海底隧道基巖突起段地層典型滾刀破巖實驗研究

李鳳遠， 陳 橋， 馮歡歡

(1. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

超大直徑泥水盾構在高強度基巖突起地層掘進時，盤形滾刀類型及掘進參數的選取至關重要，將直接影響著盾構的掘進效率及設備安全。國內諸多研究人員在滾刀破巖方面開展了大量的研究工作： 文獻[1]采用基于43.18 cm(17英寸)盤形滾刀制作縮尺滾刀，研究不同載荷下盤形滾刀破巖的破碎效果及破碎效率；文獻[2]研究了30.48 cm(12英寸)4排鑲齒滾刀在不同貫入度下的破巖規律；文獻[3]利用線性切割試驗，研究碴片形狀與TBM破巖效率之間的關系，利用刀間距與貫入度的比值來評估刀具破巖效率；文獻[4]采用離散元的方法，通過滾刀破巖裂縫數量、寬度、深度及延伸長度來判斷不同形狀尺寸滾刀的破巖效果；文獻[5]將實驗研究與數值仿真相結合，研究了考慮圍壓作用下的縮尺盤形滾刀靜壓破巖時巖石失效模式和裂紋擴展規律；文獻[6]采用數值仿真的方法研究了滾刀破巖受力與貫入度之間的關系；文獻[7]采用數值仿真的方法研究了節理間距、傾角及貫入度對滾刀破巖的影響；文獻[8]利用48.26 cm(19英寸)非鑲齒滾刀開展不同刀間距及貫入度下的破巖實驗，對比分析了施工現場掘進數據和室內實驗結果，研究了TBM的破巖效率；文獻[9-13]主要研究了盤形滾刀破巖過程中的受力情況。

綜上所述，近年在滾刀破巖方面已有的研究成果具有如下特點： 1)多集中在小直徑盤形滾刀破巖機制研究； 2)采用實驗或數值仿真研究單刀受力。對于不同刀圈類型的48.26 cm(19英寸)滾刀破巖效果的對比研究及破碎高強度花崗巖時破巖力與掘進速度之間的關系研究相對較少，本文結合汕頭蘇埃通道工程，開展不同類型和載荷下的滾刀破巖實驗，以獲取相同載荷條件下48.26 cm(19英寸)滾刀刀圈是否鑲嵌合金齒的破巖效果，掌握不同載荷和貫入度下48.26 cm(19英寸)滾刀的掘進速度變化規律。

1 基巖突起段地質概況

汕頭海灣隧道工程盾構段穿越的地層有填筑土、淤泥、淤泥質土、淤泥混砂、粉細砂、粉質黏土、中砂、粗砂、礫砂、礫質黏性土、微弱中全風化花崗巖等，其中基巖突起段位于海中主航道下方，3段累計長度約為182 m，侵入隧道最大高度約6 m?；鶐r突起段如圖1所示。該段主要是微風化花崗巖塊狀構造，裂隙較發育，局部存在強度較大的微風化花崗巖，RQD為55%～78%，飽和單軸抗壓強度為41.7～214 MPa，抗拉強度為2.02～9.35 MPa。

2 巖樣性能參數測試

2.1 單軸抗壓強度測試

采用蘇埃通道工程現場的巖石，依據GB T 50266—2013《工程巖體試驗方法標準》，制作用于單軸壓縮實驗巖樣，測試得到巖樣單軸抗壓強度約為134 MPa。

2.2 巖石CAI值測試

采用巖石磨蝕伺服實驗儀測試巖樣的CAI值，如圖2所示。巖石CAI測試結果如表1所示。巖石磨蝕性CAI值分級標準如表2所示。

圖2 巖樣CAI測試

分類編號樣品編號測量值0°120°240°平均測量值巖石CAI值1#1-1#3.9614.1243.7533.9461-2#3.4654.0863.5383.6961-3#4.0164.5063.7054.0763.912#2-1#3.6833.5463.6353.6212-2#3.6613.7263.5663.6512-3#3.4403.9853.7993.7413.673#3-1#3.4653.7533.8013.8013-2#3.7734.2264.1184.0393-3#3.5973.7333.4053.5783.814#4-1#3.2413.5592.9873.2624-2#3.3873.4353.7333.5184-3#4.0703.9613.6993.9103.56

