基于滾刀復合破巖物理實驗的盾構刀間距設計

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)

近年來，隨著中國社會和經濟的飛速發展，中國隧道工程呈現出建設標準高、速度快、長度長、斷面大、地質復雜、工期短等顯著特點[1]，利用掘進機進行全斷面開挖的方法已被廣泛應用于隧道工程中。合理的滾刀間距對于盾構機破巖具有至關重要的實際意義，刀間距過小不僅增加了排布數量，而且導致刀具切割巖土后巖渣重合，造成其二次磨損；間距過大會造成兩把相鄰刀具破巖不充分，留下巖脊，將直接影響到掘進的切削效果、出土狀況和掘進速度。

針對不同的地質條件，設計滿足工程施工需要的刀具排布是施工成功的關鍵因素[2]。目前，中外學者們對滾刀的損壞形式、破巖機理和滾刀間距優化設計方面采用理論分析、計算機仿真及物理實驗等方法進行了研究[3-6]。徐汪豪等[7]使用剛體動力學(RBD)-離散元(DEM)耦合的數值模擬方法,實現了在數值模擬中的滾刀動態被動轉動，并以強風化巖為破巖對象，模擬分析了不同貫入度、不同運動速度下的滾刀的動態運動過程。馮歡歡等[8]分析了總推力、刀盤轉速、刀具貫入度等掘進參數及不同圍巖單軸抗壓強度、石英質量分數等地質參數對刀具磨損及異常損壞的影響，并提出了應進一步研發刀間距可調的刀具配置技術；徐公允等[9]基于三維RBD-DEM耦合方法考慮滾刀與地層的相互作用，實現滾刀在仿真模擬中的被動運動，分析了滾刀在軟硬不均地層中貫入角度的變化對其所受沖擊的影響；李克金等[10]通過試驗研究了復合地層不同巖石強度下不同貫入速率對滾刀破巖的影響；Ozdemir[11]通過線切割實驗提出剪切破巖理論，并推導出了相應的滾刀受力預測公式；Feridunoglu[12]研究了巖石參數對壓頭破巖的影響，指出抗拉強度是主要的影響參數；王賀等[13]設計了可調整刀間距的高速雙滾刀巖石綜合試驗臺并進行了受力和模態的有限元分析，并利用試驗臺對普通花崗巖進行了滾壓試驗。現有試驗臺中，美國科羅拉多礦業學院僅能用一把滾刀、刮刀或刀齒進行線性破巖試驗，且受其框架剛度限制，當滾刀力過大時，存在侵入深度測不準的問題。馮歡歡等[14]使用的試驗臺采用平臺為刀具推進，巖樣轉動的破巖方式，在數據采集上，推力扭矩主要取自液壓系統，不能模擬地應力；曹平等[15]研究使用的試驗機屬于回轉式試驗機，但是該平臺為縮尺實驗，均不能真實模擬盾構掘進。

為此，提出一套完整的基于物理實驗的刀間距設計方法，基于滾刀旋轉破巖機理實驗臺，通過物理實驗研究不同抗壓強度巖石和不同間距條件下對滾刀破巖的影響，并對滾刀破巖時產生的三向力進行分析，探討了多滾刀破巖機理，以破巖比能為依據，獲取最佳破巖效率的刀間距參數。

1 滾刀復合破巖機理分析

滾刀在破巖過程中的力可分解為3個分力：垂直力(法向力)Fv、滾動力(切向力)Fr、和側向力Fs。側向力遠小于其他兩個力，對巖石的破碎影響也小。根據CSM(Colorado school of mincs)綜合預測模型公式[9]，可以求出刀間距與貫入度、滾刀尺寸、巖石特性之間的關系。

(1)

(2)

(3)

式中：Ft為滾刀合力；ψ為刀圈頂刃壓力分布系數，取-0.2～0.2；P為刀圈破碎區壓應力；φ為滾刀接觸角；R為滾刀半徑；h為貫入度；T為滾刀頂刃寬度；S為刀間距；σc為巖石抗壓強度；σt為巖石抗剪強度。

