預切縫輔助TBM滾刀破巖貫入荷載演化規律

摘要"基于全斷面隧道掘進機（Tunnel Boring Machine，TBM）滾刀貫入室內模型試驗，研究了3種不同破巖模式（完整巖樣破巖、同軌跡破巖和異軌跡破巖）在不同圍壓條件下高強度花崗巖樣貫入荷載演化特征，重點揭示貫入荷載-貫入度特征曲線、峰值荷載、最大跌落幅值變化規律，獲取不同破巖模式在不同圍壓條件下TBM滾刀受力特性。結果表明：1）高圍壓組貫入荷載-貫入度特征曲線較低圍壓組先跌落，跌落幅度較小，但其對應的貫入荷載并非峰值荷載，而低圍壓組初次跌落荷載為峰值荷載，且跌落幅值較大；2）在中高圍壓10～15 MPa時，峰值荷載及貫入荷載最大跌落幅值均最小，表明此圍壓范圍較利于TBM的掘進；3）低圍壓條件下選用異軌跡破巖模式較同軌跡破巖模式能更有效地降低TBM滾刀貫入荷載，但同軌跡破巖模式的巖樣發生楔裂破壞，其最大跌落幅值最小，更能減少刀具所受沖擊荷載，減少刀具磨損。

關鍵詞"高強度超硬巖;"全斷面隧道掘進機;"預切縫;"破巖模式;"貫入荷載

隨著交通強國戰略的深入實施以及深部資源開采和水資源開發等需求的日益增長，大量深長隧道應運而生^[1]，全斷面隧道掘進機（Tunnel Boring Machine，TBM）技術隨之興起。與傳統鉆爆法相比，TBM掘進技術具有施工速度快、隧洞成型好、作業安全、環保等優點，因此被越來越廣泛地應用于深長隧道掘進施工^[2]。然而，當TBM掘進過程中遭遇高強度高磨蝕性地層時，將不可避免地出現掘進速度緩慢、刀具磨損嚴重等一系列問題，導致工期延長、施工成本升高^[3]。在引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞^[4]TBM掘進時遭遇了高強度的花崗巖巖體（單軸抗壓強度高達242 MPa），造成刀具嚴重磨損，刀具更換時長占總工期的1/3，維修費用占總施工費用的1/3；挪威R?ss?ga水電項目^[5]在施工過程中遭遇了由云母片巖、片麻巖和大理巖等組成的高磨蝕性極硬巖層（單軸抗壓強度高達280 MPa），導致刀具壽命極短，甚至刀盤軸承損壞。為了解決上述問題，工業界提出了一種采用高壓水射流輔助破巖的新技術^[6]，通過將高壓水刀射流噴嘴搭載在盾構刀盤上，先行高壓水刀切割掌子面形成預切縫，在后行TBM滾刀貫壓切削作用下，促進巖體裂紋的擴展貫通，實現高效破巖掘進。首臺高壓水射流輔助破巖TBM“龍巖號”已成功應用于福建龍巖萬安溪引水工程^[7]。

針對高壓水射流輔助TBM破巖技術，目前學者們就其破巖機理及破巖效率影響因素展開了一系列研究，并取得了一定成果。周輝等^[8]開展了常截面滾刀貫入預切槽巖樣試驗，研究發現預切槽的存在有利于裂紋的擴展貫通，能夠促進巖石的破碎。Oh等^[6]使用高壓磨料水射流進行巖石切割試驗，研究揭示了不同射流參數對巖石切割效果的影響規律。徐福通等^[9]基于3種不同巖性及有無預切縫試樣的滾刀貫入試驗，發現預切槽能降低巖樣破碎時壓頭的法向荷載約44.13%～53.05%，且法向荷載降低比例與巖石單軸抗壓強度有關。Karakurt等^[10]利用磨料水射流輔助切割花崗巖樣品，得到了磨料濃度、噴嘴距離等對預切割縫隙寬度的影響規律。程建龍等^[11]基于巖體有高壓磨料水射流切縫的滾刀貫入試驗進行數值模擬，研究了滾刀貫入荷載隨預切縫深度的變化規律，發現貫入荷載隨預切縫深度的增加而呈線性降低。汪珂^[12]基于顆粒簇離散元方法進行了預切縫輔助滾刀破巖的數值模擬，發現滾刀破巖載荷隨著預切縫與滾刀間距的增大而迅速增大。Cheng等^[13]基于室內試驗結果進行數值模擬，研究了水射流的約束壓力和切割深度對穿透力、巖屑和比能量的影響，并建議切口深度大于18 mm，以降低穿透力，顯著提高破巖效率。Zhang等^[14]依托“龍巖號”所運用的福建龍巖萬安溪引水工程，對現場掘進開展研究，發現刀盤轉速為6 r/min、高壓水射流壓力為270 MPa時掘進速度最大。

