不同間距和傾角的巖石節理對TBM滾刀破巖的影響

王濱， 李堯

(山東大學巖土與結構工程研究中心， 濟南 250061)

隧道建設在中國公路、鐵路、水利水電以及市政等基礎設施建設中占據重要的地位，全斷面巖石掘進機(tunnel boring machine, TBM)因其具有掘進效率高、對圍巖擾動小、成洞質量高、安全性好、機械自動化和信息化程度高等特點得到越來越廣泛的應用。但由于工程地質條件復雜，TBM適應性較差，如遇到巖石強度突變、斷層破碎帶等不良地質發育的地層時，卡機、刀具異常損壞等事故頻發，使得TBM破巖掘進效率大大降低[1-2]。其中復雜的節理分布條件是影響TBM破巖效率的重要原因。在節理巖體TBM滾刀破巖規律方面，國內外專家學者進行了室內和數值模擬兩方面的研究。

在室內試驗方面，Yin等[3]對不同節理間距的北山花崗巖進行全尺寸的線性切割試驗，研究發現，巖石破碎分為正常巖石破碎階段和節理控制的巖石破碎階段，節理間距越小，形成的裂紋和切屑越多，而且節理對豎向的主裂紋有加劇作用。Yang等[4]研究不同角度的預制節理對破巖的影響，得到破巖效率最高的表面節理角度，并在最佳角度下，得到與不同節理方向的巖石切割角度相關的最小推力和最大貫入度，同時提出適用于完整巖石和節理巖石的推力和扭矩的理論預測公式。馬洪素等[5]研究節理傾向對滾刀破巖的模式和效率的影響，提出在不同傾向角條件下節理巖體的3種破巖模式，并發現當傾角為60°時滾刀破巖效率最高。鄒飛等[6]在簡化的試驗裝置上進行了滾刀破巖相似試驗，發現節理的空間特征對裂紋擴展的方式具有明顯影響。

在數值模擬方面，Choi等[7]利用UDEC離散元軟件模擬出在不同節理傾角和間距下的掘進機滾刀力，得到在相同節理傾角的條件下，隨著節理間距的增加，滾刀破巖的效率降低的結論。Gong等[8]采用二維UDEC離散元軟件模擬單把滾刀破碎節理巖體的過程，提出破巖過程可分為破碎區的形成、小裂紋區的形成和大裂紋的擴展3個階段。數值模擬結果還表明，裂紋的擴展包括兩個過程，一種是從接觸面開始向上擴展到自由面；另一種是裂紋從破碎區開始，向節理面擴展。Zhao等[9]通過PFC顆粒流模擬軟件，采用光滑節理模型(smooth joint model，SJM)模擬研究不同間距和數量的集中平行節理的變形和破壞模式，得到隨著圍壓增大，相同節理數量但不同節理間距的巖體力學性質會變得相似的結論。孔曉璇等[10]利用PFC2D軟件建立了不同節理傾角下雙滾刀破巖模型，并分析了其對應的巖石破碎模式、數目和比能等，彌補了室內試驗無法進行細觀特性研究的不足。張旭輝等[11]利用顆粒離散元法建立不同節理特征下的單刃和雙刃滾刀的侵入破巖模型，分析破巖動態過程和裂紋擴展規律，得到節理對滾刀作用下的裂紋擴展具有引導和阻隔兩種效應的結論。Zhai等[12]利用廣義粒子動力學法(general particle dynamics，GPD)模擬斷續和連續節理巖體條件下滾刀破巖過程，研究破巖裂紋的擴展機理，發現斷續節理的長度對滾刀破巖效率有顯著影響。

但上述研究的節理與隧道軸線成一定角度，故現針對性地研究與水平線成一定角度的巖石表面節理條件下的滾刀破巖情況。由于巖樣尺寸太小會產生尺寸效應，采用兩塊尺寸為980 mm×980 mm×600 mm的節理巖樣，依托北京工業大學自行研制的機械破巖平臺，用巖石表面切縫模擬巖石節理條件，設計不同貫入度、切縫間距和角度條件下的3種試驗方案。通過破巖后巖石表面形態、滾刀振動和受力情況研究預切縫巖體的破壞模式，并利用多元線性回歸方法，建立巖石切割過程中滾刀受力的預測模型，以期對于工程實際具有一定的指導意義。

