TBM滾刀貫入度及受力影響研究

李 欣， 張志強

(西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室， 四川成都 610031)

TBM工法是一種快速、高效、安全、機械化程度很高的施工方法。TBM刀具破巖是整個施工技術的關鍵，刀具尺寸、滾刀間距、滾刀轉速及貫入度等不合理會造成刀具貫入巖石困難，施工速度緩慢，且刀具磨損嚴重，更換頻繁；刀盤布置不合理會造成刀盤受力不平衡，進而造成刀盤不同區域的刀具偏磨[1-2]。

刀具和刀盤的研究是TBM破巖的關鍵問題。張志強等[3]基于滾刀受力與貫入度關系曲線多峰值躍進特征，得出不同巖性條件下合理的貫入度及與其匹配的最優方案。程永亮[4]運用有限元和回轉式切削實驗得到在特定地層下的最優貫入度。龔秋明等[5]對北山花崗巖進行線性切割試驗，結果表明，當貫入度增加到一定的程度后單純地增加貫入度并不能無限地提高破巖效率。趙海峰等通過滾刀破巖試驗，得到了貫入度對滾刀垂直偏移和橫向偏移的影響規律。劉泉聲等[7-8]通過滾刀貫入過程中泥巖破壞特征試驗研究，認為滾刀貫入過程中泥巖破壞模式以剪切破壞為主。鄭聰等[9]通過有限元分析，得到滾刀受力與貫入度呈近似線性關系。

本文通過PFC3D模擬滾刀的線性切割實驗，對不同貫入度的滾刀破巖效果進行深入研究，得出不同貫入度下裂縫數量和形態變化，以及貫入度對滾刀受力的影響。

1 依托工程

重慶軌道交通環線南橋寺～體育公園區間位于江北區盤溪路之下，YDK13+439.134～YDK14+063.044為雙洞雙線隧道，采用復合式TBM施工。

該工程位于中等風化基巖中，圍巖以砂巖為主，地下水為基巖裂隙水，裂隙不發育～較發育，且砂質泥巖為微透水巖層，水量小，主要以滴水、局部股狀水的形式出現。

工程采用雙護盾TBM，刀盤總共有50把滾刀，根據滾刀在刀盤上安裝位置的不同，可以分為中心滾刀、正滾刀、過渡刀和邊緣滾刀。本文采用正滾刀安裝間距為80～95mm，貫入度為6.35mm/轉(0.25英寸/轉)。

2 滾刀破巖數值模型

2.1 離散元模型建立

采用PFC3D數值模擬滾刀的線性切割實驗對TBM滾刀破巖進行深入研究。采用剛性墻體模擬滾刀，其中滾刀模型為432mm(17in)盤形滾刀，刀刃寬度取19mm。滾刀受力方式如圖1所示，受到垂直巖面的法向力和垂直于輪跡方向的側向力以及平行輪跡方向的滾動力。

圖1 滾刀受力作用

為了從細觀角度研究分析滾刀侵壓破巖、滾壓破巖時巖石裂紋擴展，建立兩把滾刀破巖模型(圖2)。其中巖石模型尺寸為1.8m×1.2m×0.6m，考慮到滾刀破巖邊界效應的影響，滾刀分別從坐標點(-0.6，-0.05，0)、(-0.2，0.05，0)向Z軸侵入巖石，達到指定貫入度后，沿X軸滾壓破碎巖石，至坐標點(0.6，0，0)，即滾刀沿X方向滾到1.2m。針對不同貫入度，采用刀間距為90mm，貫入度4mm、6mm、8mm三種工況。

圖2 數值模擬模型

數值模型巖石的圍觀參數見表1。采用雙滾刀模型，其中8號滾刀為前滾刀，7號滾刀為后滾刀。

表1 巖石力學參數表

2.2 細觀參數標定

采用PFC進行計算時，為了得到巖石宏觀力學參數，建立巖石與顆粒流細觀參數之間的聯系。基于巖石宏觀力學參數，在離散元模型中通過模擬單軸壓縮試驗和巴西劈裂試驗等進行細觀參數標定。