高壓水射流輔助TBM滾刀破巖技術適用于高磨蝕性極硬巖地層，在破巖過程中，TBM滾刀貫入荷載演化規律復雜，荷載跌落幅值大，對TBM刀具沖擊作用強烈。進一步研究該技術在破碎超硬巖過程中TBM滾刀貫入荷載演化規律對于揭示破巖效率、保護TBM刀具具有重要意義。然而，目前針對不同因素影響下TBM滾刀貫入荷載演化規律的研究工作極少。筆者基于TBM滾刀貫入模型試驗對滾刀破巖過程中的貫入荷載的演化規律進行研究。通過研究不同圍壓條件和不同破巖模式對貫入荷載-貫入度特征曲線、峰值荷載、最大跌落幅值變化規律，獲取不同破巖模式在不同圍壓條件下TBM滾刀受力特性，得到不同工況下滾刀所受垂直反力的變化規律，從而揭示高壓水射流輔助TBM滾刀破巖機制，為極硬巖地層高壓水射流輔助TBM破巖高效安全掘進提供理論支持。

1"TBM滾刀貫入模型試驗

1.1"巖樣參數及試驗方案

試驗花崗巖巖樣取自湖北麻城市，經室內基礎力學試驗檢測，巖樣的單軸抗壓強度為202.32 MPa，是典型的超硬巖^[15]；脆性指標為18.89，屬于典型的脆性材料^[16]。將巖樣加工為190 mm×150 mm×25 mm（長×高×寬）的長方體巖樣試樣（見圖1），用于TBM滾刀貫入模型試驗。

為了更好地反映預切縫與滾刀之間的位置關系，將高壓水射流輔助TBM破巖模式分為3種：完整巖樣破巖、同軌跡破巖和異軌跡破巖^[17]。完整巖樣破巖為巖樣未采用高壓水射流處理直接貫入，同軌跡破巖模式為預切縫在滾刀正下方，異軌跡破巖模式為預切縫在滾刀兩側，預切縫-刀具軸線間距為L，預切縫深度為H，分別如圖2所示。

設置不同圍壓參數：無圍壓（為固定巖樣且模擬有側限條件下的貫入試驗，此圍壓條件下施加0.1 MPa側限壓力^[9]）、低圍壓（1.25、2.5 MPa）、高圍壓（10、15、20 MPa）。完整巖樣試驗為對照組，進行了6種不同圍壓的試驗。預切縫深度設置為H=20 mm，同軌跡破巖模式、異軌跡破巖模式預切縫-刀具軸線間距設置為0、20 mm。

1.2"試驗設備及流程

試驗均在RMT-301電液伺服剛性試驗機上進行，該裝置主要由RMT-301伺服液壓試驗機、橫向液壓千斤頂、側向手動千斤頂和承壓板組成。試驗采用自主設計加工的高強度楔形壓頭，其刀刃角度為120°，寬度為2 mm，整體寬度為40 mm，如圖3所示。將試樣中心與滾刀中心對齊安放在上述側向約束框架中，啟動RMT-301電液伺服剛性試驗機，進入加載狀態，加載速率為0.005 mm/s，使滾刀開始貫入，直至巖樣發生破壞。整個過程中貫入載荷深度曲線由外接電腦實時采集和顯示，記錄TBM滾刀貫入模型試驗全過程。

2"圍壓對貫入荷載演化規律的影響

2.1"貫入荷載-貫入度特征曲線演化規律

貫入荷載-貫入度特征曲線是滾刀貫入巖樣時法向力與貫入深度的相互聯系，其變化特征和規律可直觀反映滾刀與巖樣之間的相互作用關系，可表征滾刀貫入巖樣時所誘發的裂紋萌生、擴展貫通以及宏觀破壞行為的演化過程。不同圍壓條件下巖樣的貫入荷載-貫入度特征曲線如圖4所示。將不同圍壓條件下巖樣發生初次躍進破壞對應的貫入度匯總在表1。