1 試驗方案設計

1.1 線性切割試驗平臺

試驗依托北京工業大學的機械破巖試驗平臺，其主要由機械框架、液壓裝置、測試系統和自動控制系統組成。試驗采用巖樣最大尺寸要求為980 mm×980 mm×600 mm，可通過前后水平移動巖樣箱使得刀具與巖樣之間發生相對運動切割巖石，實時記錄滾刀三向受力情況。同時，自動控制系統可以調節滾刀對巖石的貫入度和運行軌跡，用以探究在不同機器參數條件下的滾刀破巖規律。機械破巖試驗平臺如圖1所示。

圖1 機械破巖試驗平臺

1.2 巖石試樣

線性切割試驗采用兩塊規格均為980 mm×980 mm×600 mm的花崗巖試樣，并按照試驗要求加工巖石表面切縫。兩塊花崗巖試樣及表面切縫條件如圖2所示。其中花崗巖1左側水平切縫間距設置為400 mm，右側切縫間距設置為200 mm。而花崗巖2表面切縫角度與水平夾角設置為30°，間距為200 mm。即兩塊花崗巖設置三種切縫條件，寬度為1 cm，切縫在深度上呈弧形，最深處為16 cm，且方向均與滾刀切割方向垂直。

圖2 花崗巖試樣

在試驗開始之前，根據《工程巖體試驗方法標準》(GB/T 50266—99)的要求，通過單軸抗壓試驗和巴西劈裂試驗對花崗巖的強度力學參數進行測定，測定結果如表1所示。

表1 花崗巖物理力學參數

1.3 試驗方案及步驟

試驗選用17 in(432 mm)直徑常截面盤形滾刀破巖，并在破巖試驗之前在巖樣四周加0.5 MPa圍巖，以保證巖樣穩定，不致產生大的滑動。在切割試驗中，滾刀速度均設定為20 mm/s，滾刀刀間距選定70 mm，滾刀垂直作用在巖石表面上。具體分為3個試驗方案，試驗方案1選取花崗巖1左側切縫間距為400 mm部分，貫入度設定為1.5～3.5 mm的5個值，間隔0.5 mm；試驗方案2選取花崗巖1右側切縫間距為200 mm部分，貫入度同樣設定為1.5～3.5 mm的5個值；試驗方案3選取花崗巖2的斜切縫部分，貫入度設定為從2～4 mm的5個值，間隔為0.5 mm。如表2所示。

表2 試驗的主要參數

試驗步驟如下。

步驟1將巖樣置于巖箱中，并通過側向油缸施加0.5 MPa圍壓，維持巖樣穩定不產生較大滑動。

步驟2在正式按照設定的貫入度進行切割之前，需要先以小貫入度(試驗采用0.5 mm)對巖石表面進行10層左右的切割處理，使得巖樣狀態更能真實反映現場TBM掘進過程中掌子面的巖石情況。

步驟3在表面處理之后，3種試驗方案按照設定的貫入度依次進行切割，每個貫入度下切割巖石層數為4～5層，采集每一層每一道切槽滾刀切割時的瞬時三向力數據，并清理、收集切割后的巖渣以備后續篩分試驗。

步驟4利用振動傳感器采集滾刀切割巖石時的振動加速度，并通過無線網關和天線將信號傳輸到計算機測試軟件中，如圖3所示。所得振動數據可以用于分析試驗過程中刀具振動的劇烈程度，并匹配刀具力的變化情況。

圖3 刀具振動信息采集

步驟5在切割結束之后，進行巖渣的篩分試驗，并分析所得到的滾刀力和滾刀振動等數據。為避免巖樣線性切割的邊界效應，不考慮邊界及兩種節理交界處的幾道切槽，僅統計各種切縫條件區域中間2、3道切槽處滾刀在不同貫入度下的滾刀平均力。

2 試驗過程

2.1 表面處理過程

花崗巖1表面分別有間距200 mm和400 mm的切縫條件，按照刀間距為70 mm，滾刀切槽設置為10道，其中第5道處于兩種切縫交匯處。花崗巖2取斜切縫所在區域進行試驗，滾刀切槽設置為4道。在經過10層的巖樣表面處理過程后，兩塊巖石表面情況如圖4所示。

原有的切縫均被切割形成的巖石碎屑充填，滾刀滾壓巖樣表面，形成密實核。上下兩側巖體表面均被破除較大區域的巖塊，變得凹凸不平并引起刀具劇烈振動。除此之外，在圖4(a)中第5、6道切槽區域出現3個較大巖坑，第7、8、9道切槽區域產生兩個沿切縫方向的巖坑。在圖4(b)中表面巖體更為破碎，在底側產生一個沿斜切縫方向的較大巖坑。另外，受制于圍壓作用，巖石沒有發生滑移現象。

