巖石節理傾角和間距對隧道掘進機破巖 特性影響的試驗研究

鄒 飛 ，李海波周青春莫振澤朱小明牛 磊楊風威

（1. 中國科學院武漢巖土力學研究所 巖土力學與工程國家重點實驗室，武漢 430071； 2. 貴州省質安交通工程監控檢測中心有限責任公司，貴陽 550000）

1 引 言

巖石節理特征是影響TBM（隧道全斷面掘進機）滾刀破巖性能的重要因素之一。針對這一問題，國內外學者進行了大量的相關研究[1－6]，例如，美國科羅拉多礦業學院（Colorado School of Mines，CSM）通過巴西盤抗拉強度試驗，獲得巖石層理與加載方向不同夾角時的抗拉強度，以此來分析TBM 滾刀侵入方向與巖石層理面方向之間的關系對TBM 掘進性能的影響。挪威科技大學（NTNU）則根據巖體中裂隙、節理之問的間距將其分為5 類，用裂隙因子SK（裂隙和節理類別以及弱面與隧道軸線之間的夾角的函數）來評價裂隙和節理對TBM掘進性能的影響，并建立數據庫和預測模型對實際工程的掘進進行有效的預測和指導。

龔秋明[7－8]通過離散元軟件UDEC 對TBM 滾刀破巖過程進行了數值模擬，結果表明，節理間距、方向對巖石破碎過程中的裂紋擴展模式有著明顯的影響。龔秋明等[9]還研究了錦屏Ⅱ級引水隧道工程中，大理巖的層厚對TBM 破巖效果和施工進度的影響，研究發現，薄層巖體在滾刀下容易形成完全貫穿巖層的裂紋而形成大塊巖體，掌子面容易失穩，中層只有靠近層面才類似薄層，而厚、巨厚層巖體受巖層的影響較小，屬于正常破巖。

Howarth[10]通過線性切割試驗研究了巖體中存在一組節理時節理的間距對破巖效果的影響，試驗結果表明，在貫入相同深度時，節理間距越小，貫入所需軸向推力越小。Wanner[11]通過現場調查研究認為，含軟弱夾層的張性節理能明顯的提高鉆掘效率，其鉆掘速率將比一般平均掘進速率高50%～100%。

本文通過壓頭的貫入破壞試驗探討巖石節理的間距和方向對壓頭貫入荷載的影響，并研究不同節理傾角和間距條件下試件表面裂紋的演化模式，旨在為TBM 隧道掘進參數確定提供參考。

2 壓頭貫入破壞試驗

2.1 試件材料的選取及其準備

為了使所選材料有致密的結構和較小的孔隙率，試驗試件采用α 型高強石膏澆注。高強石膏晶粒較粗，比表面積比較小，調成石膏漿體的可塑需水量很小，硬化后孔隙率小、強度高，使得試件有較高的彈性模量及抗壓強度，并具有顯著的脆性特征。具體參數如下表1 所示

表1 材料物理力學參數 Table 1 Physico-mechanical parameters of materials

為使試件所產生的尺寸效應不受到側向自由邊界的影響[12]，試件尺寸采用150 mm×150 mm× 20 mm（長×寬×高）。為了保證試件力學性質的一致性，所有試件均采用同一批次高強石膏。試件采用特制的鋁質模具進行澆注。模具內部涂專用脫模劑，使試件脫模后的表面有很高的平整度。澆注之前在模具中插0.3 mm 的薄鋼片，澆注以后在試件初凝前抽出，利用石膏的熱膨脹性，使得裂隙閉合形成節理。

2.2 試驗的加載以及數據采集系統

試驗采用120°角的楔形壓頭，刃口的長度為 40 mm，刃寬為3 mm。試驗在經過改裝的RMT-150C型巖石力學試驗系統上進行。試件的兩側用側向千斤頂通過剛性承壓板施加一定圍壓來提供約束。模擬TBM 侵入力的法向荷載由試驗機提供，試驗中把壓頭的中心部分和試件的中心對齊，避免軸向荷載的偏心。試驗過程中侵入深度通過位移傳感器測量，法向荷載通過安裝在軸向伺服千斤頂上的壓力傳感器測量。加載過程中，用CCD 相機采集試件表面裂紋擴展圖像。試驗裝置如圖1 所示：

