节理倾角和间距对TBM双刃盘形滚刀破岩效率的影响

曹平，林奇斌，李凯辉, 2，韩东亚, 2



节理倾角和间距对TBM双刃盘形滚刀破岩效率的影响

曹平1，林奇斌1，李凯辉1, 2，韩东亚1, 2

(1. 中南大学资源与安全工程学院，湖南长沙，410083；2. 香港理工大学土木与环境工程系，中国香港，999077)

通过实验研究不同节理倾角和间距对TBM双刃滚刀破岩的影响效果。实验采用预制节理水泥砂浆试件模拟节理岩体，节理面与侵入力方向夹角分别为0°，30°，60°和90°，节理面间距分别为20，30，40和50 mm，采集整个加载过程中滚刀的侵入深度和侵入力，并采用相机进行实时拍摄，获得试件表面破坏的发展过程以及最终破坏形态。研究结果表明：节理岩体存在3种基本破碎模式，主要与节理倾角有关；相邻滚刀的协同破岩作用导致滚刀间岩体产生贯通裂纹，形成片状岩碴；当节理倾角为60°时，破岩比能耗最小，滚刀破岩效率最高；节理间距对岩碴的形成有较大影响，比能耗随着节理间距增大而增大，破岩效率降低。

节理倾角；节理间距；TBM双刃滚刀；破岩模式；破岩效率

随着全断面隧道掘进机TBM(tunnel boring machine)技术的不断提高，TBM被广泛应用于隧道工程建设中，在不同岩体中，破岩效率已经成为项目规划和选择隧道开挖方法的一个重要工具。很多地质因素如节理性质(节理倾角、节理间距、有无充填节理等)、岩溶、高地应力、渗流等均会影响TBM破岩效率[1−4]。目前，对于节理倾角和间距因素，国内外众多学者采用理论分析、数值模拟、现场实验数据分析及室内实验等手段对其进行了研究[5−12]，如：BRULAND[5]提出了NTNU模型，对节理倾角影响TBM破岩速率进行了定性分析；BARTON[6]提出QTBM模型来预测不同地质条件下TBM破岩速率，并将节理倾角作为1个重要的影响因素；HOWARTH等[7]通过线性切割实验研究了节理间距对破岩效果的影响；GONG等[8−9]通过离散元软件UDEC分析了不同节理倾角、不同节理间距时的破岩过程；HADI等[10]研究了节理间距和节理倾角对TBM单刀破岩速率的影响；GONG等[11]通过离散元软件UDEC对TBM双刀破岩进行了数值模拟；LIU等[12]通过数值模拟研究了单双滚刀对破岩的影响。现有的关于节理对TBM破岩的研究大多是基于数值模拟和节理性质对TBM单刃滚刀破岩的影响，而在实际TBM的掘进施工过程中，并不是采用滚刀单独破岩，而是刀盘上的滚刀群对岩体协同破岩。为此，本文作者将通过室内实验研究不同节理倾角和间距条件下对TBM双刃滚刀破岩的影响，并对TBM双刃滚刀破岩时裂纹的形成和扩展过程进行研究，通过总结裂纹的变化规律研究节理岩体的破岩模式，同时分析节理倾角和间距对双刃滚刀破岩效率的影响，以便为TBM在不同节理岩体中的施工应用中提供参考。

1 实验概况

1.1 实验仪器

本实验在中南大学岩土力学流变实验室进行。实验仪器为长春朝阳公司生产的RYL−600微机控制岩石剪切流变仪。该仪器是由德国进口全数字伺服控制器(EDC)与计算机控制的高精度岩石剪切流变实验设备，主要由轴向主机、横向剪切框架、松下伺服电机及控制系统、德国DOLI测控系统、计算机系统等组成，可完成横向最大剪应力为200 kN、横向位移加载速率为0.001~50 mm/min的实验，在实验过程中能够同时记录时间、横向位移、法向位移、剪应力、应变等参数。

1.2 试样制备

本实验选用的试件为水泥砂浆试件，选用标号为30的快硬水泥和细砂，拌和水泥砂浆。在水泥砂浆中，水、水泥、细砂体积比为1:1:2。试件采用特制的钢模具进行浇注，模具内部涂专用脱模剂，使试件脱模后的表面有很高的平整度。浇注时采用预埋云母片制作充填节理试件。在常温下，养护28 d，达到预定的抗压强度即可。试块长×高×宽为200 mm×140 mm× 30 mm，材料基本力学参数见表1。

表1 材料基本力学参数

1.3 实验方案

实验采用双刃滚刀破岩，刀间距为70 mm，实验在经改装的RYL–600岩石剪切流变仪上进行。实验中，采用4种节理倾角和4种不同的节理间距，实验模型如图1所示(图1中，为节理面间距，为岩体中节理面与滚刀贯入方向的夹角)。实验时，将试样放置于经改装好的实验平台上，在整个实验过程中满足试样水平方向围压为5 MPa(实际开挖中围岩处于地应力作用下)。实验中，以0.01 mm/s的加载速度通过刀具对试样进行轴向加载，并观察侵入力–侵深曲线变化趋势。曲线越过峰值便进入残余阶段，每次实验的滚刀侵深均为10 mm，卸除轴压并结束实验。在剪切过程中，与剪切流变仪相配套的控制记录软件Test记录时间、侵入力、侵深等。