圖4 表面處理后的巖樣

2.2 正式切割試驗過程

由于在花崗巖1上有兩種切縫條件，而第5道切槽位于兩種切縫交匯處，所以不做切割處理。在試驗方案1中，當貫入度為1.5～2 mm時，在進行4層切割后，巖石表面相鄰切槽間形成較多巖渣片，并產生大量巖粉，尤其在切縫處產生大量細碎巖渣，填充間隙。此時，滾刀切割過程產生的振動并不劇烈。當貫入度增大到2.5 mm時，切割導致大量巖石剝落，相鄰切槽間大多能夠形成貫通巖片，清理巖渣后，巖面較為平整，僅在切縫處有溝槽，如圖5所示。當貫入度為3～3.5 mm時，切割產生大量破碎巖渣，切縫處巖石繼續破碎并延展成較深的水平溝槽。整個過程滾刀產生較大振動，尤其在切割節理時發出巨大響聲。

圖5 貫入度2.5 mm，第3層切割面

試驗方案2中，切縫區域經過表面處理后，已產生幾個較深的水平溝槽。當貫入度為1.5～2 mm時，破巖效果極為顯著。除巖樣切槽之間巖石貫通形成大量巖渣外，切縫溝槽處也產生大量向下延伸的裂紋，裂紋貫通至溝槽底部巖層后即產生大量細碎巖片。清理巖渣后，觀測巖體表面，相較于試驗方案1在相同貫入度、相同切割層數條件下，巖面更加不平整，除第一道節理外，其余節理處均產生沿切縫的溝槽，如圖6所示。當貫入度繼續增大，刀具振動加強，發出巨大響聲。切縫處巖片繼續剝落，溝槽持續加寬加深，底部存積大量巖粉，但破碎巖渣較為細碎，沒有大塊巖渣產生。

圖6 貫入度2 mm，第3層切割面

在試驗方案3中，在斜切縫區域進行4個切槽的滾刀切割試驗。當貫入度為2～2.5 mm時，巖體破碎效果明顯，在切割過程中滾刀振動劇烈。巖渣形態多呈塊狀或粉狀，少見長條狀。切槽之間裂縫貫通產生大量巖渣且第一道斜節理處形成一道較深溝槽，其余切縫均被細小巖渣充填。在切割區域右側邊界的切縫也產生大量貫通裂紋。當貫入度增大到3～4 mm時，破巖效果進一步增強。其余三條斜切縫處因巖石裂紋向下貫通而產生溝槽，而原有溝槽在滾刀滾壓下持續加深加寬，巖片大量剝落。刀具切割過程中產生劇烈振動，發出巨大聲響。清理表面巖渣后，巖面極為不平整。如圖7所示。

圖7 貫入度3.5 mm，第3層切割面

3 數據處理和結果分析

3.1 滾刀振動

刀具振動信號采集利用北京必創科技公司生產的振動監測系統，以試驗方案3為例，由傳感器測量到的振動信號如圖8所示。

其中，在圖8(a)中的標點代表刀具在垂直方向的正向最大加速度為1.31g(g為重力加速度)。其中振動信號的波峰段幾乎能對應4條斜切縫位置。而通過傅里葉變換對時間域的振動信號進行頻譜分析，可以得到刀具的主頻頻率。主頻頻率可以反映系統本身的特性。如在圖8(b)中的標點代表著刀具振動的主頻頻率為39.95 Hz。按照此種方式，測量得到試驗方案3中不同貫入度條件下的滾刀振動的峰值加速度和主頻頻率，如表3所示。

表3 滾刀振動峰值加速度和主頻頻率

由表3可以得到，刀具振動的峰值加速度隨貫入度的增大而增大，這也與滾刀力隨貫入度的增大而增大的規律相一致。而主頻頻率反映的是切割平臺的固有特性，變化范圍不大，平均值為37.71 Hz。