由圖4可知，當施加在巖樣兩側的圍壓較低時（無圍壓、1.25 MPa、2.5 MPa），貫入荷載隨著貫入度的增大而增大，直至貫入荷載達到峰值時，巖樣發生躍進破壞，貫入荷載呈現較大跌落。由曲線可知，在躍進破壞之前，貫入荷載-貫入度曲線可以較為顯著地分為非線性增長、線彈性增長、裂紋萌生擴展3個階段，分別對應著巖樣接觸壓密、微裂紋萌生、裂紋擴展破碎過程，這與劉泉聲等^[18]滾刀貫入室內試驗破壞行為相一致。無圍壓、1.25 MPa、2.5 MPa圍壓條件下，巖樣發生躍進破壞時所對應的貫入度分別為0.879、1.271、1.290 mm。可以發現，隨著圍壓的增大，巖樣發生躍進破壞時所對應的貫入度逐漸增大，這是圍壓的增大對巖樣內部裂紋的萌生擴展的抑制作用加強所導致^[19]。

當施加在巖樣兩側的圍壓較高時（10、15、20 MPa），貫入荷載-貫入度曲線與低圍壓組存在著一定的差異性，在達到峰值荷載之前，各圍壓條件下的貫入荷載-貫入度曲線有一個初次跌落，10、15、20 MPa圍壓條件下所對應的貫入度分別為0.893、1.126、1.171 mm。可以發現，高圍壓組產生初次跌落所對應的貫入度與低圍壓組發生躍進破壞時所對應的貫入度近似，均在1 mm左右，且高圍壓組均先于低圍壓組出現初次跌落。分析原因為：當施加在巖樣兩側的圍壓較大時，隨著貫入度的增大，滾刀下方巖樣產生裂紋的萌生與一定程度的擴展，誘發貫入荷載出現小幅的初次跌落。然而該階段高圍壓抑制了初始裂紋的進一步擴展貫通，致使巖樣內部并未產生宏觀主裂紋，此時巖樣具備較高的承載能力。隨著滾刀的進一步貫入，下方巖樣中裂紋加速擴展并逐漸匯聚貫通形成宏觀主裂紋，此刻巖樣承載能力急劇下降，貫入荷載在達到峰值后大幅急劇降低，出現典型的躍進破碎現象。

基于上述分析可知，當施加在巖樣兩側的圍壓較低時，貫入荷載初次跌落時就對應其峰值荷載，且跌落幅值較大，此時對應著巖石宏觀裂紋的擴展貫通；當施加在巖樣兩側的圍壓較高時，在達到峰值荷載之前，貫入荷載存在初次跌落現象，但跌落幅度較小，而后隨著貫入度進一步增大，貫入荷載繼續增大直至達到峰值荷載。

2.2"峰值荷載演化規律

峰值荷載為滾刀下方巖樣發生破裂時的荷載，繪制不同圍壓條件下巖樣峰值荷載變化柱狀圖，如圖5所示。為了更為直觀地展現圍壓對巖樣峰值荷載的影響，以無圍壓條件的峰值荷載為分母，各圍壓條件與無圍壓條件下的峰值荷載差值為分子，計算得到峰值荷載增大百分比，結果見表2。

由圖5和表2可見，隨著圍壓的增大，峰值荷載整體呈先增大、后減小、再增大的趨勢。當施加在巖樣上的圍壓小于2.5 MPa時，峰值荷載隨著圍壓的增大而增大，其中，1.25、2.5 MPa圍壓條件下的峰值荷載增大百分比分別為11.78%、13.32%，表明在此圍壓范圍內滾刀破巖所需推力隨著圍壓的增大而增大。隨著圍壓的進一步增大，峰值荷載呈減小的趨勢，在10、15 MPa時呈現出較小值，相較于無圍壓條件，分別降低了3.86%、8.08%。說明在10～15 MPa 圍壓范圍內巖樣發生破裂時所需要的推力較小，破巖難度一定程度減小；當施加在巖樣上的圍壓繼續增大時，峰值荷載繼續呈增大的趨勢，20 MPa圍壓條件下峰值荷載增大百分比為16.92%，此時巖樣發生破裂所需推力較大。

