水射流-機械滾刀復合破巖影響因素

韓偉鋒

(1.盾構及掘進技術國家重點實驗室， 鄭州 450001； 2.中鐵隧道局集團有限公司， 廣州 511400)

隧道掘進機工法廣泛應用于水利水電、鐵路公路、地鐵隧道以及礦山巷道等隧道工程建設[1-3]。然而，當巖石抗壓強度高于160 MPa情況下，會導致隧道掘進機刀具貫入困難，磨損嚴重，導致頻繁換刀，嚴重影響現(xiàn)場掘進效率及工程建設時間成本[4-5]。

為提高工程現(xiàn)場掘進機工作效率，傳統(tǒng)的方式主要為選用硬度高的刀具伴隨而來的刀具成本也比普通刀具增高約1/3 ，但是，即使如此，現(xiàn)場破巖效率也不高，例如，某工程現(xiàn)場巖石抗壓強度160 MPa，每天只能掘進2～3 m，并且平均每米消耗刀具1把(每把刀具6萬元)。另外也有一些單位，為了增加掘進破巖地質(zhì)適應行，采用數(shù)值仿真或者物理實驗的方式，針對現(xiàn)場巖樣開展了大量實驗，以獲取較為合理的刀具配置、刀間距設計等[6-9]，以提升掘進破巖性能，但是對于抗壓強度極高的地層(俗稱“磨刀石地層”)，僅從改善刀盤設計、刀具材料性能來提升滾刀破巖的效率非常有限[10-12]。

針對以上問題，行業(yè)內(nèi)許多專家學者提出了采用新型的破巖方式輔助機械滾刀進行破巖，以提升隧道掘進機破巖效率并降低刀具損耗。行業(yè)專家指出，中低壓水射流主要是降低刀具上的作用力，清洗并冷卻刀具，避免刀具粘附的巖渣對滾刀造成二次磨損。也有專家采用40 MPa的水刀輔助機械刀具進行了破巖研究，結果表明相對純機滾刀破巖，滾刀的推力、滾動力降低25%～40%。對流紋巖以恒定正壓力進行了刮刀前方150 MPa水射流輔助破巖試驗，發(fā)現(xiàn)平均切深增加80%～90%，每單位切割長度的平均破巖體積增加約1倍，同時證明水射流先行刮刀后行和水射流與刮刀同步進行兩種情況下的破巖效率沒有明顯區(qū)別，水射流破巖的主要作用是弱化巖石強度而不是應力組合效應。文獻[13-15]采用縮尺滾刀進行了一側水射流輔助破巖試驗，表明切槽深度和移除巖片的體積分別是滾刀單獨作用下的2倍和3.8倍。中國某硬巖掘進機集成了水射流破巖系統(tǒng)輔助機械滾刀破巖，在巖石完整的地層，可提高破巖效率30%～35%。

目前，行業(yè)內(nèi)很多學者或者工程技術人員已經(jīng)證實了，在硬巖地層水射流可有效提高機械滾刀破巖效率，但是不同的水射流參數(shù)、輔助機械滾刀破巖方式、機械滾刀布置等參數(shù)，對破巖效率和綜合能耗影響情況尚沒有研究?，F(xiàn)基于滾刀破巖實驗平臺，集成水射流切割系統(tǒng)，針對完整的硬巖開展了不同參數(shù)水射流輔助滾刀破巖研究，并提出工程應用方案。

1 水射流與機械滾刀復合破巖實驗方案

1.1 破巖實驗裝置

水射流-機械滾刀復合破巖實驗臺是基于滾刀巖機作用綜合實驗平臺，搭載水射流切割系統(tǒng)，可開展不同刀間距、切割靶距、射流壓力等破巖實驗。滾刀巖機作用綜合實驗平臺(圖1)，額定最大推力160 t，刀盤轉速0～10 r/min可調(diào)，能夠同時安裝4把19寸或者17寸原型滾刀，采用不同刀間距、推進速度、刀盤轉速等參數(shù)，針對工程巖樣開展?jié)L刀多滾刀破巖機理實驗。

高壓水射流切割是利用增壓器將水加壓，達到100～380 MPa甚至更高的壓力，通過刀頭噴嘴將壓力能轉換為動能，從而形成高速射流。切割正是利用這種高速射流的動能對巖石的沖擊破壞作用目的。實驗臺搭載的水射流系統(tǒng)最大射流壓力420 MPa，額定流量3.7 L/min，刀頭通過回轉接頭與刀盤固定連接，回轉半徑600～1 100 mm可調(diào)，通過后供砂(80 μm的石榴石)進行混合破巖。

圖1 滾刀巖機作用綜合實驗平臺Fig.1 Comprehensive experimental platform of hob rock machine action

1.2 破巖實驗用巖樣

水射流-機械滾刀復合破巖實驗用巖樣為花崗巖，外形數(shù)據(jù)如圖2所示，通過巖箱固定在破巖實驗臺上。巖石抗壓強度142 MPa的花崗巖，抗壓強度測試如圖3所示，黏聚力8.9 MPa，彈性模量12.5 GPa，內(nèi)摩擦角66°，密度2 548 kN/m3。

