預(yù)切縫輔助TBM滾刀破巖貫入荷載演化規(guī)律

摘要"基于全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine，TBM）滾刀貫入室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了3種不同破巖模式（完整巖樣破巖、同軌跡破巖和異軌跡破巖）在不同圍壓條件下高強(qiáng)度花崗巖樣貫入荷載演化特征，重點(diǎn)揭示貫入荷載-貫入度特征曲線、峰值荷載、最大跌落幅值變化規(guī)律，獲取不同破巖模式在不同圍壓條件下TBM滾刀受力特性。結(jié)果表明：1）高圍壓組貫入荷載-貫入度特征曲線較低圍壓組先跌落，跌落幅度較小，但其對(duì)應(yīng)的貫入荷載并非峰值荷載，而低圍壓組初次跌落荷載為峰值荷載，且跌落幅值較大；2）在中高圍壓10～15 MPa時(shí)，峰值荷載及貫入荷載最大跌落幅值均最小，表明此圍壓范圍較利于TBM的掘進(jìn)；3）低圍壓條件下選用異軌跡破巖模式較同軌跡破巖模式能更有效地降低TBM滾刀貫入荷載，但同軌跡破巖模式的巖樣發(fā)生楔裂破壞，其最大跌落幅值最小，更能減少刀具所受沖擊荷載，減少刀具磨損。

關(guān)鍵詞"高強(qiáng)度超硬巖;"全斷面隧道掘進(jìn)機(jī);"預(yù)切縫;"破巖模式;"貫入荷載

隨著交通強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的深入實(shí)施以及深部資源開(kāi)采和水資源開(kāi)發(fā)等需求的日益增長(zhǎng)，大量深長(zhǎng)隧道應(yīng)運(yùn)而生^[1]，全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine，TBM）技術(shù)隨之興起。與傳統(tǒng)鉆爆法相比，TBM掘進(jìn)技術(shù)具有施工速度快、隧洞成型好、作業(yè)安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于深長(zhǎng)隧道掘進(jìn)施工^[2]。然而，當(dāng)TBM掘進(jìn)過(guò)程中遭遇高強(qiáng)度高磨蝕性地層時(shí)，將不可避免地出現(xiàn)掘進(jìn)速度緩慢、刀具磨損嚴(yán)重等一系列問(wèn)題，導(dǎo)致工期延長(zhǎng)、施工成本升高^[3]。在引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞^[4]TBM掘進(jìn)時(shí)遭遇了高強(qiáng)度的花崗巖巖體（單軸抗壓強(qiáng)度高達(dá)242 MPa），造成刀具嚴(yán)重磨損，刀具更換時(shí)長(zhǎng)占總工期的1/3，維修費(fèi)用占總施工費(fèi)用的1/3；挪威R?ss?ga水電項(xiàng)目^[5]在施工過(guò)程中遭遇了由云母片巖、片麻巖和大理巖等組成的高磨蝕性極硬巖層（單軸抗壓強(qiáng)度高達(dá)280 MPa），導(dǎo)致刀具壽命極短，甚至刀盤(pán)軸承損壞。為了解決上述問(wèn)題，工業(yè)界提出了一種采用高壓水射流輔助破巖的新技術(shù)^[6]，通過(guò)將高壓水刀射流噴嘴搭載在盾構(gòu)刀盤(pán)上，先行高壓水刀切割掌子面形成預(yù)切縫，在后行TBM滾刀貫壓切削作用下，促進(jìn)巖體裂紋的擴(kuò)展貫通，實(shí)現(xiàn)高效破巖掘進(jìn)。首臺(tái)高壓水射流輔助破巖TBM“龍巖號(hào)”已成功應(yīng)用于福建龍巖萬(wàn)安溪引水工程^[7]。