不同圍壓水平對TBM破巖過程的影響主要表現在兩個方面：一方面，圍壓作用可能誘發裂紋向水平方向擴展并與自由面貫通，形成側向裂紋，促進巖石破碎；另一方面，圍壓作用也可能抑制中間裂紋的擴展，增加破巖難度^[20-22]。根據相關文獻并結合筆者研究結果，推斷可能存在臨界圍壓值（或范圍），即：當圍壓低于臨界值，TBM破巖促進作用明顯；相反地，當圍壓高于臨界值，TBM破巖抑制作用明顯。基于試驗結果可得，在圍壓為10～15 MPa時，促進作用大于抑制作用，此時TBM滾刀貫入峰值荷載最小；而當圍壓上升至20 MPa時，圍壓對裂紋擴展的抑制作用大于促進作用，此時TBM滾刀貫入峰值荷載增大，即巖樣發生破裂所需推力更大。上述結果與已有研究成果結論具有較好的一致性^[23]。

基于上述分析可知，在低圍壓條件下，完整巖樣峰值荷載隨著圍壓的增大而增大，表明低圍壓施工環境不利于TBM掘進，且圍壓越大，TBM掘進越困難。這與張魁等^[24]的試驗研究結果相同：當圍壓低于2.5 MPa時，巖樣中間裂紋的發展相比于側向裂紋的發展更好，當圍壓大于2.5 MPa時，側向裂紋反而更易擴展。TBM的有效掘進一般是側向裂紋之間貫通后產生大塊巖片^[9]，因此，圍壓低于2.5 MPa時側向裂紋擴展較困難，不利于TBM掘進。當圍壓為10～15 MPa時，峰值荷載較小，說明圍壓為10～15 MPa是較利于TBM掘進的施工環境。10～15 MPa是一個臨界范圍，當圍壓超過臨界范圍時，TBM掘進難度增大，對刀盤、刀具造成的損傷較大。因此，在圍壓超過20 MPa和低于2.5 MPa的環境下施工時，需選用較高硬度的刀刃。

2.3"貫入荷載最大跌落幅值演化規律

TBM破巖過程中將會多次出現躍進破碎現象，貫入荷載突降時，巖樣破碎釋放出的能量會對刀具產生瞬時且巨大的沖擊力，這會對刀具造成損傷，甚至導致刀具崩裂。因此，通過計算貫入荷載最大跌落幅值，分析各因素對貫入荷載降低幅度的影響，對如何保護刀具有重要意義。

圖6為各圍壓條件下完整巖樣的貫入荷載最大跌落幅值柱狀對比圖，可以發現，貫入荷載最大跌落幅值隨著圍壓的增加而降低，在圍壓為10、15 MPa時出現最小值，分別為24.27、24.09 kN。表示當TBM在圍壓為10～15 MPa的施工環境時，完成一次有效破巖^[25]后刀盤、刀具所受沖擊力最小，因此，10～15 MPa圍壓為較優施工環境。這與彭琦^[20]的圍壓作用有利于TBM滾刀破巖研究結論相同；也與圍壓為10～15 MPa時峰值荷載最小、有利于TBM破巖的結論對應。高圍壓比低圍壓的最大跌落幅值小，原因為高圍壓會抑制裂紋的產生，破碎時能量釋放較緩，低圍壓對裂紋抑制作用較弱，主裂紋形成后巖樣破碎立刻對刀具釋放出較大沖擊力。

圍壓為20 MPa的貫入荷載最大跌落幅值較大，為46.63 kN。分析圖4中2.5 MPa圍壓下貫入荷載-貫入度特征曲線發現，其貫入荷載最大跌落幅值未出現在峰值貫入荷載跌落后，而是發生在第4次跌落后。表明在最大跌落幅值出現前，巖樣內部已經積累了較多細微裂紋，但由于高圍壓一直抑制主裂紋的擴展，當達到巖樣所能承受的最大貫入荷載時，巖樣內部積聚了較多能量，主裂紋出現并迅速發展，巖樣破碎釋放大量能量對刀具產生巨大沖擊力，對應第4次的大幅度跌落。

3"破巖模式對貫入荷載演化規律的影響

3.1"貫入荷載-貫入度特征曲線演化規律

固定預切縫深度H=20 mm，在低圍壓條件下進行不同破巖模式TBM滾刀貫入模型試驗，研究低圍壓條件下不同破巖模式貫入荷載-貫入度特征曲線圖的演化規律。如圖7所示，在3種圍壓條件下，異軌跡模式及完整巖樣均在貫入度1 mm左右時出現峰值荷載，且跌落幅度為其最大跌落幅值，表示異軌跡模式及完整巖樣在貫入度1 mm左右完成了一次有效破巖。