滾刀刀間距布置需要滿足3個方面要求：一是保證兩把滾刀的巖石完全破碎，不留巖脊，如圖1(a)所示；二是得到最大破碎量，確保破巖效率，如圖1(b)所示；三是兩把刀具之間的重疊破巖量不能太大，否則會造成滾刀二次磨損，如圖1(c)所示，在工程應用中，滾刀的二次磨損比直接破巖滾刀的磨損大得多。滿足上述兩項要求的刀間距，定義為最優刀間距。縮小刀間距可達到刀間巖石完全破碎目的，但破碎量不是最大，增大刀間距可增加破碎量，但是刀間距過大會使刀間巖石未完全破碎，中間的巖石以脊背形式留在巖體上，布刀必須避免上述兩種現象。由式(3)可以看出，對于特定的巖石，當使用同尺寸類型滾刀時，刀間距與貫入度之間存在最優關系。

n為刀具編號；2α為巖石破碎角；2L為刀具破巖貫入度為h下最大破巖寬度，一般情況下，刀間距S大于L，小于2L

2 滾刀間距經驗選取方法

滾刀常用最優刀間距S與滾刀貫入度h之比Sh可表示為

(4)

式(4)中：φrock為巖石破碎角，破碎角可以采用滾刀拉槽實驗方法進行測量，與刀具參數及載荷大小無關，僅與巖石性質、巖石節理發育程度、自由面形狀及數量等有關，φ一般為130°～160°；Sh取值一般為5～10。

常見巖石的破碎角和最優刀間距如表1、表2所示。

表1 常見巖石的破碎角

表2 按照經驗公式不同巖石選用的刀間距

根據表1中所給巖石的破碎角，一般巖石的Sh值，花崗巖Sh=10；石灰巖Sh=8；紅砂巖Sh=6。

最優刀間距是刀盤設計的關鍵參數，在巖石中掘進時，刀間距的選擇原則是：①刀間距在50～120 mm，對于軟巖層取大值，硬巖層取小值；②在確定了最優刀間距后，為了保證最優的刀間距S與滾刀貫入度h的比，必須確定最優貫入度h值。最優貫入度h值在5～15 mm，一般情況可取：花崗巖 6 mm，石灰巖9 mm，紅砂巖13 mm；③隧道以軟巖為主，也有少量硬巖時，刀間距按軟巖選擇，掘到硬巖地段時，可以慢速掘進；④隧道以硬巖為主，也有中硬巖時，刀間距按二者兼顧原則選擇。

3 滾刀物理破巖實驗

3.1 實驗平臺

為解決復雜地質工況盾構TBM裝備選型設計、施工參數定量選擇等難題，研制了回轉式隧道掘進機刀具破巖伺服實驗臺，如圖2所示，實現了針對隧道工程不同巖樣，采用不同刀具、刀間距等參數，可以進行1∶1多刀具開展室內破巖原位實驗。實驗臺采取螺旋推進式結構、一體式封閉反力機架等設計方案，可以確保隧道掘進機刀具破巖實驗的真實性、實驗過程的穩定性、實驗數據的可靠性、不同邊界條件實驗的通用性。實驗臺設計了具備刀具快速定位的實驗機用刀盤，每個刀盤都安裝了三向力傳感器，且應用了大小組合刀箱、鋼珠滾動式滑槽，可實現刀具快速拆裝、精準定位、類型兼容、傾斜安裝、受力實時監測。此外實驗臺還發明了四面八角導向裝置，解決了伺服電機控制器在振動環境下工作不穩定誘發失控問題，實現了刀具旋轉破巖并軸向推進的穩定測試功能。該實驗臺靜載破巖推力160 t，最高轉速10 r/min，破巖動載荷可達560 t。

圖2 回轉式刀具破巖伺服實驗臺

3.2 實驗準備

以花崗巖為例，實驗巖樣為3盤花崗巖，單軸抗壓強度分別為110、130、150 MPa。巖樣如圖3所示，由兩塊梯形石塊拼接而成。為保證實驗過程試樣平穩，試樣底部和側部縫隙灌有水泥砂漿，養護15 d，確保兩塊巖石之間，巖石與巖箱之間沒有縫隙，底部均勻受力。實驗刀具選用直徑482.6 mm盤形滾刀，極限載荷為320 kN。

