不同载荷下TBM盘形滚刀破岩试验研究

谭青，孔亨，夏毅敏，易亮



不同载荷下TBM盘形滚刀破岩试验研究

谭青1, 2，孔亨2，夏毅敏1, 2，易亮2

(1. 中南大学 高性能复杂制造国家重点实验室，湖南 长沙 410083；2. 中南大学 机电工程学院，湖南 长沙 410083)

为了研究不同载荷(静载、动静组合加载)下全断面岩石掘进机(TBM)盘形滚刀破岩的破碎效果及破碎效率，选用大理岩开展滚刀直线切削破岩实验和破碎块筛分实验，对比分析切削过程的破岩量、破碎块的特征以及破碎比能耗与平均破碎块度的规律。实验结果表明：在同一贯入度及刀间距下，动静组合加载下的大破碎块相对较多，并且破岩量要大于静载的；加入冲击动载后，破碎块的块度变得均匀，平均破碎块度增大约1.6倍，在刀间距60~80 mm时最大；破碎比能耗随着平均块度的增加而减小，呈现出指数关系，在相同的切削条件下动静组合加载的破碎比能耗要小于静载的。

TBM；盘形滚刀；动静组合加载；破碎块度；比能耗

1 实验部分

1.1 实验装置

实验采用课题组设计的多功能直线切削实验台，如图1所示，该试验台主要由控制部分，液压驱动部分，数据采集部分和滚刀破岩部分4部分组成。垂直的液压加载装置由竖直滑轨、竖直液压缸及机架组成；前后往复液压驱动装置和左右往复液压驱动装置均由驱动液压缸和滑动导轨组成。试验台可进行不同尺寸的滚刀切削实验，也可以进行冲击破岩实验。

图1 线性切割试验台

此次实验利用试验台的冲击破岩功能。冲击动载装置原理图如图2所示，主要由冲击动载液压缸、冲击导向杆、锁定螺钉与缓冲弹簧、润滑系统等组成。实验时冲击载荷设为5 kN，冲击频率为1 Hz。实验采用实际17寸盘形滚刀1:2比例缩小。施加冲击载荷前，将各个部件安装在横梁底部，开启润滑系统，滚刀压入岩石一定深度。

1—锁定螺钉；2—缓冲弹簧；3—纤维块；4—活动横梁；5—冲击动载液压油缸；6—冲击器与横梁连接处；7—冲击杆； 8—润滑系统；9—冲击器与刀架顶板连接处；10—刀架；11—滚刀

1.2 试样准备

实验所用的岩样产自广西梧州石材市场的大理岩，如表1所示的大理岩物理力学性能参数。

表1 实验材料力学参数

实验采用大理岩作为实验样品，它的尺寸结构为900 mm×380 mm×260 mm(长×宽×高)，将大理岩放入箱体内用水泥加固，箱体外形尺寸为1 000 mm×500 mm×300 mm，考虑到实验是模拟实际工况下的岩石，周围有一定的围压，故在其周围填充水泥，可以增加一定的围压，避免实验过程中滚刀将岩石样品过度破碎，同时也可以防止岩石试样移动。如图3(b)所示，提前4 d用水泥将岩石固定在箱体中，保证水泥的凝结强度。

(a) 箱体；(b) 岩石固定

1.3 实验方案

实验需要进行重复切削多次，一种贯入度下对应几种不同的切削刀间距，从岩石的用量方面考虑，在同一块大理岩石上分层多次切削，切削方案如图4所示，切削参数安排如表2所示。

为了更直观地观察2种不同载荷下的破岩效果在同一贯入度及刀间距下，不同载荷施加区域各占一半，先进行静载切削，在设置的切削路径切削完毕后，抬起滚刀，在指定的收集窗口，收集剥离的破碎块，做好标记，收集窗口已预先设定好，然后进行动静组合加载切削，重复上述步骤，直至所有的设定的切削组数切削完毕。

图4 切削方案示意图

表2 切削参数安排表

2 实验结果与讨论

2.1 破碎效果分析

通过对静载以及动静组合加载作用下滚刀切削岩石后的岩石破碎块进行收集，得到不同切削条件下的破碎块。图5所示为2种不同载荷条件下盘形滚刀切削岩石后岩石的破碎效果对比。从图中可以看出，在贯入度为3 mm的情况下，加入冲击动载荷后岩石的破碎块相比静载情况下明显增多且破碎块也相对更大。

综上所述，相比于发酵前上清，荷叶发酵上清的抗氧化活性及抑菌性能均有显著提升，这可能与荷叶成分物质的变化有关。黄酮、植物多酚、生物碱类物质是荷叶发挥抗氧化性的主要活性成分，经益生菌发酵后，其中的活性物质可能发生改变，导致其抗氧化活性及抑菌性的提高。而其中WEFA23发酵荷叶上清有更好的抗氧化活性和抑菌性能，这可能与屎肠球菌WEFA23菌株自身所拥有的抑菌性相关。