图1 实验模型

2 实验结果及其分析

2.1 不同节理倾角和间距下的侵入力−侵深曲线

图2所示为不同节理倾角条件下滚刀侵入力−侵深曲线。侵入力所反映的是试件对滚刀贯入过程中的抵抗力，侵深则是滚刀贯入试件中的深度。从图2可见：在加载初期，侵入力与侵深呈比例增加，每个滚刀单独作用于试件上，这个阶段和1个滚刀压入过程类似；当侵入力持续增加时，破碎区形成；当侧向裂缝传播到破碎区时，由于2个滚刀的相互作用，2个刀刃之间的侧向裂纹相互交汇贯通，形成一道几乎平行于自由面的贯通裂纹，并导致2个刀刃之间的岩体形成整块破碎岩碴，大面积地从试件剥落，说明相邻滚刀下产生的裂纹相互影响，并使得2个刀刃下的裂纹交汇贯通，产生了协同破岩作用。

节理倾角/(°): (a) 0; (b) 30; (c) 60; (d) 90

峰值倾入力与节理倾角的关系如图3所示。由图3可知：当节理倾角为30°与60°时，峰值侵入力较小；在为0°与90°时，峰值侵入力较大。结合试件的破坏情况也可得知当节理倾角为30°与60°时试件的破坏情况较严重，刀具更容易破碎岩石。

峰值侵入力与节理间距的关系如图4所示。由图4可知：峰值侵入力随着节理间距的变化而变化，如当节理倾角=0°时，峰值侵入力随着节理间距的增大而增大；当节理倾角=90°时，峰值侵入力随着节理间距的增大先增大后减小。这说明破岩效率与节理间距有关，结合试件的破坏情况也可得知节理间距对岩碴的块状体积有较大影响，对破岩效率有影响。

节理间距/mm：1—20；2—30；3—40；4—50。

节理倾角/(°)：1—0；2—30；3—60；4—90。

2.2 不同节理倾角和间距下的试样破坏特征

2.2.1 节理倾角对破岩过程的影响

滚刀侵入岩石过程可分为破碎区形成、裂纹产生与扩展、破岩碎片形成3部分。当滚刀作用于岩石上时，首先紧邻刀具下方的岩石发生塑性变形，出现挤压破坏区，这个过程和1个滚刀单独压入过程一样。当2个滚刀继续侵入时，由于抗拉破坏而在受压区外围延伸出大量微裂纹，与挤压破坏区构成刀具下的破碎区。岩石破碎区向内及两侧扩张，扩张的趋势造成岩石中部及侧向产生放射状裂纹即中间裂纹和侧向裂纹。当侵入力持续增加时，随着侧向裂缝传播到破碎区，由于2个滚刀相互作用，2个刀刃之间的侧向裂纹相互交汇贯通。裂纹尖端受拉力作用而促使裂纹不断扩展，当侧向裂纹达到岩石表面时则形成岩石碎片。随着滚刀继续侵入，侵入力继续增大，形成一道几乎平行于自由面的贯通裂纹，并导致2个刀刃之间的岩体形成整块的破碎岩碴，大面积地从试件剥落，说明相邻滚刀下产生的裂纹相互影响，并使得两滚刀下的裂纹交汇贯通，产生了协同破岩作用。裂纹角示意图如图5所示[13]。

图5 裂纹角示意图

不同节理倾角和间距下试样破坏图如图6所示，其中虚线表示宏观裂纹[14]。由图6可知：1) 当=0°时，试件所受力呈对称分布，节理对侧向裂纹的扩展有明显的控制作用，对中间裂纹的影响则较小，中间裂纹由节理面引导向岩石深部扩展；2) 当=30°时，中间裂纹由节理面引导向岩石深部扩展，从刀具两侧生成侧向裂纹向自由面或节理面扩展形成碎块；3) 当=60°时，节理面受到刀具的剪切作用，致使裂纹从节理面起裂并向节理面或自由面扩展形成碎块；4) 当=90°时，在双刀荷载作用下，试件所受力呈对称分布，由于节理的水平分割，节理面上与侵入方向相交点的拉应力迅速集中，当节理间距偏小时，首先达到抗拉极限，裂纹起裂，并迅速向滚刀端部扩展。

(a) 节理倾角为90°，节理间距为20 mm；(b) 节理倾角为90°，节理间距为30 mm；(c) 节理倾角为90°，节理间距为40 mm；(d)节理倾角为90°，节理间距为50 mm

2.2.2 节理间距对破岩过程的影响

对比不同节理间距可以发现TBM双刃滚刀破岩过程可分为2个阶段[15]：正常破岩和节理面破岩。当节理间距较小时，滚刀作用于岩体，形成的裂纹能达到节理面，并与节理面贯通形成大块碴片；当节理面间距较大时，滚刀下形成的裂纹不足以达到节理面，裂纹的扩展、贯通以形成岩片为主。在实际工程中，TBM处于连续掘进状态，这2种破岩状态交替进行，进而会出现薄岩片和大块岩碴交替出现的情况。

