節理傾角和間距對TBM雙刃盤形滾刀破巖效率的影響

曹平，林奇斌，李凱輝, 2，韓東亞, 2

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節理傾角和間距對TBM雙刃盤形滾刀破巖效率的影響

曹平1，林奇斌1，李凱輝1, 2，韓東亞1, 2

(1. 中南大學資源與安全工程學院，湖南長沙，410083；2. 香港理工大學土木與環境工程系，中國香港，999077)

通過實驗研究不同節理傾角和間距對TBM雙刃滾刀破巖的影響效果。實驗采用預制節理水泥砂漿試件模擬節理巖體，節理面與侵入力方向夾角分別為0°，30°，60°和90°，節理面間距分別為20，30，40和50 mm，采集整個加載過程中滾刀的侵入深度和侵入力，并采用相機進行實時拍攝，獲得試件表面破壞的發展過程以及最終破壞形態。研究結果表明：節理巖體存在3種基本破碎模式，主要與節理傾角有關；相鄰滾刀的協同破巖作用導致滾刀間巖體產生貫通裂紋，形成片狀巖碴；當節理傾角為60°時，破巖比能耗最小，滾刀破巖效率最高；節理間距對巖碴的形成有較大影響，比能耗隨著節理間距增大而增大，破巖效率降低。

節理傾角；節理間距；TBM雙刃滾刀；破巖模式；破巖效率

隨著全斷面隧道掘進機TBM(tunnel boring machine)技術的不斷提高，TBM被廣泛應用于隧道工程建設中，在不同巖體中，破巖效率已經成為項目規劃和選擇隧道開挖方法的一個重要工具。很多地質因素如節理性質(節理傾角、節理間距、有無充填節理等)、巖溶、高地應力、滲流等均會影響TBM破巖效率[1?4]。目前，對于節理傾角和間距因素，國內外眾多學者采用理論分析、數值模擬、現場實驗數據分析及室內實驗等手段對其進行了研究[5?12]，如：BRULAND[5]提出了NTNU模型，對節理傾角影響TBM破巖速率進行了定性分析；BARTON[6]提出QTBM模型來預測不同地質條件下TBM破巖速率，并將節理傾角作為1個重要的影響因素；HOWARTH等[7]通過線性切割實驗研究了節理間距對破巖效果的影響；GONG等[8?9]通過離散元軟件UDEC分析了不同節理傾角、不同節理間距時的破巖過程；HADI等[10]研究了節理間距和節理傾角對TBM單刀破巖速率的影響；GONG等[11]通過離散元軟件UDEC對TBM雙刀破巖進行了數值模擬；LIU等[12]通過數值模擬研究了單雙滾刀對破巖的影響。現有的關于節理對TBM破巖的研究大多是基于數值模擬和節理性質對TBM單刃滾刀破巖的影響，而在實際TBM的掘進施工過程中，并不是采用滾刀單獨破巖，而是刀盤上的滾刀群對巖體協同破巖。為此，本文作者將通過室內實驗研究不同節理傾角和間距條件下對TBM雙刃滾刀破巖的影響，并對TBM雙刃滾刀破巖時裂紋的形成和擴展過程進行研究，通過總結裂紋的變化規律研究節理巖體的破巖模式，同時分析節理傾角和間距對雙刃滾刀破巖效率的影響，以便為TBM在不同節理巖體中的施工應用中提供參考。

1 實驗概況

1.1 實驗儀器

本實驗在中南大學巖土力學流變實驗室進行。實驗儀器為長春朝陽公司生產的RYL?600微機控制巖石剪切流變儀。該儀器是由德國進口全數字伺服控制器(EDC)與計算機控制的高精度巖石剪切流變實驗設備，主要由軸向主機、橫向剪切框架、松下伺服電機及控制系統、德國DOLI測控系統、計算機系統等組成，可完成橫向最大剪應力為200 kN、橫向位移加載速率為0.001~50 mm/min的實驗，在實驗過程中能夠同時記錄時間、橫向位移、法向位移、剪應力、應變等參數。

