海底隧道基巖突起段地層典型滾刀破巖實(shí)驗(yàn)研究

李鳳遠(yuǎn)， 陳 橋， 馮歡歡

(1. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

超大直徑泥水盾構(gòu)在高強(qiáng)度基巖突起地層掘進(jìn)時(shí)，盤形滾刀類型及掘進(jìn)參數(shù)的選取至關(guān)重要，將直接影響著盾構(gòu)的掘進(jìn)效率及設(shè)備安全。國內(nèi)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(xiàn)[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(xiàn)[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(guī)律；文獻(xiàn)[3]利用線性切割試驗(yàn)，研究碴片形狀與TBM破巖效率之間的關(guān)系，利用刀間距與貫入度的比值來評(píng)估刀具破巖效率；文獻(xiàn)[4]采用離散元的方法，通過滾刀破巖裂縫數(shù)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(xiàn)[5]將實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)值仿真相結(jié)合，研究了考慮圍壓作用下的縮尺盤形滾刀靜壓破巖時(shí)巖石失效模式和裂紋擴(kuò)展規(guī)律；文獻(xiàn)[6]采用數(shù)值仿真的方法研究了滾刀破巖受力與貫入度之間的關(guān)系；文獻(xiàn)[7]采用數(shù)值仿真的方法研究了節(jié)理間距、傾角及貫入度對(duì)滾刀破巖的影響；文獻(xiàn)[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(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了施工現(xiàn)場掘進(jìn)數(shù)據(jù)和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，研究了TBM的破巖效率；文獻(xiàn)[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(diǎn)： 1)多集中在小直徑盤形滾刀破巖機(jī)制研究； 2)采用實(shí)驗(yàn)或數(shù)值仿真研究單刀受力。對(duì)于不同刀圈類型的48.26 cm(19英寸)滾刀破巖效果的對(duì)比研究及破碎高強(qiáng)度花崗巖時(shí)破巖力與掘進(jìn)速度之間的關(guān)系研究相對(duì)較少，本文結(jié)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(shí)驗(yàn)，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(jìn)速度變化規(guī)律。

1 基巖突起段地質(zhì)概況

汕頭海灣隧道工程盾構(gòu)段穿越的地層有填筑土、淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥混砂、粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、中砂、粗砂、礫砂、礫質(zhì)黏性土、微弱中全風(fēng)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(jì)長度約為182 m，侵入隧道最大高度約6 m。基巖突起段如圖1所示。該段主要是微風(fēng)化花崗巖塊狀構(gòu)造，裂隙較發(fā)育，局部存在強(qiáng)度較大的微風(fēng)化花崗巖，RQD為55%～78%，飽和單軸抗壓強(qiáng)度為41.7～214 MPa，抗拉強(qiáng)度為2.02～9.35 MPa。

2 巖樣性能參數(shù)測(cè)試

2.1 單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試

采用蘇埃通道工程現(xiàn)場的巖石，依據(jù)GB T 50266—2013《工程巖體試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》，制作用于單軸壓縮實(shí)驗(yàn)巖樣，測(cè)試得到巖樣單軸抗壓強(qiáng)度約為134 MPa。

2.2 巖石CAI值測(cè)試

采用巖石磨蝕伺服實(shí)驗(yàn)儀測(cè)試巖樣的CAI值，如圖2所示。巖石CAI測(cè)試結(jié)果如表1所示。巖石磨蝕性CAI值分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

圖2 巖樣CAI測(cè)試

分類編號(hào)樣品編號(hào)測(cè)量值0°120°240°平均測(cè)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(cè)量角。

表2巖石磨蝕性CAI值分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

Table 2 Classification standard for CAI value of rock abrasiveness

磨蝕值磨蝕性等級(jí)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(duì)比表1和表2可知： 本次測(cè)試所用的巖樣CAI值為3.56～3.91，其磨蝕性等級(jí)為高。盾構(gòu)刀具作用在這種巖層上時(shí)，刀具容易磨損。

2.3 巖樣元素成分測(cè)試

利用巖石成分分析儀測(cè)量該巖樣的主要元素含量，測(cè)試結(jié)果表明蘇埃通道工程現(xiàn)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(dá)到37.35%(見表3)，推測(cè)此類巖樣SiO2或硅酸鹽含量較高。

表3 巖石主要元素成分測(cè)試數(shù)據(jù)

3 破巖采用的2種典型滾刀

本次滾刀破巖實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析2種類型滾刀的破巖效果，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)同時(shí)安裝2把同類型的滾刀。實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)及分析

4.1 掘進(jìn)參數(shù)變化

采用力控制方式，將載荷目標(biāo)值設(shè)置為600 kN(單把刀約300 kN)，巖箱轉(zhuǎn)速為1 r/min，刀間距為100 mm，獲得2種類型滾刀破巖時(shí)總推力-時(shí)間變化曲線如圖5所示，對(duì)應(yīng)的掘進(jìn)距離隨時(shí)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(shí)掘進(jìn)距離-時(shí)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(biāo)值為600 kN，但實(shí)際破巖過程中，總推力在目標(biāo)值上下波動(dòng)； 2)本次實(shí)驗(yàn)采用的花崗巖強(qiáng)度高，破巖時(shí)所需的總推力較大； 3)采用2種類型的滾刀破巖時(shí)，總推力波動(dòng)的瞬時(shí)最大值均超過700 kN。

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

對(duì)2種類型盤形滾刀掘進(jìn)距離時(shí)間曲線變化趨勢(shì)進(jìn)行擬合，得到平刃盤形滾刀掘進(jìn)速度約為3.99 mm/min，鑲齒盤形滾刀掘進(jìn)速度約為2.34 mm/min。