注： 0°、120°、240°為測量角。

表2巖石磨蝕性CAI值分級標準

Table 2 Classification standard for CAI value of rock abrasiveness

磨蝕值磨蝕性等級0.1～0.4極低 0.5～0.9非常低1.0～1.9低 2.0～2.9中等 3.0～3.9高 4.0～4.9非常高≥5極高

對比表1和表2可知： 本次測試所用的巖樣CAI值為3.56～3.91，其磨蝕性等級為高。盾構刀具作用在這種巖層上時，刀具容易磨損。

2.3 巖樣元素成分測試

利用巖石成分分析儀測量該巖樣的主要元素含量，測試結果表明蘇埃通道工程現場的花崗巖巖樣主要元素為Si、Ca、Al、K，其中Si元素含量最高，達到37.35%(見表3)，推測此類巖樣SiO2或硅酸鹽含量較高。

表3 巖石主要元素成分測試數據

3 破巖采用的2種典型滾刀

本次滾刀破巖實驗采用的2種典型刀具如圖3所示。開展雙軸雙刃盤形滾刀破巖實驗，對比分析2種類型滾刀的破巖效果，每次實驗時同時安裝2把同類型的滾刀。實驗所用的2種典型滾刀的刀刃尺寸圖如圖4所示。

(a) 48.26 cm(19英寸)平刃盤形滾刀

(b) 48.26 cm(19英寸)鑲齒盤形滾刀

4 600 kN 2種典型滾刀破巖效果實驗及分析

4.1 掘進參數變化

采用力控制方式，將載荷目標值設置為600 kN(單把刀約300 kN)，巖箱轉速為1 r/min，刀間距為100 mm，獲得2種類型滾刀破巖時總推力-時間變化曲線如圖5所示，對應的掘進距離隨時間變化情況如圖6所示。

(a) 平刃盤形滾刀

(b) 鑲齒盤形滾刀

(a) 平刃盤形滾刀

(b) 鑲齒盤形滾刀

Fig. 5 Time-histroy curves of total thrust of two types of disc cutters when breaking rocks

圖6 2種類型盤形滾刀破巖時掘進距離-時間變化曲線

Fig. 6 Time-history curves of boring distance of two types of disc cutter when breaking rocks

由圖5可以看出： 1)雖然目標值為600 kN，但實際破巖過程中，總推力在目標值上下波動； 2)本次實驗采用的花崗巖強度高，破巖時所需的總推力較大； 3)采用2種類型的滾刀破巖時，總推力波動的瞬時最大值均超過700 kN。

由圖6可以看出： 1)在剛開始掘進時，掘進距離時間曲線有所重疊，2種類型盤形滾刀掘進速度相當； 2)在后續掘進過程中，在相同載荷作用下，鑲齒盤形滾刀的掘進速度逐漸小于平刃盤形滾刀。

對2種類型盤形滾刀掘進距離時間曲線變化趨勢進行擬合，得到平刃盤形滾刀掘進速度約為3.99 mm/min，鑲齒盤形滾刀掘進速度約為2.34 mm/min。

4.2 巖碴粒徑篩分統計分析

2種類型滾刀破巖后形成的巖渣如圖7所示。可觀察到平刃滾刀形成的巖渣(見圖7(a))尺寸大于鑲齒滾刀(見圖7(b))。分別收集2種類型滾刀在相同掘進參數下巖碴并進行篩分，統計不同粒徑下的巖碴分布比例，如表4所示。

(a) 平刃盤形滾刀

(b) 鑲齒盤形滾刀

Table 4 Size distributions of rocks broken by two types of disc cutters

%

由表4可以看出： 2種類型的滾刀破碎的巖碴分布情況既有共性又有各自的特點。

1)共性。在刀間距為100 mm時，2種滾刀破碎的巖碴粒徑均無超過100 mm，巖碴粒徑為<2.5 mm的所占比例相較其他粒徑均最高，平刃滾刀的為26.1%，鑲齒滾刀為40.4%；其次是巖碴粒徑為40～50 mm，平刃滾刀為15.7%，鑲齒滾刀為10.2%；粒徑為2.5～40 mm的巖碴，二者分布趨勢類似。

