地應(yīng)力對(duì)TBM滾刀破巖力影響室內(nèi)試驗(yàn)研究

彭星新

(中鐵十一局集團(tuán)第四工程有限公司 湖北武漢 430074)

1 引言

隧道掘進(jìn)機(jī)TBM(Tunnel Boring Machine)已被廣泛應(yīng)用于開挖高埋深下的地下工程項(xiàng)目。在埋深較深的地層中掘進(jìn)時(shí)經(jīng)常會(huì)遇到地應(yīng)力誘發(fā)的各種工程問題，很容易導(dǎo)致嚴(yán)重的工程災(zāi)難，不僅會(huì)降低施工速度和開挖質(zhì)量，還會(huì)增加工程投資和開挖風(fēng)險(xiǎn)。在高度受壓的軟弱破碎巖體中掘進(jìn)時(shí)，因巖體具有時(shí)效變形性質(zhì)，極易遇到地層擠壓和護(hù)盾/刀盤被卡問題，威脅機(jī)器設(shè)備和人員安全，導(dǎo)致嚴(yán)重的工期延誤和經(jīng)濟(jì)損失[1-3]。這些問題都是由于地應(yīng)力的作用影響了TBM滾刀破巖效率和刀盤掘進(jìn)性能[4-7]。

為模擬隧道掘進(jìn)面上真實(shí)的TBM滾刀破巖過程，研究人員普遍采用全尺寸線性切削試驗(yàn)進(jìn)行TBM性能預(yù)測(cè)[8-10]。然而，目前僅有很少的全尺寸線性切削試驗(yàn)研究圍壓(地應(yīng)力)對(duì)TBM滾刀破巖性能的影響規(guī)律。本文采用強(qiáng)度較低的重慶青砂巖和更高的雙向等圍壓條件來研究圍壓對(duì)TBM滾刀破巖性能的整個(gè)影響階段，研究圍壓對(duì)TBM滾刀法向力、滾動(dòng)力的影響規(guī)律。

2 不同雙向等圍壓條件下的全尺寸線性切削試驗(yàn)

2.1 全尺寸線性切削試驗(yàn)機(jī)

雙向等圍壓條件下的全尺寸線性切削試驗(yàn)在北京工業(yè)大學(xué)的機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行(見圖1)，具備在最大尺寸為1.0 m×1.0 m×0.6 m的巖石試樣上進(jìn)行全尺寸刀具線性切削試驗(yàn)的能力。

圖1 北京工業(yè)大學(xué)全尺寸線性和旋轉(zhuǎn)切削試驗(yàn)機(jī)

線性切削試驗(yàn)機(jī)通過液壓系統(tǒng)和圍壓加載板對(duì)巖石試樣施加雙向圍壓條件，巖石試樣被限制在四個(gè)剛性加載板內(nèi)(即前、后、左、右4個(gè)圍壓加載板)。本文共對(duì)5個(gè)巖石試樣施加不同的雙向等圍壓條件，分別為 0-0 MPa、5-5 MPa、10-10 MPa、15-15 MPa和20-20 MPa。圍壓與巖石單軸抗壓強(qiáng)度的比值分別為 0、0.08、0.16、0.25 和 0.33，最大圍壓比約為0.33。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)、步驟及結(jié)果

2.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

重慶青砂巖是一種青色細(xì)顆粒硬質(zhì)脆性沉積巖，單軸抗壓強(qiáng)度為60.76 MPa，巴西劈裂強(qiáng)度為1.81 MPa，靜態(tài)彈性模量為13.63 GPa，泊松比為0.232，試樣尺寸為1.0 m×1.0 m×0.6 m。采用17英寸常截面滾刀，刀刃寬度為15 mm，滾刀間距為80 mm。

2.2.2 試驗(yàn)步驟

(1)將巖石試樣放置在圍壓試驗(yàn)箱的中間，將軟木板和圍壓加載板放置在巖石試樣四周并采用液壓油缸預(yù)先壓緊。

(2)在平行和垂直于滾刀切削方向上同時(shí)并緩慢施加雙向圍壓，每次的圍壓增量均為1.0 MPa或2.0 MPa，直至達(dá)到設(shè)計(jì)圍壓。