(a) 静载；(b) 动静组合加载

图6~7所示为收集刀间距为40 mm时不同贯入度下的破碎块，对比不同加载条件下刀间距40 mm不同贯入度的破碎效果，如图6~7，贯入度越深，破碎量越多。从静载与动静组合加载下的破碎效果来看，相同贯入度下动静组合加载下的破岩量明显大于静载条件下的破岩量，并且大破碎块明显多于静载条件。说明加入冲击动载荷后，岩石的破碎程度更好，破碎效果更明显。

(a) S=40 mm, P=2 mm；(b) S=40 mm, P=3 mm；(c) S=40 mm, P=4 mm；(d) S=40 mm, P=6 mm

为了更加直观地比较静载及动静组合加载下的破碎效果，如图8所示，绘制同一贯入度不同刀间距下2种不同载荷情况下的破岩量对比图，从图中可见，在贯入度3 mm，刀间距60 mm时，破岩量达到了900.52 g，比静载时提高了45%，在贯入度2 mm，刀间距30 mm时，破岩量达到了242.36 g，同比提高了129%。相同切削条件下，动静组合加载下的破岩量普遍高于静载条件下的。

(a) S=40 mm, P=2 mm；(b) S=40 mm, P=3 mm；(c) S=40 mm, P=4 mm；(d) S=40 mm, P=6 mm

(a) P=2；(b) P=3

2.2 破碎块尺寸分布对比分析

通过称重收集到的破碎块，定量证实了加入冲击动载后破碎效果更好。进一步研究破碎尺寸分布规律，进行筛分称重并统计各粒径区的破岩含量比，绘制累计筛分图，筛下累计指的是小于某一给定筛孔径占总破岩量的占比，筛下累计的计算方法如式(1)所示[14]：

式中：m代表每个筛分孔径内的破碎块质量，代表总质量。图9中，曲线上凸表示细末占较大的百分比，下凸表示粗块占较大的百分比。

图9 筛下物累计曲线

Fig. 9 Cumulative undersize distribution curve

根据破碎块的整体尺寸分布，选用的筛分孔径规格如下：53，37.5，9.5，2.36和0.6 mm。将大理岩的破碎块度分为0~0.6 mm，0.6~2.36 mm，2.36~9.5 mm，9.5~37.5 mm，37.5~53 mm，53~100 mm6个等级。采用对数坐标以准确的地描述破碎块的分布。

通过对收集的破碎块进行筛分统计，绘制出筛下累计图，如图10所示，给出在贯入度为4 mm和6 mm条件下的分布图。由图中曲线的分布可知，当贯入度为4 mm时，2种切削条件下，在刀间距为30 mm时，细末的含量均较多，刀间距为60 mm时，粗块含量较多，在刀间距为40，80和100 mm时，块度较为均匀，由图10(a)和图10(b)对比可知，当加入冲击动载后，刀间距为30 mm和60 mm的曲线明显向中间靠拢，并且曲线斜率增加相对缓和，这说明破碎块的块度趋于均匀，小粒径和大粒径均减少，中间粒径增多。当贯入度为6 mm时，两种切削条件下，刀间距为30 mm时，细末偏多，刀间距增加到80 mm时，粗块相对含量最多，加入冲击动载后，曲线向中间靠拢，块度变得均匀。

(a)静载贯入度4 mm；(b) 动静组合贯入度为4 mm；(c) 静载贯入度为6 mm；(d)动静组合贯入度为6 mm

由图10(a)~10(d)对比分析可知，在加入冲击动载后，碎块的块度分布更加均匀，细末和大块度都相应减少，这说明加入冲击动载后，从破碎块的角度来说，得到了更加均匀的岩石块度，有利于岩石的破碎。

2.3 平均破碎块与刀间距和贯入度的关系

设定破碎块上限尺寸为70 mm，下限尺寸取0 mm，则对应每个孔径内的破碎块平均尺寸为：61.5，45.25，23.5，5.93，1.48和0.3 mm。刀间距为40 mm，不同切深的平均破碎块如图11所示，随切深增加，无论何种加载方式，岩石破碎块呈递增趋势并且动静组合加载条件下的平均破碎块明显比静载切割下要大，但当贯入度增加到4 mm后，破碎块的增加速度减小。当贯入度相同时，动静载组合切割方式下所产生的平均破碎块大于静载切割方式下所产生的平均破碎块，尺寸大1.6倍左右。