1.2 試樣制備

本實驗選用的試件為水泥砂漿試件，選用標號為30的快硬水泥和細砂，拌和水泥砂漿。在水泥砂漿中，水、水泥、細砂體積比為1:1:2。試件采用特制的鋼模具進行澆注，模具內部涂專用脫模劑，使試件脫模后的表面有很高的平整度。澆注時采用預埋云母片制作充填節理試件。在常溫下，養護28 d，達到預定的抗壓強度即可。試塊長×高×寬為200 mm×140 mm× 30 mm，材料基本力學參數見表1。

表1 材料基本力學參數

1.3 實驗方案

實驗采用雙刃滾刀破巖，刀間距為70 mm，實驗在經改裝的RYL–600巖石剪切流變儀上進行。實驗中，采用4種節理傾角和4種不同的節理間距，實驗模型如圖1所示(圖1中，為節理面間距，為巖體中節理面與滾刀貫入方向的夾角)。實驗時，將試樣放置于經改裝好的實驗平臺上，在整個實驗過程中滿足試樣水平方向圍壓為5 MPa(實際開挖中圍巖處于地應力作用下)。實驗中，以0.01 mm/s的加載速度通過刀具對試樣進行軸向加載，并觀察侵入力–侵深曲線變化趨勢。曲線越過峰值便進入殘余階段，每次實驗的滾刀侵深均為10 mm，卸除軸壓并結束實驗。在剪切過程中，與剪切流變儀相配套的控制記錄軟件Test記錄時間、侵入力、侵深等。

圖1 實驗模型

2 實驗結果及其分析

2.1 不同節理傾角和間距下的侵入力?侵深曲線

圖2所示為不同節理傾角條件下滾刀侵入力?侵深曲線。侵入力所反映的是試件對滾刀貫入過程中的抵抗力，侵深則是滾刀貫入試件中的深度。從圖2可見：在加載初期，侵入力與侵深呈比例增加，每個滾刀單獨作用于試件上，這個階段和1個滾刀壓入過程類似；當侵入力持續增加時，破碎區形成；當側向裂縫傳播到破碎區時，由于2個滾刀的相互作用，2個刀刃之間的側向裂紋相互交匯貫通，形成一道幾乎平行于自由面的貫通裂紋，并導致2個刀刃之間的巖體形成整塊破碎巖碴，大面積地從試件剝落，說明相鄰滾刀下產生的裂紋相互影響，并使得2個刀刃下的裂紋交匯貫通，產生了協同破巖作用。

節理傾角/(°): (a) 0; (b) 30; (c) 60; (d) 90

峰值傾入力與節理傾角的關系如圖3所示。由圖3可知：當節理傾角為30°與60°時，峰值侵入力較小；在為0°與90°時，峰值侵入力較大。結合試件的破壞情況也可得知當節理傾角為30°與60°時試件的破壞情況較嚴重，刀具更容易破碎巖石。

峰值侵入力與節理間距的關系如圖4所示。由圖4可知：峰值侵入力隨著節理間距的變化而變化，如當節理傾角=0°時，峰值侵入力隨著節理間距的增大而增大；當節理傾角=90°時，峰值侵入力隨著節理間距的增大先增大后減小。這說明破巖效率與節理間距有關，結合試件的破壞情況也可得知節理間距對巖碴的塊狀體積有較大影響，對破巖效率有影響。