通過對試驗方案3滾刀破巖的振動監測結果分析表明，在大貫入度破巖的情況下，刀具會發生較大振動，因此要采取必要的滾刀減振措施，避免刀具產生嚴重損壞。

3.2 滾刀力

試驗中所采集到的滾刀法向力和滾動力都是瞬時作用力，在試驗方案1中，當貫入度為2 mm，滾刀在第4層切割面第3道切槽時，滾刀法向力和滾動力如圖9所示。

圖9 滾刀法向力、滾動力隨時間的變化曲線

在分析試驗結果時，需要將瞬時力處理為平均力，而且應該用有效的記錄數據計算。在每個貫入度前兩層的切割中，通常滾刀力變化較大，為過渡階段，應排除在外。而且要考慮巖石的邊界效應，只取每塊切縫區域中間2～3道切槽及穩定層切割面的滾刀力數據做平均。處理后的試驗數據結果如表4所示。

表4 試驗處理結果

圖10顯示出對于3種試驗方案和巖石完整條件下，滾刀在線性切割過程中的平均法向力隨貫入度的變化趨勢，其中巖石完整條件試驗數據由文獻[13]中獲得。首先可以看到，在完整巖石和帶切縫巖石條件下，法向力與貫入度呈非線性相關關系，擬合公式如圖10所示，而且在隨著貫入度從小到大逐漸加深的過程中，滾刀的法向力均有所增加；其次，在貫入度增大過程中，法向力增長變緩，原因是在滾刀作用下，滾刀下方已產生巖體破碎區域，所以要達到大貫入度所需的法向力便不再像小貫入度時強烈。這與前人試驗得到的結果和工程現場的實際情況相一致。

解決上述問題，治標的辦法是進一步發展完善相關環保及檢測技術，不斷完善修訂環保標準。治本的辦法是加快電力生產向清潔能源轉型升級，替代燃煤發電，在出現大規模不可逆環境污染造成嚴重后果前，使其得到有效控制。我國明確提出，在2020年碳減排降低40%～45%的目標，但如果不采取加速發展清潔能源、減少對煤電依賴、優化產業結構、提高能效等措施，目標很難實現。

圖10 平均法向力隨貫入度變化曲線

具體而言，比較試驗方案1、2中的帶切縫巖石和完整巖石試驗結果，發現在相同貫入度條件下，帶切縫巖石相較于完整巖石破巖所需法向力更小，而當切縫間距由200 mm增大到400 mm時，在相同貫入度條件下滾刀法向力明顯增大；從巖石破碎表面來看，切縫間距降低會導致更多巖屑產生，巖面更加不平整而且更易產生較深溝槽。這說明切縫對巖石的裂紋擴展有引導作用。間距越小，切縫數量越多，會導致切割破巖所需要的推力越小；比較方案2和方案3的試驗結果，發現斜切縫比水平切縫巖石破巖所需的法向力更低。由圖6和圖7中的巖面破碎情況分析巖體破裂機理和形式，推測原因在于滾刀切割斜切縫時節理面與滾刀接觸面積更大，導致產生更大面積破裂裂隙，巖體更容易因為裂隙貫通而破裂，因此在達到相同貫入度的條件下，所需推力減小，破巖效率更高。

圖11顯示在3種試驗方案和巖石完整條件下，滾刀在線性切割過程中的平均法向力隨貫入度的變化趨勢。可以看到，滾動力與貫入度呈線性相關，擬合公式如圖11所示，并隨貫入度的增大而增大。這是因為貫入度增加導致滾刀與巖石的接觸面積變大，摩擦力也相應增大，而且完整巖石下滾動力隨貫入度增加趨勢明顯快于帶切縫巖石。

圖11 平均滾動力隨貫入度變化曲線

同樣，比較試驗方案1、2中的帶切縫巖石和完整巖石試驗結果，發現在相同貫入度條件下，帶切縫巖石破巖所需滾動力較完整巖石小，且切縫間距越大，數目越少，則滾動力越大。另外，比較試驗方案2和3可以看出帶斜切縫巖石破巖產生的滾動力更小，推測原因在于斜切縫使得巖石更易破碎，更加能降低巖石強度，滾刀貫入產生的摩擦力自然減小，滾動力相應降低。

