水射流輔助機械滾刀破巖試驗研究

韓偉鋒

(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

水射流切割技術始于20世紀80年代，當時主要使用高壓純水切割非金屬物質，如墻體、強度較低的巖石等。相對于傳統刀具，使用水射流切割提升了切割效率和切割質量。但是，對于較硬的巖石、鋼板、陶瓷等材料，采用純水切割時無論如何提高水壓力、設備功率等，效果都不是很理想。隨后，一些研究者提出在高壓水中增加磨料以提升其切割效率。經過實踐證明，磨料水射流能夠很好地解決純水射流切割效率低的問題[7-9]。

在隧道施工領域，由于作業環境的特殊性，對裝備技術的穩定性、可靠性要求極高[10-11]。隧道掘進施工過程中一旦出現刀具損壞，就必須停機更換，尤其是在富水軟弱地質環境中，需要帶壓進艙更換。由于艙內壓力較高，換刀作業對人員身體素質要求比較高，嚴重情況下還會影響作業人員身體健康，并且會大幅提升工程時間及成本。因此，水射流切割在隧道掘進施工領域的應用進展比較緩慢。

針對水射流破巖已有一些應用研究。甘川等[12]采用SPH-SPH方法,建立了水射流沖擊破巖數值模型，研究了水射流在不同速度、入射角、直徑下對沖擊破巖效率的影響，認為射流入射角在75°左右時破巖效果最佳。雷光宇[13]采用數值模擬方法，對多孔水射流破巖效率進行了研究，認為射流間距對破巖深度的影響較大，適宜的間距可以提高破巖效率。朱團輝等[14]針對硬巖掘進機高壓水耦合破巖的影響因素開展了試驗研究，獲得了水射流壓力、噴嘴直徑、噴嘴移動速度對破巖溝槽深度與溝槽寬度的影響規律。

目前，關于水射流破巖的研究主要是針對水射流切割巖石的能力及影響因素研究，而沒有考慮與隧道掘進機機械滾刀復合破巖的相互影響因素。因此，本文采用滾刀巖機作用綜合試驗臺，搭載水切割裝置[15]，開展水射流輔助機械滾刀破巖試驗，研究水射流與機械滾刀同時破巖時的破巖效能。

1 試驗裝置

滾刀巖機作用綜合試驗臺(如圖1所示)是研究掘進機刀具破巖機制的綜合試驗設備，針對各種類型滾刀，可開展結構物理性能及破巖力學特性研究。通過試驗可模擬不同刀具、刀間距、推力、轉矩和轉速等參數下盾構或TBM破巖，且能夠模擬多刀具組合破巖，采集每把刀具的受力。

圖1 滾刀巖機作用綜合試驗臺Fig. 1 Disc cutter rock-machine interaction comprehensive experimental platform

滾刀巖機作用綜合試驗臺是開展水射流輔助機械滾刀破巖的基礎平臺，其主要參數如表1所示。通過安裝不同刀具(機械刀具、水射流等)，可研究多數量、多種類刀具復合破巖的過程以及不同破巖參數(刀盤轉速、貫入度)條件下的刀具受力情況(破巖正壓力、自轉切向力、公轉側向力)、破巖效率等關鍵數據。

表1 滾刀巖機作用綜合試驗臺性能參數Table 1 Performance parameters of rock breaking mechanism experimental platform of disc cutter

水射流切割裝置首先將水泵送至增壓器，并將水升至高壓，然后高壓水經過噴嘴加入磨料并噴射至巖石表面。如果水射流的壓力超過巖石的破環強度，即可形成切縫，水射流切割裝置參數見表2。

共塔線路極導線的閃絡包含反擊和繞擊兩種情況。共塔線路接地極線的閃絡包含反擊、雷電直接繞擊和雷電繞擊極導線引起接地極線感應閃絡三種情況。由上文分析可知，僅在單極運行時，接地極線閃絡才可能引起雙極閉鎖，故對接地極線路僅研究單極運行時的雷擊閃絡。共塔架設線路和獨立架設線路的雷擊閃絡率如表1所示。

表2 水射流切割裝置參數Table 2 Parameters of water jet cutting device

水射流輔助機械滾刀系統原理圖如圖2所示。高壓發生器產生的高壓水，通過回轉接頭進入刀頭，混合切割磨料進行破巖。刀頭固定在Z向裝置上，可上下調整刀頭與掌子面的距離；Z向裝置固定在徑向裝置上，帶動刀頭進行破巖切割半徑的調整，主要是調整與機械滾刀之間的相對位置。

圖2 水射流輔助機械滾刀系統原理圖Fig. 2 Schematic of water jet assisted mechanical disc cutter system

