地應力對TBM滾刀破巖力影響室內試驗研究

彭星新

(中鐵十一局集團第四工程有限公司 湖北武漢 430074)

1 引言

隧道掘進機TBM(Tunnel Boring Machine)已被廣泛應用于開挖高埋深下的地下工程項目。在埋深較深的地層中掘進時經常會遇到地應力誘發的各種工程問題，很容易導致嚴重的工程災難，不僅會降低施工速度和開挖質量，還會增加工程投資和開挖風險。在高度受壓的軟弱破碎巖體中掘進時，因巖體具有時效變形性質，極易遇到地層擠壓和護盾/刀盤被卡問題，威脅機器設備和人員安全，導致嚴重的工期延誤和經濟損失[1-3]。這些問題都是由于地應力的作用影響了TBM滾刀破巖效率和刀盤掘進性能[4-7]。

為模擬隧道掘進面上真實的TBM滾刀破巖過程，研究人員普遍采用全尺寸線性切削試驗進行TBM性能預測[8-10]。然而，目前僅有很少的全尺寸線性切削試驗研究圍壓(地應力)對TBM滾刀破巖性能的影響規律。本文采用強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TBM滾刀破巖性能的整個影響階段，研究圍壓對TBM滾刀法向力、滾動力的影響規律。

2 不同雙向等圍壓條件下的全尺寸線性切削試驗

2.1 全尺寸線性切削試驗機

雙向等圍壓條件下的全尺寸線性切削試驗在北京工業大學的機械破巖試驗平臺進行(見圖1)，具備在最大尺寸為1.0 m×1.0 m×0.6 m的巖石試樣上進行全尺寸刀具線性切削試驗的能力。

圖1 北京工業大學全尺寸線性和旋轉切削試驗機

線性切削試驗機通過液壓系統和圍壓加載板對巖石試樣施加雙向圍壓條件，巖石試樣被限制在四個剛性加載板內(即前、后、左、右4個圍壓加載板)。本文共對5個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 試驗設計、步驟及結果

2.2.1 試驗設計

重慶青砂巖是一種青色細顆粒硬質脆性沉積巖，單軸抗壓強度為60.76 MPa，巴西劈裂強度為1.81 MPa，靜態彈性模量為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 試驗步驟

(1)將巖石試樣放置在圍壓試驗箱的中間，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先壓緊。

(2)在平行和垂直于滾刀切削方向上同時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，直至達到設計圍壓。

(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滾刀貫入度進行預處理切削。

(4)預處理切削完成之后，采用1.0 mm滾刀貫入度進行正式巖石切削試驗。在每一個切削層上，都要記錄試驗區域中每一條切削軌跡上的滾刀法向力和滾動力。當采用某一滾刀貫入度進行4到5層切削之后，將滾刀貫入度增加1.0 mm或2.0 mm，然后開始進行更大滾刀貫入度的巖石切削試驗。

2.2.3 試驗結果

表1為不同雙向等圍壓條件下滾刀法向力(FN)、滾動力(FR)的試驗結果。

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結果

3 試驗結果分析及討論

3.1 滾刀法向力

如圖2所示，對于每一個圍壓水平，滾刀法向力都隨著滾刀貫入度的增加而減速增加。同時，滾刀法向力對滾刀貫入度的影響在滾刀法向力較大時更為明顯。當滾刀法向力較小時，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；當滾刀法向力較大時，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，對于每一個滾刀貫入度，當圍壓從0-0 MPa增加到12.5-12.5 MPa時歸一化滾刀法向力都會輕微增加，當圍壓從12.5-12.5 MPa增加到20-20 MPa時歸一化滾刀法向力都會迅速降低。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生在圍壓比為0.21(即12.5/60.76)處。對于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，滾刀法向力遠小于無圍壓條件下的相應值，此時TBM滾刀破巖受到促進。

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關系曲線

3.2 滾刀滾動力

如圖4所示，對于每一個圍壓水平，滾刀滾動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顯示出在法向方向和滾動方向上可能存在不同的巖石響應過程和巖石破碎機理。當圍壓從0-0 MPa增加到10-10 MPa時，不同圍壓對應的滾刀滾動力擬合曲線的斜率從0.551 6降低到0.480 1，這表明當圍壓水平較低時，隨著圍壓的增加，滾刀滾動力隨滾刀貫入度的線性增加趨勢變快；當圍壓從15-15 MPa增加到20-20 MPa時，同一圍壓對應的滾刀滾動力擬合曲線的斜率從0.707 4增加為1.526 1，這表明當圍壓水平較高時，隨著圍壓的增加，滾刀滾動力隨滾刀貫入度的增加趨勢變緩。然而，當巖石試樣出現預先損傷和預先破裂時，TBM滾刀破巖受到促進，此時在相同滾刀貫入度下滾刀滾動力要小于無圍壓條件下的相應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力FR和貫入度p關系