圖2 實驗用巖樣加工圖Fig.2 Processing drawing of rock sample for experiment

2 水射流-機械滾刀復合破巖實驗方案

水射流-機械滾刀復合破巖實驗主要目的是一方面探索不同參數(shù)對水刀切割巖石能力的影響；另一方面探索在水射流輔助破巖的情況下，對滾刀破巖的影響。通過開展純機械滾刀破巖、水射流破巖切縫、水射流與機械滾刀重縫破巖、水射流與滾刀錯縫破巖實驗，研究水射流-機械滾刀耦合破巖影響因素。

2.1 水射破巖能力實驗

水刀作為切割工具在機械制造、緊急救援等行業(yè)應用比較成熟，但是作為輔助機械滾刀破巖的工具，還有需要對水射流深入研究。為獲得水射流切割巖石最佳效果，采用380 MPa水射流壓力，80 μm粒徑的石榴石磨料和不同的噴射靶距(5、10、15、20、25、30 mm)開展同一線速度條件下水刀切割巖石研究，獲得水射流破巖最佳效果對應的射流參數(shù)。

2.2 純機械滾刀破巖

采用3 mm貫入度,轉速1 r/min，分別按照60、70、80、90、100 mm的刀間距,針對巖樣開展破巖實驗，每種參數(shù)掘進15 mm。為確保實驗室數(shù)據(jù)準確性，每種刀間距滾壓3條軌跡，取中間一條破巖軌跡作為對應刀間距的實驗數(shù)據(jù)，如圖3所示。圖3中2、4、6、8、10號軌跡分別作為60、70、80、90、100 mm刀間距實驗取值線。 通過實驗獲得純機械滾刀、不同刀間距情況下刀盤推力、扭矩、轉速及滾刀三向力(正壓力、側向力、切向力)，并分析破巖比能。

圖3 純機械滾刀破巖實驗刀具破巖軌跡Fig.3 Rock breaking experiment of pure mechanical hob

2.3 水射流-機械滾刀重縫耦合破巖實驗

先完成水射流對巖樣切縫，然后機械滾刀與水射流騎縫、重縫破巖。采用3 mm貫入度,轉速1 r/min，分別按照60、70、80、90、100 mm的刀間距,針對不同水射流切縫深度(2、5、10、15、20 mm)，每種參數(shù)掘進15 mm。同純機械滾刀破巖實驗類似，每種刀間距滾壓3條軌跡，取中間一條破巖軌跡作為對應刀間距的實驗數(shù)據(jù)，如圖4所示。 通過實驗獲得不同刀間距情況下刀盤推力、扭矩、轉速及滾刀三向力(正壓力、側向力、切向力)，并分析破巖比能。

2.4 水射流-機械滾刀錯縫耦合破巖實驗

通過水射流在巖面上完成切縫，縫隙深度同水射流-機械滾刀重縫耦合破巖實驗，機械滾刀兩條切縫中間的巖脊。采用3 mm貫入度,轉速1 r/min，分別按照不同刀間距,針對不同水射流切縫深度，每種參數(shù)掘進15 mm。每種刀間距滾壓3條軌跡，取中間一條破巖軌跡作為對應刀間距的實驗數(shù)據(jù)，如圖5所示。 通過實驗獲得不同刀間距情況下刀盤推力、扭矩、轉速及滾刀三向力(正壓力、側向力、切向力)，并分析破巖比能。

圖4 水射流-機械滾刀重縫破巖軌跡Fig.4 Water jet mechanical hob meets rock breaking trajectory again

圖5 水射流-機械滾刀錯縫破巖軌跡Fig.5 Water jet mechanical hob staggered rock breaking trajectory

3 實驗結果分析

3.1 水射流破巖分析

為了達到水射流最佳破巖效果，直接采用380 MPa水壓力，以常用80 μm的石榴石作為切割磨料，考慮系統(tǒng)功率消耗，射流流量設置為3.7 L/min，針對同一巖樣，以不同靶距和破巖線速度開展純水射流破巖實驗，通過測量不同條件下的切縫深度，確定水射流最佳破巖參數(shù)。通過實驗，水射流破巖后的巖面如圖6所示，切縫清晰明顯，且寬度大于5 mm，對輔助機械滾刀破巖具有一定可行性。具體不同參數(shù)條件下，切割深度如圖7所示。隨著靶距和破巖線速度的增大，水射流破巖切縫深度明顯降低，當靶距大于25 mm的情況下，切縫小于2 mm，幾乎不受切割線速度的影響。當靶距小于20 mm的情況下，切縫深度會隨切割線速度的增加而降低，且靶距越小，影響越大。根據(jù)水射流破巖切割參數(shù)綜合分析，后續(xù)滾刀與水射流復合破巖采用15～18 mm靶距，切縫維持在18～22 mm進行破巖。

圖6 水射流破巖切縫Fig.6 Rock breaking and fracture cutting by water jet

圖7 不同參數(shù)水射流切割巖石切縫深度Fig.7 Cutting seam depth of rock by water jet with different parameters