2 試驗巖樣

試驗用巖樣為萊蕪灰花崗巖，其單軸抗壓強度變化曲線如圖3所示，抗壓強度為145 MPa，詳細參數見表3。為了安全可靠地將試樣固定在試驗臺上，并方便數據采集，將試樣采用2塊拼接的方式與巖箱固定在一起。

圖3 試驗用巖樣單軸抗壓強度變化曲線Fig. 3 Uniaxial compressive strength curve of rock sample for test

表3 試驗用巖樣參數表Table 3 Parameters of rock samples for test

3 試驗方案

3.1 水射流切割巖石

水射流切割靶距是指刀頭端部與掌子面的距離。靶距過大會造成射流壓力降低； 靶距過小，刀頭端部容易與掌子面碰撞。在水中加入石榴石作為磨料，可以提升水射流切割性能。磨料粒徑為80目，水射流壓力為380 MPa，水流量為3.7 L/min。不同的移動線速度會對切縫的深度造成影響，在滿足切縫深度要求的前提下，盡量提高切割線速度。

為獲取水射流切割巖石的性能，采用不同靶距(5、10、15、20、25、30 mm)、不同切割線速度(1.2、2.4、4.8、9.6 m/min)等參數，開展水射流切割性能試驗，獲得水射流破巖合理的參數，用于輔助機械滾刀進行破巖。

3.2 純機械滾刀破巖

為了對比水射流輔助機械滾刀破巖的效果，首先需要在同等破巖條件下(貫入度5 mm，每組試驗刀盤轉1圈)，獲取不同刀盤轉速(1、2、3、4 r/min)情況下的純機械滾刀破巖性能數據(刀盤推力、轉矩及破巖能耗)。為確保試驗數據的可靠性，每次采用4把滾刀破巖，刀間距80 mm，刀具軌跡如圖4所示。

圖4 機械滾刀破巖刀具軌跡圖(單位： mm)Fig. 4 Rock breaking tool path of mechanical disc cutter (unit: mm)

3.3 同軌跡復合破巖

將水射流與機械滾刀同軌跡復合破巖，首先按照預設的軌跡線，采用3.1節確定的靶距和線速度對巖石進行切縫(預期深度不少于10 mm)，切割軌跡如圖4所示。預切縫完成后，為避免破巖過程中撞擊水射流刀頭，通過Z向裝置向上收回水射流刀頭。采用3.2節的純機械滾刀破巖參數，使用機械滾刀按照水射流切縫進行滾壓破巖，獲取水射流與機械滾刀同軌跡復合破巖情況下的刀盤推力、轉矩和破巖能耗。

3.4 交叉軌跡復合破巖

水射流與機械滾刀交叉軌跡復合破巖，首先，按照圖5中虛線預設的軌跡進行水射流切縫； 然后，采用3.2節的純機械滾刀破巖參數，按照圖5中滾刀軌跡(實線)進行滾壓破巖，獲取水射流與機械滾刀交叉軌跡復合破巖情況下的刀盤推力、轉矩和破巖能耗。

圖5 水射流與機械滾刀交叉軌跡復合破巖軌跡圖(單位： mm)Fig. 5 Cross track composite rock breaking of water jet and mechanical disc cutter (unit: mm)

4 數據分析

通過開展水射流切割巖石試驗，獲取合適的破巖靶距和線速度，采用相應的參數開展水射流輔助機械滾刀試驗，獲取不同情況下刀具的三向力和破巖效能，研究水射流輔助隧道掘進機機械滾刀破巖的可行性。

4.1 水射流破巖性能分析

水射流切縫深度是衡量水射流輔助機械滾刀破巖可行性的主要指標。例如: 某工程采用280 MPa水壓進行破巖，切縫深度普遍在3 mm以下，對機械滾刀破巖效率影響不大，且造成能耗增加。

本次試驗采用380 MPa的水壓，加入80目的石榴石作為磨料，按照不同的靶距和線速度，對巖樣進行切割測試，水射流破巖切縫清晰，縫隙寬度基本大于5 mm，不同靶距、線速度情況下水射流破巖切縫深度變化特性如圖6所示。切縫深度隨著靶距和切割線速度的增加而逐漸減小，而靶距比切割線速度對切縫深度的影響更大。靶距大于25 mm的情況下，切縫深度小于2 mm，對輔助破巖影響不大；靶距小于10 mm時，破巖過程中掌子面容易撞擊水射流刀頭。綜合考慮，水射流裝置宜采用的水壓為380 MPa，加入80目的磨料，靶距為15 mm，線速度為9.6 m/min。