針對(duì)高壓水射流輔助TBM破巖技術(shù)，目前學(xué)者們就其破巖機(jī)理及破巖效率影響因素展開(kāi)了一系列研究，并取得了一定成果。周輝等^[8]開(kāi)展了常截面滾刀貫入預(yù)切槽巖樣試驗(yàn)，研究發(fā)現(xiàn)預(yù)切槽的存在有利于裂紋的擴(kuò)展貫通，能夠促進(jìn)巖石的破碎。Oh等^[6]使用高壓磨料水射流進(jìn)行巖石切割試驗(yàn)，研究揭示了不同射流參數(shù)對(duì)巖石切割效果的影響規(guī)律。徐福通等^[9]基于3種不同巖性及有無(wú)預(yù)切縫試樣的滾刀貫入試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)預(yù)切槽能降低巖樣破碎時(shí)壓頭的法向荷載約44.13%～53.05%，且法向荷載降低比例與巖石單軸抗壓強(qiáng)度有關(guān)。Karakurt等^[10]利用磨料水射流輔助切割花崗巖樣品，得到了磨料濃度、噴嘴距離等對(duì)預(yù)切割縫隙寬度的影響規(guī)律。程建龍等^[11]基于巖體有高壓磨料水射流切縫的滾刀貫入試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了滾刀貫入荷載隨預(yù)切縫深度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)貫入荷載隨預(yù)切縫深度的增加而呈線性降低。汪珂^[12]基于顆粒簇離散元方法進(jìn)行了預(yù)切縫輔助滾刀破巖的數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)滾刀破巖載荷隨著預(yù)切縫與滾刀間距的增大而迅速增大。Cheng等^[13]基于室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了水射流的約束壓力和切割深度對(duì)穿透力、巖屑和比能量的影響，并建議切口深度大于18 mm，以降低穿透力，顯著提高破巖效率。Zhang等^[14]依托“龍巖號(hào)”所運(yùn)用的福建龍巖萬(wàn)安溪引水工程，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)開(kāi)展研究，發(fā)現(xiàn)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為6 r/min、高壓水射流壓力為270 MPa時(shí)掘進(jìn)速度最大。

高壓水射流輔助TBM滾刀破巖技術(shù)適用于高磨蝕性極硬巖地層，在破巖過(guò)程中，TBM滾刀貫入荷載演化規(guī)律復(fù)雜，荷載跌落幅值大，對(duì)TBM刀具沖擊作用強(qiáng)烈。進(jìn)一步研究該技術(shù)在破碎超硬巖過(guò)程中TBM滾刀貫入荷載演化規(guī)律對(duì)于揭示破巖效率、保護(hù)TBM刀具具有重要意義。然而，目前針對(duì)不同因素影響下TBM滾刀貫入荷載演化規(guī)律的研究工作極少。筆者基于TBM滾刀貫入模型試驗(yàn)對(duì)滾刀破巖過(guò)程中的貫入荷載的演化規(guī)律進(jìn)行研究。通過(guò)研究不同圍壓條件和不同破巖模式對(duì)貫入荷載-貫入度特征曲線、峰值荷載、最大跌落幅值變化規(guī)律，獲取不同破巖模式在不同圍壓條件下TBM滾刀受力特性，得到不同工況下滾刀所受垂直反力的變化規(guī)律，從而揭示高壓水射流輔助TBM滾刀破巖機(jī)制，為極硬巖地層高壓水射流輔助TBM破巖高效安全掘進(jìn)提供理論支持。

1"TBM滾刀貫入模型試驗(yàn)

1.1"巖樣參數(shù)及試驗(yàn)方案

試驗(yàn)花崗巖巖樣取自湖北麻城市，經(jīng)室內(nèi)基礎(chǔ)力學(xué)試驗(yàn)檢測(cè)，巖樣的單軸抗壓強(qiáng)度為202.32 MPa，是典型的超硬巖^[15]；脆性指標(biāo)為18.89，屬于典型的脆性材料^[16]。將巖樣加工為190 mm×150 mm×25 mm（長(zhǎng)×高×寬）的長(zhǎng)方體巖樣試樣（見(jiàn)圖1），用于TBM滾刀貫入模型試驗(yàn)。