3.2 刀具破巖受力分析

針對同一種巖樣，采用不同刀間距，通過實驗，獲得不同刀間距，在純機械滾刀破巖、機械滾刀與水射流破巖切縫重合破巖、機械滾刀與水射流切縫錯縫破巖情況下滾刀三向力變化規(guī)律。

法向力是滾刀破巖的主要動力，其變化規(guī)律如圖8所示，隨著刀間距的增加而增加，純機械滾刀的法向力明顯高于水射流與滾刀復合破巖，水射流破巖切縫與機械滾刀重縫情況下機械滾刀的法向力明顯小于其他兩種情況，平均比純機械滾刀破巖法向力小約30%。

滾動力是滾刀在滾動破巖過程中，由于正壓力而產(chǎn)生的，滾動力直接影響刀盤旋轉扭矩。刀具滾動力變化規(guī)律如圖9所示，隨著刀間距的增大而增大。與法向力變化的區(qū)別是，水射流與機械滾刀重縫破巖情況下，刀具滾動力略高于錯縫情況，主要原因是重縫破巖，刀具貫入度較大，造成刀具滾動力偏高。

滾刀側向力是由于滾刀隨刀盤旋轉破巖，巖石側向擠壓造成的，對刀具端部密封和軸承軸向受力影響較大，側向力過大容易造成軸承損壞和端部密封失效?？傮w規(guī)律如圖10所示，受刀間距影響較小，主要是受刀具在刀盤上的破巖半徑影響較大，結合圖3～圖5，刀具側向隨著滾刀破巖半徑的增加而減小，由于錯縫破巖滾刀貫入度較低，因此錯縫破巖刀具側向力相對于重縫破巖偏小。

3.3 破巖比能分析

比能主要反映的是破碎單位質(zhì)量的巖樣所需要的能量。通過實驗數(shù)據(jù)分析，純機械滾刀、水射流-機械滾刀重縫復合破巖、水射流-機械滾刀錯縫復合破巖必能變化規(guī)律如圖11所示。刀間距從60 mm到100 mm，破巖比能總體隨著刀間距增大而降低再升高，分析原因是刀間距過小，造成刀具重復破巖，刀間距過大，刀具破巖不充分，因此刀間距過大或者過小都會造成能耗增加。從實驗可知，純機械滾刀破巖相對水射流復合破巖能耗最低，主要原因是水射流破巖能效利用率不高。針對實驗用巖樣，純機械滾刀破巖最優(yōu)刀間距為80 mm，重縫復合破巖最優(yōu)刀間距為100 mm，錯縫復合破巖最優(yōu)刀間距為90 mm。對比兩種水射流復合破巖方式，重縫復合破巖的能耗利用率相對較高，但是總體能耗都高于純機械滾刀。

圖8 滾刀法向力變化規(guī)律Fig.8 Variation law of normal force of hob

圖9 滾刀滾動力變化規(guī)律Fig.9 Variation law of rolling force of hob

圖10 滾刀側向力變化規(guī)律Fig.10 Variation law of hob lateral force

圖11 破巖比能變化規(guī)律Fig.11 Variation law of rock breaking specific energy

4 結論

通過開展水射流與機械滾刀復合破巖實驗研究，形成如下結論。

(1)水射流切割巖石切縫深度，受線速度影響較小，受靶距影響較大；當靶距大于25 mm，切縫深深度小于5 mm，對滾刀破巖影響不明顯；當靶距小于10 mm，水射流切縫平均在20 mm以上，但由于水射流刀頭距離掌子面太近，容易把刀具撞壞，因此靶距小于10 mm大于25 mm的情況下，都不適合在掘進機破巖中使用，建議選用15～20 mm的靶距進行破巖。

(2)滾刀破巖刀具受力隨刀間距的增大而增大，刀具滾動力約為法向力的13%～15%；水射流與機械滾刀復合破巖能夠明顯降低機械滾刀的受力，相對于純機械滾刀破巖，刀具受力平均降低約30%；重縫復合破巖相對于錯縫復合破巖，刀具法向力降低，而側向力和滾動力升高，主要原因是貫入度增大，提高了破巖效率。

(3)根據(jù)破巖比能變化規(guī)律，純機械滾刀破巖效能要高于水射流輔助破巖，對能量利用率比較高；水射流輔助機械滾刀破巖可增加設計刀間距，以提升能量利用率，但是由于增加水射流破巖裝置，一方面增加了設備成本，另外也增加了時間成本，因此在常規(guī)隧道施工環(huán)境中，不適合大規(guī)模使用水射流輔助破巖。

水射流輔助機械滾刀破巖雖然不適用大規(guī)模隧道施工，但是針對特殊環(huán)境，如極端軟硬不均地層(常見于海底基巖凸起)、極硬巖地層(抗壓強度普遍在200 MPa以上)，常規(guī)滾刀破巖，難以正常施工，可采用水射流輔助滾刀破巖，雖然會在一定情況下造成能耗增加，但是可有效地解決特殊問題，降低施工風險。