(3)圍壓施加完成后，在巖石試樣的上表面采用80 mm滾刀間距、1.0 mm滾刀貫入度進(jìn)行預(yù)處理切削。

(4)預(yù)處理切削完成之后，采用1.0 mm滾刀貫入度進(jìn)行正式巖石切削試驗(yàn)。在每一個(gè)切削層上，都要記錄試驗(yàn)區(qū)域中每一條切削軌跡上的滾刀法向力和滾動(dòng)力。當(dāng)采用某一滾刀貫入度進(jìn)行4到5層切削之后，將滾刀貫入度增加1.0 mm或2.0 mm，然后開始進(jìn)行更大滾刀貫入度的巖石切削試驗(yàn)。

2.2.3 試驗(yàn)結(jié)果

表1為不同雙向等圍壓條件下滾刀法向力(FN)、滾動(dòng)力(FR)的試驗(yàn)結(jié)果。

表1 不同雙向等圍壓條件下重慶青砂巖全尺寸線性切削試驗(yàn)結(jié)果

3 試驗(yàn)結(jié)果分析及討論

3.1 滾刀法向力

如圖2所示，對(duì)于每一個(gè)圍壓水平，滾刀法向力都隨著滾刀貫入度的增加而減速增加。同時(shí)，滾刀法向力對(duì)滾刀貫入度的影響在滾刀法向力較大時(shí)更為明顯。當(dāng)滾刀法向力較小時(shí)，滾刀并不能有效地貫入巖石表面，因此滾刀貫入度隨滾刀法向力的增加速度較為緩慢；當(dāng)滾刀法向力較大時(shí)，巖石表面過度破碎，滾刀貫入度可以隨著滾刀法向力毫無阻礙地迅速增加。

如圖3所示，對(duì)于每一個(gè)滾刀貫入度，當(dāng)圍壓從0-0 MPa增加到12.5-12.5 MPa時(shí)歸一化滾刀法向力都會(huì)輕微增加，當(dāng)圍壓從12.5-12.5 MPa增加到20-20 MPa時(shí)歸一化滾刀法向力都會(huì)迅速降低。并且，所有的歸一化滾刀法向力曲線(FNNor-σ0曲線)都傾向于在12.5-12.5 MPa圍壓附近達(dá)到最大值，在16.25-16.25 MPa圍壓附近迅速從大于1.0降低到小于1.0。因此，對(duì)于0～0.27的圍壓比范圍，TBM滾刀破巖受到抑制，并且最大抑制作用發(fā)生在圍壓比為0.21(即12.5/60.76)處。對(duì)于16.25-16.25 MPa到20-20 MPa的圍壓范圍，圍壓比為0.27～0.33，歸一化滾刀法向力總體上低于1.0，滾刀法向力遠(yuǎn)小于無圍壓條件下的相應(yīng)值，此時(shí)TBM滾刀破巖受到促進(jìn)。

圖2 不同雙向等圍壓條件下青砂巖滾刀法向力FN和貫入度p關(guān)系曲線

圖3 不同滾刀貫入度下青砂巖歸一化滾刀法向力FNNor和圍壓σ0關(guān)系曲線

3.2 滾刀滾動(dòng)力

如圖4所示，對(duì)于每一個(gè)圍壓水平，滾刀滾動(dòng)力均隨著滾刀貫入度呈近似線性增加，而滾刀法向力卻隨著滾刀貫入度的增加先迅速增加再緩慢增加，這種不同的變化趨勢(shì)顯示出在法向方向和滾動(dòng)方向上可能存在不同的巖石響應(yīng)過程和巖石破碎機(jī)理。當(dāng)圍壓從0-0 MPa增加到10-10 MPa時(shí)，不同圍壓對(duì)應(yīng)的滾刀滾動(dòng)力擬合曲線的斜率從0.551 6降低到0.480 1，這表明當(dāng)圍壓水平較低時(shí)，隨著圍壓的增加，滾刀滾動(dòng)力隨滾刀貫入度的線性增加趨勢(shì)變快；當(dāng)圍壓從15-15 MPa增加到20-20 MPa時(shí)，同一圍壓對(duì)應(yīng)的滾刀滾動(dòng)力擬合曲線的斜率從0.707 4增加為1.526 1，這表明當(dāng)圍壓水平較高時(shí)，隨著圍壓的增加，滾刀滾動(dòng)力隨滾刀貫入度的增加趨勢(shì)變緩。然而，當(dāng)巖石試樣出現(xiàn)預(yù)先損傷和預(yù)先破裂時(shí)，TBM滾刀破巖受到促進(jìn)，此時(shí)在相同滾刀貫入度下滾刀滾動(dòng)力要小于無圍壓條件下的相應(yīng)值并隨著圍壓的升高而降低。