圖3 實驗用巖樣

3.3 實驗方案

考慮到盾構實際施工時，刀盤轉速一般保持不變，為1 r/min，貫入度為掘進速度與刀盤轉速的比值，故開展該實驗時，可保持刀盤轉速不變，研究不同貫入度下的刀具受力，以確定最終合適的掘進速度。實驗雙刃滾刀破巖，刀間距為60、65、70、95、100 mm，實驗在盾構及掘進技術國家重點實驗室研制的回轉式隧道掘進機刀具破巖伺服實驗臺上進行。實驗中，分別采用3種不同抗壓強度的花崗石樣巖和上述9種不同的刀間距，實驗時，把樣巖固定至回轉式隧道掘進機刀具破巖伺服實驗臺上，將4把滾刀刀間距調整至合適的位置，擰緊刀座固定螺栓。實驗中，以1 r/min的加載速度經過刀具對樣巖進行軸向加載，并觀察侵入力曲線變化趨勢，每次實驗的滾刀貫入度均為6 mm。在實驗過程中，采用三向力獨立直接采集刀具的作用力；每次破巖實驗完成后，需要抬起刀盤，將巖箱推出，清理并收集巖箱表面破碎的巖渣，通過對破碎巖渣進行稱重，然后通過質量與巖石的密度比，獲得破巖量(體積)，并觀察破巖效果。破巖實驗前后的樣巖表面如圖4所示。

圖4 巖樣表面

4 實驗結果分析

4.1 特定刀間距和貫入度下的破巖推力和刀盤轉速

破巖推力作用至刀盤上，滾動壓入巖體，刀具下壓時在刀具的正下方產生一個密實核，大小與刀圈類似，當破巖推力到達一定值后，新的裂縫在密實核外面的地方行程，破巖推力不斷增大，裂縫也隨著延伸擴大，當裂縫相互交匯后就使巖片脫落。以刀間距60 mm，刀盤轉速1 r/min，掘進速度 6 mm/min，即貫入度為6 mm為例，獲得的破巖推力和刀盤轉速曲線如圖5、圖6所示。

圖5 特定刀間距和貫入度下破巖推力

圖6 特定刀間距和貫入度下刀盤轉速

從圖5中可以看出，在當前掘進條件下，滾刀破巖力在500～1 100 kN大幅波動，平均破巖力約為784.34 kN。這是因為當貫入度固定時，滾刀破巖是非線性接觸，滾刀與巖石接觸時，接觸區域形成密實核，逐漸被壓實，所需破巖推力需要不斷增加，當到達巖石的屈服極限后，巖石破碎，所需的破巖壓力急劇減小，不斷重復。從圖6可以看出，掘刀盤轉速約為1.13 r/min。由于刀盤采用液壓馬達驅動，利用壓力流量復合控制，且破巖過程伴隨著能量的積聚與釋放，故刀盤轉速不穩定，無法精確控制為 1 r/min，而是在目標值上下波動。

4.2 不同刀間距破巖實驗結果分析

對于不同的樣巖，破巖平均滾動力如圖7所示，可以看出，對于抗壓強度110 MPa的花崗石樣巖刀間距在60～80 mm變化時，平均滾動力增幅顯著，甚至接近線性增長，這是因為隨著刀間距的增大，巖石從重疊破碎至完全破碎，巖渣從小到大，滾動力增大也使巖石破碎面積增大，破巖效率提升；但刀間距在80～100 mm變化時，平均滾動力增大速度明顯減緩，甚至趨于平穩，這是因為滾刀間距逐漸增大，巖石從完全破碎至刀間巖石破碎不完全，可能出現大量巖石脊背[14]，整個過程可以近似看作兩把滾刀獨立破巖。對于抗壓強度130 MPa和 150 MPa 的花崗石樣巖平均滾動力變化趨勢與上述抗壓強度110 MPa的花崗石樣巖相似，但是平均滾動力接近線性增長的刀間距范圍分別在60～75 mm和60～70 mm，平均滾動力趨于平穩的刀間距范圍分別在75～100 mm和70～100 mm。

圖7 平均滾動力與刀間距關系

圖8為實驗過程中平均垂直力的變化過程，可以看出，對于抗壓強度110 MPa的花崗石樣巖刀間距在60～80 mm變化時，平均垂直力增大幅度明顯，這是因為在保證貫入度的情況下，刀間距增大，破碎巖石所需的下壓力逐漸增大，巖石從重疊破碎至完全破碎；在刀間距在80～100 mm變化時，平均垂直力增大速度減慢，甚至趨于平穩，這是因為貫入度一定，這段過程的平均垂直力在不斷接近巖石抗壓強度。對于抗壓強度130 MPa和150 MPa的花崗石樣巖平均垂直力變化趨勢與上述抗壓強度 110 MPa 的花崗石樣巖相似，但是平均垂直力增幅明顯的刀間距范圍分別在60～75 mm和60～70 mm，平均垂直力趨于平穩的刀間距范圍分別在75～100 mm和70～100 mm。