在节理岩体中，通过水泥砂浆模拟岩样实验可发现：由于节理的存在使破碎区的形状尤其裂纹的起始及扩展方向、破岩碎片的体积发生了明显改变，如图7所示的中间裂纹方向发生偏转，侧向裂纹从节理端开裂并向自由面扩展。

2.3 节理倾角和间距对滚刀破岩效率的影响

节理倾角和间距对TBM破岩效率可采用破碎功与破碎体积之比来衡量[9]。破岩所需破碎功越小，破岩体积越大，则破碎功与破碎体积之比越小；比能耗越小，则破岩效率越高。不同节理间距及倾角的破岩实验结果如表2所示。破碎功按下式进行计算：

式中：F为第加载步的轴向力；u为第加载步的轴向位移；为求和步数。

图7 节理对破岩的影响

Fig. 7 Effect of joint on fragmentation

岩石比能耗E是反映TBM机械破岩效率的重要指标，定义为开挖单位体积的岩石所消耗的能 量[16−22]，即E=/。破碎功与节理倾角的关系如图8所示。从图8可见：当节理间距为20 mm，由30°向60°增大时，破碎功随之降低(从126.62 J降低到64.23 J)；当增大到90°时，所需破碎功明显增加(增加至115.66 J)。

比能耗与节理倾角的关系如图9所示。从图9可见：当节理倾角从0°增大到60°时，破岩效率明显增大；当节理倾角从60°增大到90°时，破岩效率明显降低。从破岩效率来看，在岩石中存在1个最优倾角，当节理倾角=60°时，比能耗最低，TBM双刃盘形滚刀的破碎效率最高。

表2 不同节理间距及倾角的破岩实验结果

比能耗与节理间距的关系如图10所示。从图10可知：当节理倾角一定时，随着节理间距不断增大，比能耗也不断增大，破岩效率降低。

节理间距/mm：1—20；2—30；3—40；4—50。

节理间距/mm：1—20；2—30；3—40；4—50。

节理倾角/(°)：1—0；2—30；3—60；4—90°。

3 结论

1) 当节理倾角一定、节理间距较小时，滚刀作用于岩体，形成的裂纹能达到节理面，并与节理面贯通形成大块碴片；当节理面间距较大时，滚刀下形成的裂纹不足以达到节理面，裂纹的扩展、贯通以形成岩片为主。在实际工程中，TBM处于连续掘进状态，这2种破岩状态交替进行，进而薄岩片和大块岩碴交替出现。

3) 相邻滚刀下产生的裂纹相互影响，使得两刀刃下的裂纹交汇贯通，产生协同破岩作用，形成片状 岩碴。

4) 从滚刀破岩效率来看，破岩比能耗随着节理倾角的增加有1个逐渐减少然后增大的过程，在岩石中存在1个最优节理倾角，当节理倾角=60°时，破岩比能耗最小，TBM双刃盘形滚刀的破碎效率达到最高值；当节理倾角一定时，随着节理间距不断增大，比能耗也不断增大，破岩效率降低。

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(编辑 陈灿华)

Effects of joint angle and joint space on rock fragmentation efficiency by two TBM disc cutters

CAO Ping1, LIN Qibin1, LI Kaihui1, 2, HAN Dongya1, 2

(1. School of Resources and Safety Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;2. Department of Civil and Environmental Engineering, The Hong Kong Polytechnic University, Hong Kong 999077, China)

Based on laboratory tests, the effects of joint angle and joint space on the penetration of two TBM disc cutters were studied. In the test, concrete jointed specimens were adopted to simulate jointed rock mass. The anglebetween joint plane and tunnelling axis were 0°, 30°, 60° and to 90°, and four joint spaces were 20, 30, 40 and 50 mm respectively. Penetration depth and penetration force were collected during the loading process. Shooting with the camera in real time, photographs of the damage of specimen and failure mode of the development process were taken. The results show that there exists three basic modes of rock fragmentation which are mainly related to the joint orientation. The interaction between rock and TBM double disc cutter leads to cracks coalescence and chips formation. The specific energy achieves the minimum at the joint angle=60° and the fragmentation efficiency of two TBM disc cutters can reach the highest. The joint space has significant impact on the formation of rock chips. Specifically, the specific energy increases with the increase of the joint space, but the fragmentation efficiency presents the opposite trend.

joint angle; joint space; two TBM disc cutters; fragmentation modes; fragmentation efficiency

10.11817/j.issn.1672-7207.2017.05.023

U45

A

1672−7207(2017)05−1293−07

2016−05−19；

2016−07−01

国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2013CB035401)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2015zzts262) (Project(2013CB035401) supported by the National Basic Research Development Program (973 Program) of China; Project(2015zzts262) supported by the Central University Special Fund For Basic Scientific Research Business Expenses)

曹平，博士，教授，博士生导师，从事岩石力学与工程应用研究；E-mail: pcao_csu@sina.com