圖6 水射流破巖切縫深度變化特性Fig. 6 Variation characteristics of jet slit depth

4.2 刀具破巖受力特性

水射流輔助機械滾刀破巖，首先，采用水刀在巖石掌子面進行預切縫，縫隙寬度約為5 mm，深度約為10 mm，然后進行機械滾刀破巖。本次試驗共有4把直徑13.18 cm(17英寸)的機械滾刀，按照圖4預設的軌跡，采用不同刀盤轉速進行機械滾刀破巖，研究純機械滾刀、水射流與機械滾刀同軌跡復合破巖、水射流與機械滾刀交叉軌跡復合破巖情況下刀盤推力和轉矩的變化特性。

刀盤推力是刀具破巖的主要作用力，其變化規律如圖7所示。隨著刀盤轉速的增加，刀盤推力變化相對平穩。純機械滾刀破巖情況下，刀盤推力明顯大于水射流與機械滾刀復合破巖，水射流與機械滾刀同軌跡破巖時刀盤推力最小，說明在有預切縫的情況下，機械滾刀順著水射流切縫，更利于把巖石擠壓破碎。

圖7 刀盤推力變化規律Fig. 7 Cutterhead thrust variation rule

機械滾刀在破巖過程中隨刀盤公轉而自轉，自轉轉矩產生的滾刀切向力，通過刀盤公轉半徑復合形成刀盤旋轉轉矩。隨著刀盤轉速的增加，刀盤轉矩變化曲線如圖8所示。刀盤轉矩隨著刀盤轉速的增加而減小，說明在硬巖地層，在功率允許的情況下，高轉速更利于破巖。水射流與機械滾刀同軌跡復合破巖刀盤轉矩大于其他情況，主要原因是同軌跡復合破巖造成掌子面破碎量較大，由于巖渣的阻力及二次磨損，造成轉矩總體偏高。當刀盤轉速大于3 r/min時，同軌跡破巖與交叉軌跡破巖刀盤轉矩相差不大，進一步證明了硬巖地層適合高轉速破巖。

圖8 刀盤轉矩變化曲線Fig. 8 Cutterhead torque variation curves

4.3 綜合破巖效能分析

以單位體積破巖所消耗的能量來衡量刀具綜合破巖效能，消耗能量越少，效能越高。單位體積破巖能耗變化曲線如圖9所示。由圖可知： 1)隨著刀盤轉速的增加，純機械滾刀單位體積破巖能耗先逐步減小，然后逐步增大，針對此巖樣，刀盤轉速為3 r/min時，純機械滾刀破巖效能最高。2)刀盤低轉速情況下，純機械滾刀破巖效能最高，隨著刀盤轉速的增加，水射流與機械滾刀同軌跡復合破巖單位體積破巖能耗逐步減小(效能逐步提高)，主要是因為水射流預切縫導致機械滾刀破巖體積增加。3)水射流與機械滾刀交叉軌跡復合破巖能耗總體高于其他2種情況。

圖9 單位體積破巖能耗變化曲線Fig. 9 Variation curves of energy consumption per unit volume of rock breaking

5 結論與展望

1)高壓水射流能夠用于破巖，且破巖效果良好，可用于輔助機械滾刀破巖。在水射流破巖過程中需要加入石榴石或者硬度較高的顆粒作為磨料，破巖效果更好。建議將水射流靶距設置為15 mm左右，線速度為10 m/min左右。

2)高壓水射流輔助機械滾刀破巖可有效降低機械滾刀破巖推力，但與刀盤轉速關系不大。水射流與機械滾刀同軌跡復合破巖效果優于交叉軌跡復合破巖效果，且相較于純機械滾刀破巖刀盤推力降低約40%。

3)隨著刀盤轉速的增加，刀盤轉矩逐步降低，說明硬巖地層條件下，刀盤轉速越大越利于破巖。水射流與機械滾刀同軌跡復合破巖情況下刀盤轉矩總體高于其他2種情況，主要原因是在此種情況下，破巖量較大造成刀具切向力增大。

4)水射流輔助機械滾刀破巖雖然能夠有效降低刀盤推力，但是能耗過大，總體效能并不高，特別是在低轉速情況下，水射流與機械滾刀交叉軌跡破巖比純機械滾刀破巖單位體積破巖能耗高約20%。隨著刀盤轉速的增加，水射流與機械滾刀同軌跡復合破巖量增大，綜合破巖效能要高于其他2種情況。

水射流能夠有效地輔助隧道掘進機滾刀破巖，但是綜合效能并不高，只能針對性地解決一些特殊問題，如極軟極硬基巖凸起地層破巖等，不適合在一般地質條件下使用。因此，下一步還需要探索電磁沖擊等低能耗高效率破巖技術。