節理間距/mm：1—20；2—30；3—40；4—50。

節理傾角/(°)：1—0；2—30；3—60；4—90。

2.2 不同節理傾角和間距下的試樣破壞特征

2.2.1 節理傾角對破巖過程的影響

滾刀侵入巖石過程可分為破碎區形成、裂紋產生與擴展、破巖碎片形成3部分。當滾刀作用于巖石上時，首先緊鄰刀具下方的巖石發生塑性變形，出現擠壓破壞區，這個過程和1個滾刀單獨壓入過程一樣。當2個滾刀繼續侵入時，由于抗拉破壞而在受壓區外圍延伸出大量微裂紋，與擠壓破壞區構成刀具下的破碎區。巖石破碎區向內及兩側擴張，擴張的趨勢造成巖石中部及側向產生放射狀裂紋即中間裂紋和側向裂紋。當侵入力持續增加時，隨著側向裂縫傳播到破碎區，由于2個滾刀相互作用，2個刀刃之間的側向裂紋相互交匯貫通。裂紋尖端受拉力作用而促使裂紋不斷擴展，當側向裂紋達到巖石表面時則形成巖石碎片。隨著滾刀繼續侵入，侵入力繼續增大，形成一道幾乎平行于自由面的貫通裂紋，并導致2個刀刃之間的巖體形成整塊的破碎巖碴，大面積地從試件剝落，說明相鄰滾刀下產生的裂紋相互影響，并使得兩滾刀下的裂紋交匯貫通，產生了協同破巖作用。裂紋角示意圖如圖5所示[13]。

圖5 裂紋角示意圖

不同節理傾角和間距下試樣破壞圖如圖6所示，其中虛線表示宏觀裂紋[14]。由圖6可知：1) 當=0°時，試件所受力呈對稱分布，節理對側向裂紋的擴展有明顯的控制作用，對中間裂紋的影響則較小，中間裂紋由節理面引導向巖石深部擴展；2) 當=30°時，中間裂紋由節理面引導向巖石深部擴展，從刀具兩側生成側向裂紋向自由面或節理面擴展形成碎塊；3) 當=60°時，節理面受到刀具的剪切作用，致使裂紋從節理面起裂并向節理面或自由面擴展形成碎塊；4) 當=90°時，在雙刀荷載作用下，試件所受力呈對稱分布，由于節理的水平分割，節理面上與侵入方向相交點的拉應力迅速集中，當節理間距偏小時，首先達到抗拉極限，裂紋起裂，并迅速向滾刀端部擴展。

(a) 節理傾角為90°，節理間距為20 mm；(b) 節理傾角為90°，節理間距為30 mm；(c) 節理傾角為90°，節理間距為40 mm；(d)節理傾角為90°，節理間距為50 mm

2.2.2 節理間距對破巖過程的影響

對比不同節理間距可以發現TBM雙刃滾刀破巖過程可分為2個階段[15]：正常破巖和節理面破巖。當節理間距較小時，滾刀作用于巖體，形成的裂紋能達到節理面，并與節理面貫通形成大塊碴片；當節理面間距較大時，滾刀下形成的裂紋不足以達到節理面，裂紋的擴展、貫通以形成巖片為主。在實際工程中，TBM處于連續掘進狀態，這2種破巖狀態交替進行，進而會出現薄巖片和大塊巖碴交替出現的情況。

在節理巖體中，通過水泥砂漿模擬巖樣實驗可發現：由于節理的存在使破碎區的形狀尤其裂紋的起始及擴展方向、破巖碎片的體積發生了明顯改變，如圖7所示的中間裂紋方向發生偏轉，側向裂紋從節理端開裂并向自由面擴展。

2.3 節理傾角和間距對滾刀破巖效率的影響

節理傾角和間距對TBM破巖效率可采用破碎功與破碎體積之比來衡量[9]。破巖所需破碎功越小，破巖體積越大，則破碎功與破碎體積之比越小；比能耗越小，則破巖效率越高。不同節理間距及傾角的破巖實驗結果如表2所示。破碎功按下式進行計算：