圖8 平均垂直力與刀間距關系

圖9為實驗過程中平均側向力的變化過程，可以看出隨著刀間距的增大，平均側向力也是在巖石完全破碎點之前增大速度較快，巖石完全破碎點后，平均側向力增加幅度不明顯，巖石從完全破碎至刀間巖石破碎不完全。由于側向力相對滾動力和垂直力小很多，對破巖影響也比較小，在此不再具體分析。

圖9 平均側向力與刀間距關系

比能用于表示滾刀切削單位體積巖石所消耗的能量，其計算公式為

(5)

式(5)中：SE為比能；Wn為垂直力做的功；Wr為滾動力做的功；V為破碎巖體體積，破碎巖體體積由對破碎巖渣進行稱重，然后通過質量與巖石的密度比獲得；Fn為垂直力；Fr為滾動力；L為滾動位移。

以比能的概念衡量不同刀間距下單位體積巖石破碎所需耗散的能量，以分析最優刀間距。

花崗巖在不同刀間距下的比能結果如圖10所示，可以看出，3種樣巖的比能變化趨勢都是隨著刀間距的增大比能先降低后上升。對于抗壓強度 110 MPa 的花崗石樣巖，比能在刀間距為80 mm時最低；對于抗壓強度130 MPa的花崗石樣巖，比能在刀間距為75 mm時最低；對于抗壓強度150 MPa的花崗石樣巖，比能在刀間距為70 mm時最低。比能最低時單位體積巖石破碎所需消耗的能量最少，對應刀間距來看，此時的刀間距為最優刀間距，滾刀能夠使巖石完全剝離巖面，既不會因刀間距過小重復破碎從巖面上剝落下的巖塊，對滾刀造成二次磨損，又不會因刀間距過大產生巖脊。

圖10 比能與刀間距關系

從實驗結果(圖10)來看，對于抗壓強度 110 MPa 的花崗巖，其最優刀間距為80 mm，對于抗壓強度130 MPa的花崗巖，其最優刀間距為75 mm，對于抗壓強度150 MPa的花崗巖，其最優刀間距為 70 mm。對比經驗公式中花崗巖最優刀間距65～75 mm，實驗結果基本吻合，但是對于抗壓強度 110 MPa 的花崗巖，實驗結果顯示最優刀間距為 80 mm，不在經驗公式的選取范圍。這有兩種因素影響，其一是經驗公式需考慮巖石的破碎角，而巖石的破碎角也需要滾刀拉槽實驗方法進行測量，不同地質情況下相同類型的巖石也有不同的破碎角，對于同類巖石中質地較軟的巖石，采用經驗公式選取的刀間距可能是非最優刀間距。其二是經驗公式需要選擇刀間距修正系數，而刀間距修正系數的選擇范圍較寬，選取時需要豐富的實際經驗，不合理的刀間距修正系數會導致質地較軟的巖石選擇最優刀間距偏小。

5 結論

以花崗巖樣巖為例采用19英寸盤形滾刀在不同刀間距條件下進行全尺寸回轉隧道掘進機刀具破巖實驗，經過分析得到以下結論。

(1)通過開展3種不同抗壓強度的花崗巖滾刀破巖物理實驗，對不同刀間距破巖刀具受力及破巖比能分析，獲得了以刀具受力均勻、破巖比能最小為目標的盾構最優刀間距選取，形成了一套基于物理實驗的盾構刀間距選取方法。

(2)相對于經驗公式，物理實驗可有效避免巖石破碎角和刀間距修正系數的選擇(兩個參數取值范圍較寬，如果選擇不合理會極大的影響刀具破巖的地質適應性)，更加精確的設計盾構刀間距。

(3)經過實驗驗證，對于抗壓強度110 MPa的花崗巖，選擇80 mm的刀間距較為合理；對于巖石抗壓強度為130 MPa的花崗巖，刀間距選取75 mm較為合理；對于巖石抗壓強度為150 MPa的花崗巖，刀間距選取70 mm較為合理。