圖1 試驗裝置 Fig.1 Test equipment

2.3 試驗方案

試驗中采用4 種節理傾角和5 種不同的節理間距，試驗模型如圖2 所示。圖中D 代表節理的間距，α 代表節理面與壓頭貫入平面（TBM 開挖中的掌子面所處平面）的夾角，當節理為水平即α =0°時，表示壓頭與試件接觸點到節理面的間距?？紤]到試件尺寸和邊界效應，具體參數如表2 所示。

圖2 試驗模型 Fig.2 Test models

表2 試件節理參數 Table 2 Joint parameters of specimens

3 試驗結果及其分析

3.1 不同節理傾角和間距情況下貫入荷載-侵深曲線特征

圖3～6 為不同節理傾角和間距條件下，壓頭貫入過程中的荷載－侵深曲線，荷載所反映的是試件對壓頭貫入過程中的抵抗力，侵深則是壓頭貫入試件中的深度。其基本特征為：在加載初期，荷載與侵深成比例增加，當荷載持續增加達到躍進點（荷載跌落之前達到的最大值，圖中虛線所示位置）后，主裂紋迅速擴展，荷載明顯跌落，且跌落速率相當快，該特征說明主裂紋擴展的突發性。

圖7 反映的是不同節理傾角情況下躍進點荷載與節理間距的關系，可以看出，當節理傾角一定時，節理間距越大，達到躍進點的貫入荷載值越大。

躍進點荷載與節理傾角的關系如圖8 所示，為了進行有效對比，選擇不同節理角度下節理間距相同的3 種工況進行分析，其基本規律為：在相同節理間距條件下，隨著節理傾角的增加其躍進點荷載都呈先減小后增大的趨勢，當α 為30°時，所需荷載值最小。

圖3 α =0°時荷載-侵深曲線 Fig.3 Load-penetration depth curves atα =0°

圖4 α =30°時荷載-侵深曲線 Fig.4 Load-penetration depth curves atα =30°

圖5 α =60°時荷載-侵深曲線 Fig.5 Load-penetration depth curves atα =60°

圖6 α =90°時荷載-侵深曲線 Fig.6 Load-penetration depth curves atα =90°

圖7 節理間距與躍進點荷載關系 Fig.7 Relationships between joint space and peak load

圖8 節理傾角與躍進點荷載關系 Fig.8 Relationships between joint angle and peak load

3.2 不同節理傾角和間距情況下侵入特征

荷載－侵深曲線所反映的是壓頭下粉碎區、塑 性區的發展導致試件局部區域剛度弱化以及彈性 區域的變形的綜合表現，曲線特征反應了巖石抗侵入的能力。用文獻[13-14]中定義的抗侵入系數K（kN?mm-1），即侵入單位深度所需荷載對曲線特征進行表述，具體定義為