為了更好地反映預(yù)切縫與滾刀之間的位置關(guān)系，將高壓水射流輔助TBM破巖模式分為3種：完整巖樣破巖、同軌跡破巖和異軌跡破巖^[17]。完整巖樣破巖為巖樣未采用高壓水射流處理直接貫入，同軌跡破巖模式為預(yù)切縫在滾刀正下方，異軌跡破巖模式為預(yù)切縫在滾刀兩側(cè)，預(yù)切縫-刀具軸線間距為L，預(yù)切縫深度為H，分別如圖2所示。

設(shè)置不同圍壓參數(shù)：無(wú)圍壓（為固定巖樣且模擬有側(cè)限條件下的貫入試驗(yàn)，此圍壓條件下施加0.1 MPa側(cè)限壓力^[9]）、低圍壓（1.25、2.5 MPa）、高圍壓（10、15、20 MPa）。完整巖樣試驗(yàn)為對(duì)照組，進(jìn)行了6種不同圍壓的試驗(yàn)。預(yù)切縫深度設(shè)置為H=20 mm，同軌跡破巖模式、異軌跡破巖模式預(yù)切縫-刀具軸線間距設(shè)置為0、20 mm。

1.2"試驗(yàn)設(shè)備及流程

試驗(yàn)均在RMT-301電液伺服剛性試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該裝置主要由RMT-301伺服液壓試驗(yàn)機(jī)、橫向液壓千斤頂、側(cè)向手動(dòng)千斤頂和承壓板組成。試驗(yàn)采用自主設(shè)計(jì)加工的高強(qiáng)度楔形壓頭，其刀刃角度為120°，寬度為2 mm，整體寬度為40 mm，如圖3所示。將試樣中心與滾刀中心對(duì)齊安放在上述側(cè)向約束框架中，啟動(dòng)RMT-301電液伺服剛性試驗(yàn)機(jī)，進(jìn)入加載狀態(tài)，加載速率為0.005 mm/s，使?jié)L刀開(kāi)始貫入，直至巖樣發(fā)生破壞。整個(gè)過(guò)程中貫入載荷深度曲線由外接電腦實(shí)時(shí)采集和顯示，記錄TBM滾刀貫入模型試驗(yàn)全過(guò)程。

2"圍壓對(duì)貫入荷載演化規(guī)律的影響

2.1"貫入荷載-貫入度特征曲線演化規(guī)律

貫入荷載-貫入度特征曲線是滾刀貫入巖樣時(shí)法向力與貫入深度的相互聯(lián)系，其變化特征和規(guī)律可直觀反映滾刀與巖樣之間的相互作用關(guān)系，可表征滾刀貫入巖樣時(shí)所誘發(fā)的裂紋萌生、擴(kuò)展貫通以及宏觀破壞行為的演化過(guò)程。不同圍壓條件下巖樣的貫入荷載-貫入度特征曲線如圖4所示。將不同圍壓條件下巖樣發(fā)生初次躍進(jìn)破壞對(duì)應(yīng)的貫入度匯總在表1。

由圖4可知，當(dāng)施加在巖樣兩側(cè)的圍壓較低時(shí)（無(wú)圍壓、1.25 MPa、2.5 MPa），貫入荷載隨著貫入度的增大而增大，直至貫入荷載達(dá)到峰值時(shí)，巖樣發(fā)生躍進(jìn)破壞，貫入荷載呈現(xiàn)較大跌落。由曲線可知，在躍進(jìn)破壞之前，貫入荷載-貫入度曲線可以較為顯著地分為非線性增長(zhǎng)、線彈性增長(zhǎng)、裂紋萌生擴(kuò)展3個(gè)階段，分別對(duì)應(yīng)著巖樣接觸壓密、微裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展破碎過(guò)程，這與劉泉聲等^[18]滾刀貫入室內(nèi)試驗(yàn)破壞行為相一致。無(wú)圍壓、1.25 MPa、2.5 MPa圍壓條件下，巖樣發(fā)生躍進(jìn)破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的貫入度分別為0.879、1.271、1.290 mm。可以發(fā)現(xiàn)，隨著圍壓的增大，巖樣發(fā)生躍進(jìn)破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的貫入度逐漸增大，這是圍壓的增大對(duì)巖樣內(nèi)部裂紋的萌生擴(kuò)展的抑制作用加強(qiáng)所導(dǎo)致^[19]。