以砂巖為巖石試樣，通過室內單軸壓縮試驗獲得宏觀參數，見表1，并以其宏觀力學參數為目標，通過單軸壓縮和單軸抗拉試驗(圖3)，巖石宏細觀參數分別見表2。

圖3 顆粒流細觀參數標定試驗

顆粒密度/(kg·m-3)初始孔隙率等效彈性模量/(N·m-2)平行粘結等效彈性模量/(N·m-2)25000.23.0×1091.8×109法向切向剛度比平行粘結抗拉強度/N平行粘結粘聚力/N平行粘結摩擦角/°3.08.0×1067×10645

3 貫入度對滾刀破巖影響研究

對貫入度4mm、6mm、8mm三種工況下巖石裂紋擴展、滾刀三向力等展開分析，得到貫入度對滾刀破巖的影響。

3.1 不同貫入度破巖產生裂縫

對不同貫入度，PFC提取巖石裂紋擴展如圖4。

(a)貫入度4mm

(b)貫入度6mm

(c)貫入度8mm

由圖4可知，貫入度為4mm時，巖石不能產生貫穿裂紋，形成巖脊。貫入度為6mm時，裂縫兩滾刀之間且分布較密，裂縫擴展連接形成貫通裂縫。貫入度8mm時，滾刀下球體飛出，巖石過度破碎。

3.2 不同貫入度破巖滾刀受力情況

提取PFC數值計算不同貫入度的滾動力、側向力和垂直力，部分受力圖如圖5～圖7所示。

(a)前滾刀

(b)后滾刀

(a)前滾刀

(b)后滾刀

(a)前滾刀

(b)后滾刀

根據圖5～圖7，垂直力、滾動力和側向力均呈鋸齒狀波動變化。綜合不同貫入度數值計算三向平均力(表3)。

表3 不同貫入度平均力

由表3，根據對不同貫入度研究表明，隨著貫入度增大，平均滾動力和平均側向力逐漸增大。因為貫入度增加，使滾刀與巖石摩擦面擴大，產生更大摩擦力，使平均滾動力和平均側向力增大。后滾刀的平均滾動力和平均側向力略大于前滾刀。因為前滾刀滾壓破碎巖石，同時使輪跡周圍的巖體隆起變形，當后滾動經過這部分巖體時，受到更大的摩擦力，進而需要較大滾動力。另外，由于前滾刀已經使輪跡下周圍的巖體滾壓破碎，后滾動經過附近時有一定的偏壓作用，進而使側向力增大。

隨貫入度增大，前滾刀平均垂直力逐漸增大。貫入度為4mm時，由圖4(a)裂縫未貫通，前滾刀平均垂直力小于后滾刀平均垂直力。因為當貫入度較小不能形成貫通裂縫，前滾刀滾壓作用使周圍巖體擠壓密實，進而使后滾刀需要更大的垂直力。貫入度為6mm時，前滾刀平均垂直力大于后滾刀平均垂直力。由圖4(b)形成貫通裂縫，說明前滾刀滾壓作用使周圍巖體破碎強度降低，進而使后滾刀平均垂直力降低，平均垂直力下降10 %。貫入度為8mm時，前滾刀平均垂直力大于后滾刀平均垂直力。由圖4(c)裂縫貫通且巖石過度破碎，由于貫入度較大，前滾刀滾壓作用使周圍巖體破碎面大、破碎程度高，進而使后滾刀滾壓巖體所需平均垂直力大幅度降低，降低幅值達51 %。

4 結論

(1)貫入度為4mm時，巖石不能產生貫穿裂紋，形成巖脊；貫入度為6mm時，裂縫兩滾刀之間且分布較密，裂縫擴展連接形成貫通裂縫；貫入度8mm時，滾刀下球體飛出，巖石過度破碎。

(2)隨著貫入度增大，平均滾動力和平均側向力逐漸增大。后滾刀的平均滾動力和平均側向力略大于前滾刀。

(3)隨貫入度增大，前滾刀平均垂直力逐漸增大。貫入度為4mm時，裂縫未貫通，后滾刀平均垂直力小于前滾刀平均垂直力；貫入度為6mm時，裂縫貫通，后滾刀平均垂直力相對前滾刀有所降低，下降10 %；貫入度為8mm時，裂縫貫通且巖石過度破碎，后滾刀平均垂直力相對于前滾刀大幅度降低，降低幅值達51 %。