式中：P 為躍進點荷載（kN）；U 為躍進點刀具貫入深度（mm）。

侵入功A（kN?mm）所反應的是試件從加載到主裂紋擴展形成荷載跌落整個過程所消耗的能量，即圖9 中 OAUΔ 面積，其表達式為：

由于荷載的跌落與主裂紋的擴展有關，建立主裂紋擴展與能量釋放之間的關系： 裂紋擴展所需要的能量E（kN?mm）為圖9 中 OABΔ 的面積。

根據試驗得到的荷載－侵深曲線，得到不同節理傾角和間距條件下的K、A、E 值的統計見表3。

K、A、E 值的基本變化規律為：節理傾角一定時，節理間距越大，巖石的抗侵入系數越大，達到躍進破碎時所需侵入功越多，裂紋擴展所需能量越大。具體分析如下：

不同節理傾角下，節理間距對K 值的影響如圖10 所示：（1）α = 0°時，壓頭下應力場呈對稱分布。在達到躍進點之前，5 種不同節理間距試件的抗侵入系數基本一致，都在19 左右，可見水平節理對抗侵入系數的影響很小。（2）α = 30°時，壓頭到節理面的垂直距離從1 cm 增加到4 cm，抗侵入系數呈逐漸增大趨勢，最小值為8.14，最大值為17.06，節理傾角的變化對試件抵抗侵入的能力產生明顯的影響，節理間距越小抗侵入系數越小。（3）α = 60°時，壓頭到節理面的垂直距離從1 cm 增加到4 cm，抗侵入系數呈逐漸增大趨勢，D = 8 cm 時抗侵入系數與D = 6 cm 時的抗侵入系數基本一致，表明在該節理角度下節理間距超過一定的值，對K 值影響明顯降低。（4）α = 90°時，D = 2 cm 時，K 值為12.91。當D 增加到4、6、8 cm 時，K 值分別為25.00、26.19、26.00，K 值的變化波動不大，基本一致。

不同節理傾角下，節理間距對侵入功A 以及主裂紋擴展所需能量E 的影響如圖11、12 所示。A、E 值的變化規律為：在達到躍進點之前，節理間距越大，所需侵入功越多，裂紋擴展所需能量越大。除D = 2 cm，α = 90°外，其余工況下侵入功與節理間距線性相關，主裂紋擴展所需能量是關于節理間距的冪函數。

不同節理間距下，節理傾角對A、E、K 值的影響如圖13～15 所示。其基本規律為：在相同節理間距條件下，隨著節理傾角的增加，A、E、K 值都呈先減小后增大的趨勢，在α = 30°時，A、E、K 值最小。

α = 90°時，裂紋擴展模式與其他角度不相同，對抗侵入系數、侵入功以及主裂紋擴展所需能量的影響有著本質的區別，在此進行說明：由于節理與貫入方向平行，側向裂紋的擴展被節理限制，不能有效擴展，增加了抵抗壓頭貫入的能力。中間主裂紋則是從壓頭端部起裂，向試件內部擴展，所受約束越來越大，其他角度則是從節理面處起裂，向壓頭端部發展，所受約束越來越小。尤其是D = 2 cm，由于節理間距偏小，側向裂紋的擴展被節理所限制，導致壓頭下應力集中，材料過度破碎，使得K 值偏小、A 值則偏大，由于該工況的特殊性，在圖10、11 中用圓圈標識。

圖9 荷載-侵深曲線 Fig.9 Load-penetration depth curves

表3 K、A、E 值的統計 Table 3 Statistics of the value of K, A and E

圖10 節理間距與K 值關系 Fig.10 Relationships between joint space and values of K

圖11 節理間距與A 值關系 Fig.11 Relationships between joint space and values of A

圖12 節理間距與E 值關系 Fig.12 Relationships between joint space and values of E

圖13 節理傾角與K 值關系 Fig.13 Relationships between joint angle and values of K

圖14 節理傾角與A 值關系 Fig.14 Relationships between joint angle and values of A

圖15 節理傾角與E 值關系 Fig.15 Relationships between joint angle and values of E

3.3 不同節理傾角和間距情況下試樣破壞特征

圖16 為不同節理傾角和間距條件下試樣破壞區域的裂紋素描圖，虛線表示節理，實線表示宏觀裂紋。試件編號約定：節理間距+節理傾角，為了體現裂紋細節各圖比例尺未進行統一，以間距D 的長度體現。如2-30 表示節理間距D 為2 cm，節理傾角為30°。當節理傾角為0 時，D 表示節理到壓頭的距離。

從圖16 可以看出：節理的空間位置對裂紋的擴展有著明顯的控制作用，節理面既是拉破壞裂紋的起裂位置，同時也對裂紋的擴展起到了阻隔作用。節理面平行或垂直貫入方向時，裂紋空間分布近似對稱，當呈一定角度時，裂紋則發生大的偏轉。具體分析如下：

（1）α = 0°時：在刀具荷載作用下，試件所受力呈對稱分布，由于節理的水平分割，節理面上與侵入方向相交點的拉應力迅速集中，當節理間距偏小時，首先達到抗拉極限，裂紋起裂，并迅速向壓頭端部擴展。