當(dāng)施加在巖樣兩側(cè)的圍壓較高時(shí)（10、15、20 MPa），貫入荷載-貫入度曲線與低圍壓組存在著一定的差異性，在達(dá)到峰值荷載之前，各圍壓條件下的貫入荷載-貫入度曲線有一個(gè)初次跌落，10、15、20 MPa圍壓條件下所對(duì)應(yīng)的貫入度分別為0.893、1.126、1.171 mm。可以發(fā)現(xiàn)，高圍壓組產(chǎn)生初次跌落所對(duì)應(yīng)的貫入度與低圍壓組發(fā)生躍進(jìn)破壞時(shí)所對(duì)應(yīng)的貫入度近似，均在1 mm左右，且高圍壓組均先于低圍壓組出現(xiàn)初次跌落。分析原因?yàn)椋寒?dāng)施加在巖樣兩側(cè)的圍壓較大時(shí)，隨著貫入度的增大，滾刀下方巖樣產(chǎn)生裂紋的萌生與一定程度的擴(kuò)展，誘發(fā)貫入荷載出現(xiàn)小幅的初次跌落。然而該階段高圍壓抑制了初始裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展貫通，致使巖樣內(nèi)部并未產(chǎn)生宏觀主裂紋，此時(shí)巖樣具備較高的承載能力。隨著滾刀的進(jìn)一步貫入，下方巖樣中裂紋加速擴(kuò)展并逐漸匯聚貫通形成宏觀主裂紋，此刻巖樣承載能力急劇下降，貫入荷載在達(dá)到峰值后大幅急劇降低，出現(xiàn)典型的躍進(jìn)破碎現(xiàn)象。

基于上述分析可知，當(dāng)施加在巖樣兩側(cè)的圍壓較低時(shí)，貫入荷載初次跌落時(shí)就對(duì)應(yīng)其峰值荷載，且跌落幅值較大，此時(shí)對(duì)應(yīng)著巖石宏觀裂紋的擴(kuò)展貫通；當(dāng)施加在巖樣兩側(cè)的圍壓較高時(shí)，在達(dá)到峰值荷載之前，貫入荷載存在初次跌落現(xiàn)象，但跌落幅度較小，而后隨著貫入度進(jìn)一步增大，貫入荷載繼續(xù)增大直至達(dá)到峰值荷載。

2.2"峰值荷載演化規(guī)律

峰值荷載為滾刀下方巖樣發(fā)生破裂時(shí)的荷載，繪制不同圍壓條件下巖樣峰值荷載變化柱狀圖，如圖5所示。為了更為直觀地展現(xiàn)圍壓對(duì)巖樣峰值荷載的影響，以無(wú)圍壓條件的峰值荷載為分母，各圍壓條件與無(wú)圍壓條件下的峰值荷載差值為分子，計(jì)算得到峰值荷載增大百分比，結(jié)果見(jiàn)表2。

由圖5和表2可見(jiàn)，隨著圍壓的增大，峰值荷載整體呈先增大、后減小、再增大的趨勢(shì)。當(dāng)施加在巖樣上的圍壓小于2.5 MPa時(shí)，峰值荷載隨著圍壓的增大而增大，其中，1.25、2.5 MPa圍壓條件下的峰值荷載增大百分比分別為11.78%、13.32%，表明在此圍壓范圍內(nèi)滾刀破巖所需推力隨著圍壓的增大而增大。隨著圍壓的進(jìn)一步增大，峰值荷載呈減小的趨勢(shì)，在10、15 MPa時(shí)呈現(xiàn)出較小值，相較于無(wú)圍壓條件，分別降低了3.86%、8.08%。說(shuō)明在10～15 MPa 圍壓范圍內(nèi)巖樣發(fā)生破裂時(shí)所需要的推力較小，破巖難度一定程度減小；當(dāng)施加在巖樣上的圍壓繼續(xù)增大時(shí)，峰值荷載繼續(xù)呈增大的趨勢(shì)，20 MPa圍壓條件下峰值荷載增大百分比為16.92%，此時(shí)巖樣發(fā)生破裂所需推力較大。

