中滚刀对岩石在一个方向施加较大的侧向力, 该侧向力加快了切槽间裂纹横向扩张, 有利于相邻切槽的裂纹贯通及裂纹向自由面的扩展, 从而使得旋转破岩过程中的法向力较线性破岩过程略有下降。而对于滚动力来说, 旋转与线性破岩中滚动力的变化与法向力的变化相反, 因此, 在相同贯入度条件下为维持滚刀刀盘的旋转切割, 则需要提供比线性切割更大的滚动力即扭矩才能实现。

贯入度和比能的关系如图8所示, 可以看出, 贯入度2.5mm以前两种切割方式的比能值随着贯入度的增大总体上均呈现先降低后增大的趋势。即存在一个特定的贯入度, 使破岩效率最低。从图中可以发现, 线性切割方式在贯入度1.5mm左右比能值最低, 旋转切割在2.0mm左右比能值最低与试验中观察到该贯入度下产生较多的岩片现象一致。线性切割在3.0mm贯入度下出现一个更低比能值。由于条件限制未能进行更大切深的旋转试验, 留作以后具备条件后进行求证。

为研究不同贯入度下岩片形成效率, 对试验过程中产生的典型岩片形状进行统计。岩片形状如图9所示, a为长轴、b为中间轴、c为短轴^[12]。

根据c/b, b/a的值将岩片形状分为平、长且平、长和立方体4种^[1], 如图10所示。通过尺寸分布可以看出线性切割贯入度为1.5mm下岩片分布接近于长且平, 反映出此贯入度的破岩效率最高。旋转切割则在2.0mm处出现类似的现象。岩片尺寸分布结果与比能计算结果具有良好的统一性, 均可以反映出滚刀的破岩效率。

应用北京工业大学自主研制的机械破岩试验平台对某引水工程巨斑花岗岩进行19in (483mm) 常截面盘形滚刀, 刀间距80mm的线性和旋转切割破岩试验。试验中仅切割了2块岩样, 由于试验条件限制, 旋转切割试验仅做到2.5mm贯入度。通过对比分析发现, 两种切割方式的法向力及滚动力增长具有相同趋势。初步探知仅切割方式不同的情况下, 旋转切割过程中滚刀对岩石存在一个方向较大的侧向力, 加快了切槽间裂纹横向扩张, 使得破岩过程中的法向力较小。同时, 为维持滚刀刀盘的旋转切割, 需要提供比线性切割更大的滚动力。二者在贯入度为2.5mm之前比能具有相同的变化趋势, 均存在一个特定值使破岩效率最低。