2)各自特點。粒徑為40～80 mm，平刃滾刀破碎的巖碴所占比例高于鑲齒滾刀，平刃滾刀的為15.7%～3.6%，鑲齒滾刀的為10.2%～0.8%，說明平刃滾刀破碎的巖碴中大塊巖碴所占比例較高；對于粒徑小于10 mm，尤其是粒徑小于2.5 mm的巖碴，鑲齒滾刀的比例遠大于平刃滾刀的比例，說明鑲齒滾刀破巖時細小顆粒狀的巖碴較多。

4.3 破巖效果分析

綜合圖6所示2種類型盤形滾刀破巖過程中的掘進速度及表4破碎巖碴粒徑分布規律，可以看出： 1)在相同總推力情況下，2種類型滾刀均可以實現滾壓破巖； 2)相同條件下鑲齒盤形滾刀破巖時的掘進速度小于平刃盤形滾刀； 3)相同條件下2種類型盤形滾刀破碎巖碴中，平刃滾刀破碎的大塊巖碴(粒徑40～80 mm)比例高于鑲齒滾刀，而小顆粒及粉末狀(粒徑小于10 mm)所占比例低于鑲齒滾刀，從高效破巖的角度來看，平刃滾刀破巖效率高于鑲齒盤形滾刀。

原因分析： 對于鑲齒滾刀，由于刀圈上有硬質合金齒，在剛開始破巖時僅有少數合金齒與巖面接觸，接觸面積小，容易將巖樣上的接觸區壓碎形成凹坑，如圖7(b)所示。但由于鑲齒滾刀齒根處刀刃寬度大于平刃滾刀，在后續破巖過程中，此類刀刃與巖石的實際接觸面積將會增加，在推力相同的條件下，降低了巖石單位面積上的載荷，這種變化是不利于破巖的，而平刃滾刀在破巖過程中刀刃與巖石表面的接觸面積較小且保持穩定，有利于破巖。鑲齒滾刀的合金齒與巖石作用后在巖石表面形成凹坑，接觸區域的巖石碎裂成細小顆粒甚至粉末狀，未能積聚足夠的能量形成裂紋并貫通，難以形成大塊巖碴，故鑲齒滾刀破巖后的細小顆粒巖碴占比相對較高。

5不同載荷及刀間距下的破巖實驗及分析

5.1 平刃滾刀不同刀間距推力-掘進效率

從上述破巖效果來看，平刃滾刀破巖效果比鑲齒滾刀破巖效果好，故在開展不同載荷下的破巖實驗時采用平刃滾刀。將刀間距分別設置為100 mm和110 mm，每種刀間距下分別設置總推力為300、400、500、600 kN(即單刀推力分別為150、200、250、300 kN)獲得的掘進距離隨時間變化曲線。刀間距100 mm時，不同推力下的掘進距離隨時間變化曲線如圖8所示。刀間距為110 mm時，不同推力下的掘進距離隨時間變化曲線如圖9所示。

(a) 總推力為300 kN時的掘進距離-時間曲線

(b) 總推力為400 kN時的掘進距離-時間曲線

(c) 總推力為500 kN時的掘進距離-時間曲線

(d) 總推力為600 kN時的掘進距離-時間曲線

圖8刀間距為100mm時不同推力下掘進距離隨時間變化曲線

Fig. 8 Time-history curves of tunneling distance with different total thrust when cutter space is 100 mm

(a) 總推力為300 kN時的掘進距離-時間曲線

(b) 總推力為400 kN時的掘進距離-時間曲線

(c) 總推力為500 kN時的掘進距離-時間曲線

(d) 總推力為600 kN時的掘進距離-時間曲線

圖9刀間距為110mm時不同推力下掘進距離隨時間變化曲線

Fig. 9 Time-history curves of tunneling distance with different total thrust when cutter space is 110 mm