不同圍壓水平對(duì)TBM破巖過(guò)程的影響主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一方面，圍壓作用可能誘發(fā)裂紋向水平方向擴(kuò)展并與自由面貫通，形成側(cè)向裂紋，促進(jìn)巖石破碎；另一方面，圍壓作用也可能抑制中間裂紋的擴(kuò)展，增加破巖難度^[20-22]。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)并結(jié)合筆者研究結(jié)果，推斷可能存在臨界圍壓值（或范圍），即：當(dāng)圍壓低于臨界值，TBM破巖促進(jìn)作用明顯；相反地，當(dāng)圍壓高于臨界值，TBM破巖抑制作用明顯。基于試驗(yàn)結(jié)果可得，在圍壓為10～15 MPa時(shí)，促進(jìn)作用大于抑制作用，此時(shí)TBM滾刀貫入峰值荷載最小；而當(dāng)圍壓上升至20 MPa時(shí)，圍壓對(duì)裂紋擴(kuò)展的抑制作用大于促進(jìn)作用，此時(shí)TBM滾刀貫入峰值荷載增大，即巖樣發(fā)生破裂所需推力更大。上述結(jié)果與已有研究成果結(jié)論具有較好的一致性^[23]。

基于上述分析可知，在低圍壓條件下，完整巖樣峰值荷載隨著圍壓的增大而增大，表明低圍壓施工環(huán)境不利于TBM掘進(jìn)，且圍壓越大，TBM掘進(jìn)越困難。這與張魁等^[24]的試驗(yàn)研究結(jié)果相同：當(dāng)圍壓低于2.5 MPa時(shí)，巖樣中間裂紋的發(fā)展相比于側(cè)向裂紋的發(fā)展更好，當(dāng)圍壓大于2.5 MPa時(shí)，側(cè)向裂紋反而更易擴(kuò)展。TBM的有效掘進(jìn)一般是側(cè)向裂紋之間貫通后產(chǎn)生大塊巖片^[9]，因此，圍壓低于2.5 MPa時(shí)側(cè)向裂紋擴(kuò)展較困難，不利于TBM掘進(jìn)。當(dāng)圍壓為10～15 MPa時(shí)，峰值荷載較小，說(shuō)明圍壓為10～15 MPa是較利于TBM掘進(jìn)的施工環(huán)境。10～15 MPa是一個(gè)臨界范圍，當(dāng)圍壓超過(guò)臨界范圍時(shí)，TBM掘進(jìn)難度增大，對(duì)刀盤(pán)、刀具造成的損傷較大。因此，在圍壓超過(guò)20 MPa和低于2.5 MPa的環(huán)境下施工時(shí)，需選用較高硬度的刀刃。

2.3"貫入荷載最大跌落幅值演化規(guī)律

TBM破巖過(guò)程中將會(huì)多次出現(xiàn)躍進(jìn)破碎現(xiàn)象，貫入荷載突降時(shí)，巖樣破碎釋放出的能量會(huì)對(duì)刀具產(chǎn)生瞬時(shí)且巨大的沖擊力，這會(huì)對(duì)刀具造成損傷，甚至導(dǎo)致刀具崩裂。因此，通過(guò)計(jì)算貫入荷載最大跌落幅值，分析各因素對(duì)貫入荷載降低幅度的影響，對(duì)如何保護(hù)刀具有重要意義。