式中：F為第加載步的軸向力；u為第加載步的軸向位移；為求和步數。

圖7 節理對破巖的影響

Fig. 7 Effect of joint on fragmentation

巖石比能耗E是反映TBM機械破巖效率的重要指標，定義為開挖單位體積的巖石所消耗的能 量[16?22]，即E=/。破碎功與節理傾角的關系如圖8所示。從圖8可見：當節理間距為20 mm，由30°向60°增大時，破碎功隨之降低(從126.62 J降低到64.23 J)；當增大到90°時，所需破碎功明顯增加(增加至115.66 J)。

比能耗與節理傾角的關系如圖9所示。從圖9可見：當節理傾角從0°增大到60°時，破巖效率明顯增大；當節理傾角從60°增大到90°時，破巖效率明顯降低。從破巖效率來看，在巖石中存在1個最優傾角，當節理傾角=60°時，比能耗最低，TBM雙刃盤形滾刀的破碎效率最高。

表2 不同節理間距及傾角的破巖實驗結果

比能耗與節理間距的關系如圖10所示。從圖10可知：當節理傾角一定時，隨著節理間距不斷增大，比能耗也不斷增大，破巖效率降低。

節理間距/mm：1—20；2—30；3—40；4—50。

節理間距/mm：1—20；2—30；3—40；4—50。

節理傾角/(°)：1—0；2—30；3—60；4—90°。

3 結論

1) 當節理傾角一定、節理間距較小時，滾刀作用于巖體，形成的裂紋能達到節理面，并與節理面貫通形成大塊碴片；當節理面間距較大時，滾刀下形成的裂紋不足以達到節理面，裂紋的擴展、貫通以形成巖片為主。在實際工程中，TBM處于連續掘進狀態，這2種破巖狀態交替進行，進而薄巖片和大塊巖碴交替出現。

3) 相鄰滾刀下產生的裂紋相互影響，使得兩刀刃下的裂紋交匯貫通，產生協同破巖作用，形成片狀 巖碴。

4) 從滾刀破巖效率來看，破巖比能耗隨著節理傾角的增加有1個逐漸減少然后增大的過程，在巖石中存在1個最優節理傾角，當節理傾角=60°時，破巖比能耗最小，TBM雙刃盤形滾刀的破碎效率達到最高值；當節理傾角一定時，隨著節理間距不斷增大，比能耗也不斷增大，破巖效率降低。

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(編輯 陳燦華)

Effects of joint angle and joint space on rock fragmentation efficiency by two TBM disc cutters

CAO Ping1, LIN Qibin1, LI Kaihui1, 2, HAN Dongya1, 2

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Department of Civil and Environmental Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong 999077, China)

Based on laboratory tests, the effects of joint angle and joint space on the penetration of two TBM disc cutters were studied. In the test, concrete jointed specimens were adopted to simulate jointed rock mass. The anglebetween joint plane and tunnelling axis were 0°, 30°, 60° and to 90°, and four joint spaces were 20, 30, 40 and 50 mm respectively. Penetration depth and penetration force were collected during the loading process. Shooting with the camera in real time, photographs of the damage of specimen and failure mode of the development process were taken. The results show that there exists three basic modes of rock fragmentation which are mainly related to the joint orientation. The interaction between rock and TBM double disc cutter leads to cracks coalescence and chips formation. The specific energy achieves the minimum at the joint angle=60° and the fragmentation efficiency of two TBM disc cutters can reach the highest. The joint space has significant impact on the formation of rock chips. Specifically, the specific energy increases with the increase of the joint space, but the fragmentation efficiency presents the opposite trend.

joint angle; joint space; two TBM disc cutters; fragmentation modes; fragmentation efficiency

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.05.023

U45

A

1672?7207(2017)05?1293?07

2016?05?19；

2016?07?01

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目(2013CB035401)；中央高校基本科研業務費專項資金資助項目(2015zzts262) (Project(2013CB035401) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project(2015zzts262) supported by the Central University Special Fund For Basic Scientific Research Business Expenses)

曹平，博士，教授，博士生導師，從事巖石力學與工程應用研究；E-mail: pcao_csu@sina.com