4.2 巖碴粒徑篩分統(tǒng)計(jì)分析

2種類型滾刀破巖后形成的巖渣如圖7所示?？捎^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(jìn)參數(shù)下巖碴并進(jìn)行篩分，統(tǒng)計(jì)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(diǎn)。

1)共性。在刀間距為100 mm時(shí)，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(shì)類似。

2)各自特點(diǎn)。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(duì)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(yuǎn)大于平刃滾刀的比例，說明鑲齒滾刀破巖時(shí)細(xì)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(jìn)速度及表4破碎巖碴粒徑分布規(guī)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(shí)現(xiàn)滾壓破巖； 2)相同條件下鑲齒盤形滾刀破巖時(shí)的掘進(jìn)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(duì)于鑲齒滾刀，由于刀圈上有硬質(zhì)合金齒，在剛開始破巖時(shí)僅有少數(shù)合金齒與巖面接觸，接觸面積小，容易將巖樣上的接觸區(qū)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(xù)破巖過程中，此類刀刃與巖石的實(shí)際接觸面積將會(huì)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(wěn)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(qū)域的巖石碎裂成細(xì)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(xì)小顆粒巖碴占比相對(duì)較高。

5不同載荷及刀間距下的破巖實(shí)驗(yàn)及分析

5.1 平刃滾刀不同刀間距推力-掘進(jìn)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(shí)驗(yàn)時(shí)采用平刃滾刀。將刀間距分別設(shè)置為100 mm和110 mm，每種刀間距下分別設(shè)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(jìn)距離隨時(shí)間變化曲線。刀間距100 mm時(shí)，不同推力下的掘進(jìn)距離隨時(shí)間變化曲線如圖8所示。刀間距為110 mm時(shí)，不同推力下的掘進(jìn)距離隨時(shí)間變化曲線如圖9所示。

(a) 總推力為300 kN時(shí)的掘進(jìn)距離-時(shí)間曲線

(b) 總推力為400 kN時(shí)的掘進(jìn)距離-時(shí)間曲線

(c) 總推力為500 kN時(shí)的掘進(jìn)距離-時(shí)間曲線

(d) 總推力為600 kN時(shí)的掘進(jìn)距離-時(shí)間曲線

圖8刀間距為100mm時(shí)不同推力下掘進(jìn)距離隨時(shí)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(shí)的掘進(jìn)距離-時(shí)間曲線

(b) 總推力為400 kN時(shí)的掘進(jìn)距離-時(shí)間曲線

(c) 總推力為500 kN時(shí)的掘進(jìn)距離-時(shí)間曲線

(d) 總推力為600 kN時(shí)的掘進(jìn)距離-時(shí)間曲線

圖9刀間距為110mm時(shí)不同推力下掘進(jìn)距離隨時(shí)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(shí)的掘進(jìn)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(jìn)速度之間的變化趨勢(shì)基本一致； 2)當(dāng)總推力為300 kN時(shí)，掘進(jìn)速度約為1 mm/min； 3)當(dāng)總推力為600 kN時(shí)，掘進(jìn)速度為3.5～4 mm/min； 4)隨著總推力增加掘進(jìn)速度逐漸增加，但是這種增加趨勢(shì)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(shí)，掘進(jìn)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(jìn)速度之間關(guān)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(shí)，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(duì)應(yīng)破巖效果如圖11—14所示。

(a) 清碴前

(b) 清碴后

對(duì)不同推力下破巖后收集的巖碴進(jìn)行篩分，統(tǒng)計(jì)相應(yīng)的不同粒徑巖碴占比分布情況，匯總?cè)绫?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(shì)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(qū)趨勢(shì)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(duì)巖碴粒徑分布的影響： 1)推力為300 kN時(shí)，未產(chǎn)生粒徑為80～100 mm的大塊巖碴，而推力為400、500、600 kN時(shí)均產(chǎn)生了此種粒徑的大塊巖碴，且推力為600 kN時(shí)大塊巖碴所占比例是最高的，為6.7%；推力為500 kN時(shí)破碎的大塊巖碴，占比為5.5%； 推力為400 kN時(shí)破碎的大塊巖碴占比為2.4%。2)對(duì)于粒徑小于2.5 mm的巖碴，推力為300 kN時(shí)所占比例最高，為28.9%；推力為400 kN和500 kN時(shí)占比近似，分別為26.2%和26.8%；推力為600 kN時(shí)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(dāng)推力為300 kN時(shí)，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(jìn)速度較低； 2)當(dāng)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(jìn)速度可以提高到約4.1 mm/min。

6 結(jié)論與建議

1)汕頭海灣隧道現(xiàn)場巖石為高磨蝕巖石，該巖石SiO2或硅酸鹽含量偏高，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)刀具使用影響大。

2)對(duì)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(shí)現(xiàn)滾壓破巖；相同條件下鑲齒盤形滾刀破巖時(shí)的掘進(jìn)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(dāng)總推力為300 kN(單把滾刀約150 kN)時(shí)，滾刀破巖能力不高，形成的大塊巖碴較少，掘進(jìn)速度較低，約為0.97 mm/min；當(dāng)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(jìn)速度可以提高到約4.1 mm/min。

為了確保盾構(gòu)過海底基巖突起段高效連續(xù)通過，建議在指定方案時(shí)，結(jié)合刀具承載力極限及圍巖穩(wěn)定性特征，采用較大推力。