圖6為各圍壓條件下完整巖樣的貫入荷載最大跌落幅值柱狀對(duì)比圖，可以發(fā)現(xiàn)，貫入荷載最大跌落幅值隨著圍壓的增加而降低，在圍壓為10、15 MPa時(shí)出現(xiàn)最小值，分別為24.27、24.09 kN。表示當(dāng)TBM在圍壓為10～15 MPa的施工環(huán)境時(shí)，完成一次有效破巖^[25]后刀盤(pán)、刀具所受沖擊力最小，因此，10～15 MPa圍壓為較優(yōu)施工環(huán)境。這與彭琦^[20]的圍壓作用有利于TBM滾刀破巖研究結(jié)論相同；也與圍壓為10～15 MPa時(shí)峰值荷載最小、有利于TBM破巖的結(jié)論對(duì)應(yīng)。高圍壓比低圍壓的最大跌落幅值小，原因?yàn)楦邍鷫簳?huì)抑制裂紋的產(chǎn)生，破碎時(shí)能量釋放較緩，低圍壓對(duì)裂紋抑制作用較弱，主裂紋形成后巖樣破碎立刻對(duì)刀具釋放出較大沖擊力。

圍壓為20 MPa的貫入荷載最大跌落幅值較大，為46.63 kN。分析圖4中2.5 MPa圍壓下貫入荷載-貫入度特征曲線發(fā)現(xiàn)，其貫入荷載最大跌落幅值未出現(xiàn)在峰值貫入荷載跌落后，而是發(fā)生在第4次跌落后。表明在最大跌落幅值出現(xiàn)前，巖樣內(nèi)部已經(jīng)積累了較多細(xì)微裂紋，但由于高圍壓一直抑制主裂紋的擴(kuò)展，當(dāng)達(dá)到巖樣所能承受的最大貫入荷載時(shí)，巖樣內(nèi)部積聚了較多能量，主裂紋出現(xiàn)并迅速發(fā)展，巖樣破碎釋放大量能量對(duì)刀具產(chǎn)生巨大沖擊力，對(duì)應(yīng)第4次的大幅度跌落。

3"破巖模式對(duì)貫入荷載演化規(guī)律的影響

3.1"貫入荷載-貫入度特征曲線演化規(guī)律

固定預(yù)切縫深度H=20 mm，在低圍壓條件下進(jìn)行不同破巖模式TBM滾刀貫入模型試驗(yàn)，研究低圍壓條件下不同破巖模式貫入荷載-貫入度特征曲線圖的演化規(guī)律。如圖7所示，在3種圍壓條件下，異軌跡模式及完整巖樣均在貫入度1 mm左右時(shí)出現(xiàn)峰值荷載，且跌落幅度為其最大跌落幅值，表示異軌跡模式及完整巖樣在貫入度1 mm左右完成了一次有效破巖。

同軌跡模式的特征曲線與完整巖樣和異軌跡模式不同，隨著貫入度的逐漸增加，貫入荷載較其他模式增加更為緩慢，峰值荷載所對(duì)應(yīng)貫入度遠(yuǎn)大于其他破巖模式，且達(dá)到峰值荷載后跌落幅值較小，在最大跌落幅值出現(xiàn)之前均有幾次小幅度的跌落。其原因?yàn)椋和壽E破巖模式的受力情況不同于其他破巖模式，巖樣是受到楔裂作用^[26]發(fā)生破壞，其他模式巖樣發(fā)生劈裂破壞。由于預(yù)切縫位于滾刀正下方，使得滾刀與試樣之間存在空隙，因而刀刃并未直接接觸巖樣，而是滾刀刀刃側(cè)面與預(yù)切縫的側(cè)壁相接觸，因此，需要較大的貫入度才能使刀具完全接觸巖樣，出現(xiàn)峰值荷載，完成一次有效破巖。