圖5 不同滾刀貫入度下青砂巖歸一化滾刀滾動力FRNor和圍壓σ0關系曲線

如圖5所示，對于每一個滾刀貫入度，當圍壓從0-0 MPa增加到8.75-8.75 MPa附近時歸一化滾刀滾動力都會從1.00增加到相應的最大值，此時對應的圍壓比為0.14(即8.75/60.76)；當圍壓在11.25-11.25 MPa附近時歸一化滾刀滾動力從大于1.00降低到小于1.00，此時對應的圍壓比為0.19(即11.25/60.76)；當圍壓為20-20 MPa時歸一化滾刀滾動力均降低到很低的數值，僅有無圍壓條件下相應值的0.4倍。因此，從滾刀滾動力的角度來看，當圍壓小于11.25-11.25 MPa時TBM滾刀破巖受到抑制，當圍壓大于11.25-11.25 MPa時TBM滾刀破巖受到促進。對比圖3，滾刀滾動力的兩個臨界圍壓比(0.14和0.19)都要小于滾刀法向力的相應值(0.21和0.27)。這種現象表明：滾刀法向力和滾動力對圍壓和滾刀貫入度的反應不同，隨著圍壓和滾刀貫入度的增加，法向方向和滾動方向上出現了不同的巖石破碎機理。

3.3 臨界圍壓

針對滾刀法向力、滾動力，可以確定出若干臨界圍壓。

(1)如圖2所示，當圍壓范圍在0-0 MPa～20-20 MPa時，滾刀法向力在12.5-12.5 MPa圍壓附近遭到最強烈的抑制作用，在16.25-16.25 MPa圍壓附近從被抑制狀態轉化為被促進狀態，在20-20 MPa圍壓附近遭受最強烈的促進作用。

(2)如圖4所示，當圍壓范圍在0-0 MPa～20-20 MPa時，滾刀滾動力在8.75-8.75 MPa圍壓附近遭受最強烈的抑制作用，在11.25-11.25 MPa圍壓附近從被抑制狀態轉化為被促進狀態，在20-20 MPa圍壓附近遭受最強烈的促進作用。

需要注意的是這些臨界圍壓并不都相同，滾刀法向力對應的臨界圍壓總比其他三個參數對應的臨界圍壓要大，同時滾刀法向力的最大增量(約10%)也要小于其他三個參數的最大增量(約20%)。這就是說圍壓對滾刀法向力的影響總是滯后的，并且其影響程度也更小。同時也表明，滾刀法向力、滾動力對圍壓改變的反應不相同。巖石切削過程開始于滾刀法向力誘發的巖石壓碎區，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TBM滾刀破巖從抑制作用轉化為促進作用。當施加15-15 MPa圍壓時，在巖石試樣表面觀測到若干微小閉合裂紋，表明巖石試樣被預先損傷但仍能保持基本完整；當施加20-20 MPa圍壓時，在巖石試樣表面觀測到若干貫通張開裂紋并將巖石試樣分割為3塊，表明此時巖石試樣被預先破裂并且不再保持完整。因此，當圍壓范圍為0-0 MPa～12.5-12.5 MPa時(試驗中對應0-0 MPa和10-10 MPa圍壓)，巖石試樣保持完整，其強度不斷升高，巖石處于強化效應階段；當圍壓范圍為12.5-12.5 MPa～16.25-16.25 MPa時(試驗中對應15-15 MPa圍壓)，巖石試樣仍然完整，但是圍壓會誘發其出現預先損傷，巖石處于損傷效應階段；當圍壓范圍為16.25-16.25 MPa～20-20 MPa時(試驗中對應20-20 MPa圍壓)，巖石試樣不再完整，并且圍壓會誘發其出現預先破裂，巖石處于破裂效應階段。綜上所述，圍壓對TBM滾刀破巖的整個影響階段見圖6。

圖6 圍壓對TBM滾刀破巖的整個影響階段

4 結論

本文針對重慶青砂巖試樣采用不同的雙向等圍壓條件進行全尺寸線性切削試驗，經過分析得到以下結論：

(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數值及相對關系。

(2)對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，滾動力線性增加，并且這種變化趨勢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、滾動力都首先出現一定程度的增加，然后在圍壓達到某些臨界值之后迅速降低到很小的數值，曲線上的某些特殊點可以表征圍壓的臨界值。對于高度受壓的重慶青砂巖，TBM開挖在平均地應力為12.5 MPa時受到最強烈的抑制作用，在平均地應力為16.25 MPa前后從被抑制狀態轉化為被促進狀態。

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