同軌跡模式的特征曲線與完整巖樣和異軌跡模式不同，隨著貫入度的逐漸增加，貫入荷載較其他模式增加更為緩慢，峰值荷載所對應貫入度遠大于其他破巖模式，且達到峰值荷載后跌落幅值較小，在最大跌落幅值出現之前均有幾次小幅度的跌落。其原因為：同軌跡破巖模式的受力情況不同于其他破巖模式，巖樣是受到楔裂作用^[26]發生破壞，其他模式巖樣發生劈裂破壞。由于預切縫位于滾刀正下方，使得滾刀與試樣之間存在空隙，因而刀刃并未直接接觸巖樣，而是滾刀刀刃側面與預切縫的側壁相接觸，因此，需要較大的貫入度才能使刀具完全接觸巖樣，出現峰值荷載，完成一次有效破巖。

3.2"不同破巖模式下峰值荷載演化規律

繪制各破巖模式在各圍壓條件下的峰值荷載柱狀圖，如圖8所示。可以看出，各破巖模式峰值荷載均隨圍壓的增大而增大，同軌跡、異軌跡模式峰值荷載均小于完整巖樣，表明預切縫輔助TBM破巖在不同破巖模式下均有效。在無圍壓條件下，同軌跡模式峰值荷載遠低于其他破巖模式，其值是異軌跡模式的23%，完整巖樣的16%。表明在無圍壓條件下，同軌跡模式對TBM破巖的輔助效果較好。當圍壓為1.25 MPa時，同軌跡模式峰值荷載大于異軌跡模式，說明此時異軌跡模式對TBM破巖的輔助效果較好，在圍壓為2.5 MPa時也呈現近似規律。因此，在低圍壓情況下，選用異軌跡破巖模式較好，更能減少TBM破巖推力。

3.3"不同破巖模式下貫入荷載最大跌落幅值演化規律

圖9為各圍壓條件下不同破巖模式的貫入荷載最大跌落幅值柱狀對比圖。同軌跡模式貫入荷載最大跌落幅值均隨圍壓的增大而增大，完整巖樣隨圍壓的增大而減小，異軌跡模式則隨著圍壓的增大上下波動。可以看出，在各圍壓條件下，同軌跡模式的貫入荷載最大跌落幅值均小于其他破巖模式，表明同軌跡破巖模式完成一次有效破巖后對滾刀的沖擊力最小，更能避免損傷刀具^[27]。

表3為各圍壓條件下同軌跡模式最大跌落幅值較其他破巖模式的減少量。隨著圍壓的增大，同軌跡模式的減少量減小。在低圍壓條件下，與完整巖樣相比的減少量呈線性減小；與異軌跡模式相比，減少量趨于平緩，穩定在45%左右。表明在低圍壓情況下，完成一次有效破巖后，同軌跡模式可大大降低TBM刀具所受沖擊力。

4"結論

通過TBM滾刀貫入室內模型試驗對高壓水射流預切縫輔助TBM滾刀破巖過程中的貫入荷載演化規律展開研究，揭示不同圍壓條件和不同破巖模式下貫入荷載-貫入度特征曲線、峰值荷載、最大跌落幅值的變化規律，獲取了不同破巖模式在不同圍壓條件下TBM滾刀的受力特性。得到以下主要結論：

1）各圍壓條件下完整巖樣貫入荷載-貫入度特征曲線均出現典型的躍進破碎現象，初次跌落對應貫入度均在1 mm左右。高圍壓較低圍壓先出現初次跌落，但對應貫入荷載并非峰值荷載，跌落幅度較小；低圍壓組初次跌落對應貫入荷載為峰值荷載，且跌落幅值較大。

2）圍壓為10～15 MPa是較有利于高壓水射流輔助TBM滾刀破巖的環境。在圍壓為10～15 MPa時峰值荷載和最大跌落幅值均最小，此時對刀具造成的損傷相對較小；在圍壓為2.5 MPa或高于20 MPa時，峰值荷載和貫入荷載最大跌落幅值均較大，此時建議選用硬度較高的刀刃。

3）不同破巖模式各有優勢，應結合實際工況選擇合適的破巖模式。在低圍壓條件下，異軌跡破巖模式峰值荷載更低，能有效降低TBM滾刀破巖時的推力；同軌跡模式最大跌落幅值均遠小于其他破巖模式，能有效降低滾刀所受沖擊力，從而避免刀具損耗。

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