4 滾刀法向力預測模型

不同的節理條件會影響滾刀的破巖效率。因此，有必要開展在不同節理條件下滾刀受力的預測模型研究，用于指導TBM操作參數的選取策略。Rostami[14]通過對滾刀破巖的力學分析結合線性切割試驗結果，提出預測滾刀力的半理論性的CSM公式，并應用于很多實際工程中。Pan等[15]通過對3種不同強度的巖石進行全尺寸的線性切割試驗，研究在不同切割條件和切割平臺下滾刀三向力、切割系數和歸一化合力的變化情況，提出一種滾刀受力預測的修正公式。秦得昌[16]針對滾刀運動形式建立滾刀回轉切削模型，并在此基礎上，研究不同半徑上滾刀受力變化情況，提出一種滾刀載荷預測模型。但目前并沒有提出一種破碎節理巖石時的滾刀受力預測模型。Hu等[13]利用線性切割試驗和工程實際中的巖石單軸抗壓強度、刀間距、貫入度和刀具力等數據，通過一種改進的支持向量機方法建立更高精度的TBM滾刀力預測模型，并在很多實際工程中得到驗證。Li等[17]假定滾刀與巖石為梯形接觸面，刀具邊緣弧線段簡化為直線段，提出一種預測滾刀法向力、滾動力和側向力新的RCC模型，并通過數值模擬得到驗證，為研究掘進過程的斷裂機理和優化提供理論依據。

試驗采用在巖面預留切縫的方法模擬不同節理條件巖石的單滾刀破巖效果，由試驗結果的討論可以看出，貫入度、節理間距和表面節理角度對滾刀力均有影響，但影響的程度不同。為進一步研究各因素的影響權重，建立滾刀法向力預測模型，可以為實際工程中滾刀切割節理條件巖石時的受力情況提供參考。

運用多元線性回歸方法，將節理間距、表面節理角度和貫入度均作為輸入變量，滾刀法向力作為輸出變量，建立滾刀法向力預測公式，得

(1)

式(1)中：Fn為滾刀法向力，kN；p為貫入度，mm;s為節理間距，mm;α為表面節理角度,rad。

由預測公式中各自變量的權重可以看出，表面節理角度和貫入度對法向力的影響最大，而節理間距對滾刀法向力的影響較小。模型預測數據與試驗數據擬合情況如圖12所示。評價標準用平均絕對百分比誤差(MAPE)和均方誤差(RMSE)表示，計算公式為

圖12 滾刀法向力預測結果

(2)

(3)

從預測數據與試驗數據的擬合曲線上來看，兩者擬合程度較高，最小百分比誤差僅為0.03%，最大百分比誤差為4.03%，平均絕對百分比誤差僅為2.32%，均方根誤差為9.81 kN。由此可以看出，通過多元線性回歸分析得到的該預測模型可以很好地預測出不同表面節理條件下滾刀破巖的法向力，具有較高的預測精度。

5 結論與展望

針對3種切縫模擬不同節理條件的巖石，應用全尺寸的TBM滾刀破巖試驗平臺，設計了3種試驗方案進行線性切割試驗研究，得到以下結論。

通過監測滾刀破巖時的振動信號，發現在節理處和大貫入度的情況下，滾刀振動明顯增強，此時容易造成滾刀異常損壞，因此需要合理調控TBM掘進參數，如采取降低推力、減小貫入度或必要的減振措施等策略，降低滾刀損壞的風險。

比較試驗方案1和方案2可以看出，節理間距越小，滾刀破巖效率越高，在相同的貫入度條件下，巖面破壞程度更高。而且從滾刀的平均法向力來看，節理間距越小，滾刀破巖所需要的法向力大幅降低，說明節理有助于破巖過程中裂隙的擴展，增強破巖效果。而比較試驗方案2和方案3可以看出，表面節理角度也有助于滾刀破巖效率的提高，在相同貫入度條件下，沿斜節理出現大的犁溝，破巖渣片更多。比較滾刀的平均法向力水平發現，斜節理條件下所需的破巖力更低，滾刀破巖效果更為顯著。因此，采用水射流等輔助破巖方式對現場巖石表面進行預切槽處理，形成具有一定角度和間距的節理條件，對提高TBM掘進速度，降低掘進成本具有重要意義。

另外，建立了以節理間距、表面節理角度和貫入度為自變量的滾刀法向力預測公式，通過預測結果與試驗結果的對比，該預測模型表現出較高精度。因此，該模型可以實現對不同現場節理條件下滾刀力的合理預測，進而可以給TBM推力決策提供依據，在TBM智能化方向上邁進了一步。

但也存在一定的局限性，一是體現在試驗數據較少，節理間距和角度設置較為單一，直接應用于工程當中會存在適應性不強的問題；二是試驗只研究了單滾刀破巖效果，實際刀盤上多滾刀的聯合作用還有待進一步研究。下一步將繼續增加試驗數據并引入工程實際數據修正預測公式，進而提高預測精度，指導TBM施工。