分析上述不同刀間距條件下，不同總推力時的掘進速度變化情況如圖10所示?？梢钥闯觯?1)2種刀間距條件下總推力與掘進速度之間的變化趨勢基本一致； 2)當總推力為300 kN時，掘進速度約為1 mm/min； 3)當總推力為600 kN時，掘進速度為3.5～4 mm/min； 4)隨著總推力增加掘進速度逐漸增加，但是這種增加趨勢是非線性的，總推力從300 kN增加到400 kN以及從400 kN增加到500 kN時，掘進速度的增幅均大于總推力從500 kN增加到600 kN的增幅。

圖10 2種刀間距條件下總推力與掘進速度之間關系曲線

Fig. 10 Relationship between total thrust and tunneling speed with two different cutter spaces

5.2 平刃滾刀不同總推力下的破巖效果

刀間距為100 mm時，采用平刃滾刀總推力為300、400、500、600 kN(即單刀推力分別為150、200、250、300 kN)，對應破巖效果如圖11—14所示。

(a) 清碴前

(b) 清碴后

對不同推力下破巖后收集的巖碴進行篩分，統計相應的不同粒徑巖碴占比分布情況，匯總如表5所示?？梢钥闯觯?1)不同推力下不同粒徑巖碴總體上分布趨勢相似，即巖碴粒徑小于2.5 mm所占比例最高，均超過了20.0%； 2)巖碴粒徑為40～50 mm所占比例為13.0%～20.0%； 3)巖碴粒徑為2.5～40 mm的分區趨勢相似。

(a) 清碴前

(b) 清碴后

(a) 清碴前

(b) 清碴后

(a) 清碴前

(b) 清碴后

Table 5 Size distributions of rock slags broken by different thrusts

%

由表5還可知推力對巖碴粒徑分布的影響： 1)推力為300 kN時，未產生粒徑為80～100 mm的大塊巖碴，而推力為400、500、600 kN時均產生了此種粒徑的大塊巖碴，且推力為600 kN時大塊巖碴所占比例是最高的，為6.7%；推力為500 kN時破碎的大塊巖碴，占比為5.5%； 推力為400 kN時破碎的大塊巖碴占比為2.4%。2)對于粒徑小于2.5 mm的巖碴，推力為300 kN時所占比例最高，為28.9%；推力為400 kN和500 kN時占比近似，分別為26.2%和26.8%；推力為600 kN時最低，為22.3%。

從不同推力作用下的不同粒徑巖碴分布變化情況綜合分析可以得出： 1)當推力為300 kN時，滾刀破巖能力不高，部分形成的裂紋無法貫通形成大塊巖碴，掘進速度較低； 2)當推力逐漸增大到600 kN，容易造成裂紋貫通，形成大塊巖碴，掘進速度可以提高到約4.1 mm/min。

6 結論與建議

1)汕頭海灣隧道現場巖石為高磨蝕巖石，該巖石SiO2或硅酸鹽含量偏高，對盾構掘進刀具使用影響大。

2)對于48.26 cm(19英寸)2種類型的滾刀，在相同總推力情況下，2種類型滾刀均可以實現滾壓破巖；相同條件下鑲齒盤形滾刀破巖時的掘進速度小于一般平刃盤形滾刀；相同條件下2種類型盤形滾刀破碎的巖碴中，平刃滾刀破碎的大塊巖碴占比更高，一般平刃滾刀破巖效率高于鑲齒盤形滾刀。

3)當總推力為300 kN(單把滾刀約150 kN)時，滾刀破巖能力不高，形成的大塊巖碴較少，掘進速度較低，約為0.97 mm/min；當總推力逐漸增大到600 kN(單把滾刀300 kN，滾刀極限載荷為320 kN/把)，容易造成裂紋貫通，形成大塊巖碴，掘進速度可以提高到約4.1 mm/min。

為了確保盾構過海底基巖突起段高效連續通過，建議在指定方案時，結合刀具承載力極限及圍巖穩定性特征，采用較大推力。