圖4 不同滾刀貫入度下青砂巖滾刀滾動(dòng)力FR和貫入度p關(guān)系

圖5 不同滾刀貫入度下青砂巖歸一化滾刀滾動(dòng)力FRNor和圍壓σ0關(guān)系曲線

如圖5所示，對(duì)于每一個(gè)滾刀貫入度，當(dāng)圍壓從0-0 MPa增加到8.75-8.75 MPa附近時(shí)歸一化滾刀滾動(dòng)力都會(huì)從1.00增加到相應(yīng)的最大值，此時(shí)對(duì)應(yīng)的圍壓比為0.14(即8.75/60.76)；當(dāng)圍壓在11.25-11.25 MPa附近時(shí)歸一化滾刀滾動(dòng)力從大于1.00降低到小于1.00，此時(shí)對(duì)應(yīng)的圍壓比為0.19(即11.25/60.76)；當(dāng)圍壓為20-20 MPa時(shí)歸一化滾刀滾動(dòng)力均降低到很低的數(shù)值，僅有無圍壓條件下相應(yīng)值的0.4倍。因此，從滾刀滾動(dòng)力的角度來看，當(dāng)圍壓小于11.25-11.25 MPa時(shí)TBM滾刀破巖受到抑制，當(dāng)圍壓大于11.25-11.25 MPa時(shí)TBM滾刀破巖受到促進(jìn)。對(duì)比圖3，滾刀滾動(dòng)力的兩個(gè)臨界圍壓比(0.14和0.19)都要小于滾刀法向力的相應(yīng)值(0.21和0.27)。這種現(xiàn)象表明：滾刀法向力和滾動(dòng)力對(duì)圍壓和滾刀貫入度的反應(yīng)不同，隨著圍壓和滾刀貫入度的增加，法向方向和滾動(dòng)方向上出現(xiàn)了不同的巖石破碎機(jī)理。

3.3 臨界圍壓

針對(duì)滾刀法向力、滾動(dòng)力，可以確定出若干臨界圍壓。

(1)如圖2所示，當(dāng)圍壓范圍在0-0 MPa～20-20 MPa時(shí)，滾刀法向力在12.5-12.5 MPa圍壓附近遭到最強(qiáng)烈的抑制作用，在16.25-16.25 MPa圍壓附近從被抑制狀態(tài)轉(zhuǎn)化為被促進(jìn)狀態(tài)，在20-20 MPa圍壓附近遭受最強(qiáng)烈的促進(jìn)作用。

(2)如圖4所示，當(dāng)圍壓范圍在0-0 MPa～20-20 MPa時(shí)，滾刀滾動(dòng)力在8.75-8.75 MPa圍壓附近遭受最強(qiáng)烈的抑制作用，在11.25-11.25 MPa圍壓附近從被抑制狀態(tài)轉(zhuǎn)化為被促進(jìn)狀態(tài)，在20-20 MPa圍壓附近遭受最強(qiáng)烈的促進(jìn)作用。