3.2"不同破巖模式下峰值荷載演化規(guī)律

繪制各破巖模式在各圍壓條件下的峰值荷載柱狀圖，如圖8所示。可以看出，各破巖模式峰值荷載均隨圍壓的增大而增大，同軌跡、異軌跡模式峰值荷載均小于完整巖樣，表明預(yù)切縫輔助TBM破巖在不同破巖模式下均有效。在無(wú)圍壓條件下，同軌跡模式峰值荷載遠(yuǎn)低于其他破巖模式，其值是異軌跡模式的23%，完整巖樣的16%。表明在無(wú)圍壓條件下，同軌跡模式對(duì)TBM破巖的輔助效果較好。當(dāng)圍壓為1.25 MPa時(shí)，同軌跡模式峰值荷載大于異軌跡模式，說(shuō)明此時(shí)異軌跡模式對(duì)TBM破巖的輔助效果較好，在圍壓為2.5 MPa時(shí)也呈現(xiàn)近似規(guī)律。因此，在低圍壓情況下，選用異軌跡破巖模式較好，更能減少TBM破巖推力。

3.3"不同破巖模式下貫入荷載最大跌落幅值演化規(guī)律

圖9為各圍壓條件下不同破巖模式的貫入荷載最大跌落幅值柱狀對(duì)比圖。同軌跡模式貫入荷載最大跌落幅值均隨圍壓的增大而增大，完整巖樣隨圍壓的增大而減小，異軌跡模式則隨著圍壓的增大上下波動(dòng)。可以看出，在各圍壓條件下，同軌跡模式的貫入荷載最大跌落幅值均小于其他破巖模式，表明同軌跡破巖模式完成一次有效破巖后對(duì)滾刀的沖擊力最小，更能避免損傷刀具^[27]。

表3為各圍壓條件下同軌跡模式最大跌落幅值較其他破巖模式的減少量。隨著圍壓的增大，同軌跡模式的減少量減小。在低圍壓條件下，與完整巖樣相比的減少量呈線性減小；與異軌跡模式相比，減少量趨于平緩，穩(wěn)定在45%左右。表明在低圍壓情況下，完成一次有效破巖后，同軌跡模式可大大降低TBM刀具所受沖擊力。

4"結(jié)論

通過(guò)TBM滾刀貫入室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)高壓水射流預(yù)切縫輔助TBM滾刀破巖過(guò)程中的貫入荷載演化規(guī)律展開(kāi)研究，揭示不同圍壓條件和不同破巖模式下貫入荷載-貫入度特征曲線、峰值荷載、最大跌落幅值的變化規(guī)律，獲取了不同破巖模式在不同圍壓條件下TBM滾刀的受力特性。得到以下主要結(jié)論：

1）各圍壓條件下完整巖樣貫入荷載-貫入度特征曲線均出現(xiàn)典型的躍進(jìn)破碎現(xiàn)象，初次跌落對(duì)應(yīng)貫入度均在1 mm左右。高圍壓較低圍壓先出現(xiàn)初次跌落，但對(duì)應(yīng)貫入荷載并非峰值荷載，跌落幅度較小；低圍壓組初次跌落對(duì)應(yīng)貫入荷載為峰值荷載，且跌落幅值較大。

2）圍壓為10～15 MPa是較有利于高壓水射流輔助TBM滾刀破巖的環(huán)境。在圍壓為10～15 MPa時(shí)峰值荷載和最大跌落幅值均最小，此時(shí)對(duì)刀具造成的損傷相對(duì)較小；在圍壓為2.5 MPa或高于20 MPa時(shí)，峰值荷載和貫入荷載最大跌落幅值均較大，此時(shí)建議選用硬度較高的刀刃。

3）不同破巖模式各有優(yōu)勢(shì)，應(yīng)結(jié)合實(shí)際工況選擇合適的破巖模式。在低圍壓條件下，異軌跡破巖模式峰值荷載更低，能有效降低TBM滾刀破巖時(shí)的推力；同軌跡模式最大跌落幅值均遠(yuǎn)小于其他破巖模式，能有效降低滾刀所受沖擊力，從而避免刀具損耗。

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