D = 2 cm 時，環形裂紋所包圍的破壞剝離區僅限于壓頭與節理之間部分，中間拉裂紋首先從節理面上表面起裂向壓頭端部擴展，隨后在節理面下表面起裂向試件內部發展。

D = 3、4、5 cm 時，發育明顯的側向裂紋以及環形裂紋，兩2 條中間裂紋近似平行發展。其順序為：中間裂紋首先從節理面向壓頭擴展，在密實核邊緣終止，隨后刀頭兩側出現明顯的側向裂紋。

D = 6 cm 時，中間裂紋從壓頭向節理擴展，隨后出現環形裂紋，最后出現側向裂紋，最終裂紋擴展貫通導致破碎塊體剝離。

（2）α = 30°時：節理的存在破壞了應力場的對稱性，差異變形引起的拉應力在節理面處垂直于微裂隙表面，并使裂紋尖端產生大的拉應力場，隨著荷載的增加，裂紋失穩擴展。

D = 2 cm 時，共出現3 條主裂紋，其中一條的起裂點位于節理面上，且該點為節理到壓頭距離最近點，裂紋近似垂直于節理。側向裂紋擴展到一定程度后發生明顯的偏轉，平行節理方向繼續擴展。D = 4 cm 時與D = 2 cm 時基本相似，只是側向裂紋未發生偏轉，擴展到節理處終止。

D = 5 cm 時，除環形裂紋以及垂直節理面并擴展到壓頭的一條裂紋外，在壓頭下部處發育3 條明顯側向裂紋，2 條擴展到節理面處終止，另外1 條平行節理方向擴展，其末端發育垂直節理面的次級裂紋。

圖16 試件破壞后裂紋擴展素描圖 Fig.16 Crack sketches of the damage specimens

D = 6、8 cm 時，基本一致，壓頭下部由剪切破壞形成的環形裂紋，并伴隨有少量次生裂紋以及1 條從節理面到密實核邊緣的拉裂紋。

（3）α = 60°時：D = 2 cm 時，由于節理間距偏小，限制了裂紋的擴展，導致壓頭下小區域內裂紋數量明顯偏多，發育多條側向裂紋，同時發育1 條中間裂紋平行節理方向擴展。

D = 4、6、8 cm 時，裂紋發育形態基本一致，除部分次級裂紋以外，主裂紋發育規律如下：1 條由節理面處擴展到壓頭的裂紋，1 條從壓頭下部的密實核區域邊緣擴展的中間裂紋，該裂紋的最大特點是擴展方向逐漸平行節理方向。

（4）α = 90°時：試件所受力呈對稱分布，節理對側向裂紋的擴展有明顯的控制作用，對中間裂紋的影響則較小。D = 2、4、6 cm 時，側向裂紋終止于節理面處，中間裂紋張性明顯。D = 8 cm 時，除環形裂紋和側向裂紋發育外，中間裂紋開始擴展就出現大的偏轉，可能是試件受力不對稱，導致差異變形造成的。

4 結 論

（1）當節理傾角一定時，隨著節理間距增大，達到躍進點的貫入荷載值增加，侵入功以及主裂紋擴展能量也都呈增大趨勢。α =0°、90°時，抗侵入系數基本一致（除α =90°，D = 2 cm 時，抗侵入系數明顯偏低），α = 30°、60°時，抗侵入系數呈增大趨勢。

（2）當節理間距一定時，隨著α 角度的增加，躍進點荷載、抗侵入系數、侵入功以及主裂紋擴展能量都呈先減小后增大趨勢。在α = 30°時，各值都為其最小值，即節理面與侵入方向的夾角為60°時，最有利于刀具破巖，該工況下TBM 的掘進速率能有效提高

（3）節理面的空間位置控制著壓頭下試件的變形及破壞過程，節理面有利于拉裂紋的起裂，但同時又對裂紋的擴展起到了阻隔作用，當節理面平行或垂直貫入方向時，裂紋擴展分布近似對稱，當呈一定角度時，裂紋則發生大的偏轉。

實際工程表明，節理對TBM 掘進速率有著重要影響。本文通過試驗研究節理面參數對抗侵入系數、侵入功以及主裂紋擴展能量的影響，對指導TBM 在節理巖體隧道施工中采取合理掘進參數有著一定的參考意義。

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