需要注意的是這些臨界圍壓并不都相同，滾刀法向力對(duì)應(yīng)的臨界圍壓總比其他三個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)的臨界圍壓要大，同時(shí)滾刀法向力的最大增量(約10%)也要小于其他三個(gè)參數(shù)的最大增量(約20%)。這就是說圍壓對(duì)滾刀法向力的影響總是滯后的，并且其影響程度也更小。同時(shí)也表明，滾刀法向力、滾動(dòng)力對(duì)圍壓改變的反應(yīng)不相同。巖石切削過程開始于滾刀法向力誘發(fā)的巖石壓碎區(qū)，所以12.5-12.5 MPa和16.25-16.25 MPa圍壓可以作為重慶青砂巖兩個(gè)重要的臨界圍壓，前者表征圍壓在最大程度上抑制TBM滾刀破巖，后者表征圍壓對(duì)TBM滾刀破巖從抑制作用轉(zhuǎn)化為促進(jìn)作用。當(dāng)施加15-15 MPa圍壓時(shí)，在巖石試樣表面觀測(cè)到若干微小閉合裂紋，表明巖石試樣被預(yù)先損傷但仍能保持基本完整；當(dāng)施加20-20 MPa圍壓時(shí)，在巖石試樣表面觀測(cè)到若干貫通張開裂紋并將巖石試樣分割為3塊，表明此時(shí)巖石試樣被預(yù)先破裂并且不再保持完整。因此，當(dāng)圍壓范圍為0-0 MPa～12.5-12.5 MPa時(shí)(試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)0-0 MPa和10-10 MPa圍壓)，巖石試樣保持完整，其強(qiáng)度不斷升高，巖石處于強(qiáng)化效應(yīng)階段；當(dāng)圍壓范圍為12.5-12.5 MPa～16.25-16.25 MPa時(shí)(試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)15-15 MPa圍壓)，巖石試樣仍然完整，但是圍壓會(huì)誘發(fā)其出現(xiàn)預(yù)先損傷，巖石處于損傷效應(yīng)階段；當(dāng)圍壓范圍為16.25-16.25 MPa～20-20 MPa時(shí)(試驗(yàn)中對(duì)應(yīng)20-20 MPa圍壓)，巖石試樣不再完整，并且圍壓會(huì)誘發(fā)其出現(xiàn)預(yù)先破裂，巖石處于破裂效應(yīng)階段。綜上所述，圍壓對(duì)TBM滾刀破巖的整個(gè)影響階段見圖6。

圖6 圍壓對(duì)TBM滾刀破巖的整個(gè)影響階段

4 結(jié)論

本文針對(duì)重慶青砂巖試樣采用不同的雙向等圍壓條件進(jìn)行全尺寸線性切削試驗(yàn)，經(jīng)過分析得到以下結(jié)論：

(1)圍壓可顯著影響TBM滾刀破巖力，并由此影響刀盤推力和扭矩的絕對(duì)數(shù)值及相對(duì)關(guān)系。

(2)對(duì)于相同圍壓條件下的重慶青砂巖，隨著滾刀貫入度增加，滾刀法向力加速增加，滾動(dòng)力線性增加，并且這種變化趨勢(shì)并不受圍壓條件和巖石完整程度的影響。

(3)在相同的滾刀貫入度下，隨著圍壓的增加，滾刀法向力、滾動(dòng)力都首先出現(xiàn)一定程度的增加，然后在圍壓達(dá)到某些臨界值之后迅速降低到很小的數(shù)值，曲線上的某些特殊點(diǎn)可以表征圍壓的臨界值。對(duì)于高度受壓的重慶青砂巖，TBM開挖在平均地應(yīng)力為12.5 MPa時(shí)受到最強(qiáng)烈的抑制作用，在平均地應(yīng)力為16.25 MPa前后從被抑制狀態(tài)轉(zhuǎn)化為被促進(jìn)狀態(tài)。

(4)圍壓對(duì)TBM滾刀破巖的影響可以劃分為三個(gè)階段，即強(qiáng)化效應(yīng)階段、損傷效應(yīng)階段和破裂效應(yīng)階段。第一個(gè)階段，巖石保持完整，其強(qiáng)度因圍壓限制得到提高，滾刀法向力和滾動(dòng)力不斷增加并略高于無圍壓條件下的相應(yīng)值，TBM滾刀破巖受到抑制；第二個(gè)階段，巖石仍能保持完整但是圍壓會(huì)誘發(fā)其出現(xiàn)預(yù)先損傷，滾刀法向力和滾動(dòng)力出現(xiàn)下降趨勢(shì)但仍大于無圍壓條件下的相應(yīng)值，TBM滾刀破巖仍然受到抑制；第三個(gè)階段，巖石不再保持完整并且圍壓會(huì)誘發(fā)其出現(xiàn)預(yù)先破裂，滾刀法向力和滾動(dòng)力迅速降低直至遠(yuǎn)小于無圍壓條件下的相應(yīng)值，TBM滾刀破巖受到促進(jìn)。