图11 平均破碎块与切深关系

切深为4 mm，不同刀间距的平均破碎块如图12所示，对于2种不同加载方式，当刀间距相同时，动静组合加载条件下产生的平均破碎块度大于静载切割下所产生的平均破碎块。随着刀间距的增加，破碎块度先增加后减小，在切深为4 mm的情况下，选取的刀间距为30，40，60，80和100 mm。通过数据拟合发现，最大块度出现在刀间距60~80 mm之间。根据实验现象发现，当刀间距为30 mm和40 mm时，2种加载方式下，当滚刀先行切削一刀后，会对岩体产生一定的损伤，顺次切削后能将岩脊剥落并会出现过度破碎现象，而当刀间距超过了60 mm，则会逐渐出现协同破碎的现象，如图13所示，当盘形滚刀滚压切削岩石时，在掘进机刀盘法向推力的作用下，滚刀压入岩石，在刀具底部下方的岩体内部形成高应力区。当岩石内的应力达到一定大小时，就会产生微裂纹，在载荷的持续作用下裂纹向四周扩散、延伸，出现碎块。在滚刀顺次切削破岩过程中，当刀间距达到一定的距离会产生脊岩，当岩石内部裂纹自由扩散后而相互交汇，脊岩剥落，此时块度最大，当2个滚刀的距离恰好或者接近脊岩裂纹交汇时的刀间距时，可以得到较大的岩石破碎块。而当刀间距超过80 mm时，产生的微裂纹逐渐的远离，直至不再交汇贯通，因此到80 mm时破碎块度有所下降，产生的破碎块尺寸减小，在刀间距60~80 mm时会出现最大块度。

图12 平均块度与刀间距的关系

2.4 平均破碎块与比能耗关系对比分析

为了分析滚刀在破岩过程中的破岩效率，Gertscha等[16]提出了比能耗的概念，如式(3)所示，表示单位体积岩石破坏时所消耗的能量。

式中：为破岩总功；为岩石破碎体积；W表示垂直力做功；用垂直力F与贯入度的乘积表示；W表示滚动力做功，用滚动力F与切削的路径的长度的乘积表示。

图13 协同破碎示意图

Fig. 13 Schematic diagram of synergistic fragmentation

根据对破岩试验结果分析，得到不同刀间距和贯入度下的平均破碎块以及相对应的比能耗值，绘制如图14所示的平均块度与比能耗的关系图。从图中可以看出，破岩过程中的比能耗与平均块度不是线性关系，岩石的平均破碎块越大，所对应的比能耗值越低。这说明岩石的平均破碎块越细所消耗的能量越大，也说明了过度破碎会导致所消耗的能量增加。对比静载与动静组合加载2种加载方式可知，得到同样大小的平均破碎块，静载情况下所消耗的能量比动静组合加载下要大。这说明加入冲击动载荷后使得破岩效率提高。

图14 比能耗与平均破碎块度的关系

3 讨论与应用

TBM在隧道掘进时，在破碎硬度比较大的岩石层时，此时，由于TBM刀盘在旋转而后面液压油缸在施加推力，掘进的时候会出现较大的冲击，相对破碎严重的掌子面凹凸起伏大，当滚刀经过大凹坑时相当于施加了冲击载荷，因此在实验中添加冲击载荷对于实际的隧道开挖具有一定的指导作用。

硬岩环境通常较为干燥，TBM硬岩掘进过程中将产生大量的粉尘，粉尘将对隧道中工作人员的正常工作造成极大影响[17]，由实验结果可以发现，施加了冲击载荷后细末会相应减少，而中粒径的岩块会增多。

4 结论

1) 从破碎形态上看，加入冲击动载荷后岩石大破碎块相比静载情况下明显增多，破碎量增大。

2) 静载条件下的破碎块偏细，动静组合加载条件下的破碎块相对较均匀或粗块偏多。

3) 研究不同切深的平均破碎块可知，随切深增加，无论何种加载切割方式，岩石破碎块呈递增趋势并且动静组合加载切割下的平均块度明显比静载切割下要大；随刀间距增加，破碎块先增加后减小，且在刀间距为60~80 mm时取得最大值。

4) 在2种不同载荷下，破碎比能耗随着平均破碎块的增加而减小，并且加入冲击动载后，同一平均破碎块度下，消耗的能量要小。

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Experimental research of TBM disc cutter cutting rock on different load case

TAN Qing1, 2, KONG Heng2, XIA Yimin1, 2, YI Liang2

(1. State Key Laboratory of High Performance Complex Manufacturing, Central South University, Changsha 410083, China; 2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China)

In order to study the crushing effect and the efficiency of energy consumption in crushing with disc cutters for tunneling boring machine (TBM) under different load conditions (static loading, coupling static and dynamic loading)，marble rock were chosen to conduct the disc cutter linear cutting test and broken rock slag screening experiment, the rock breakage, characteristics of the broken pieces as well as the energy consumption were analyzed. Test results show that big broken pieces are relatively greater when impact loading was exerted, and the rock breakage is also more than static loading’s under same penetration and spacing. The size of broken pieces are became well-distributed, the average size increases about 1.6 times after giving impacting loading, the average size is biggest at a space of 60~80 mm. The energy consumption decreases with the increase of average size, exhibiting an exponential relationship. Under same cutting condition, the energy consumption of coupling static and dynamic loading is less than the static loading.

TBM; disc cutter; coupling static and dynamic loads; broken pieces; specific energy

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2018.11.028

TU433

A

1672 − 7029(2018)11 − 2956 − 08

2017−09−22

国家重点基础研究发展规划(973计划)项目(2013CB035401)；国家自然科学基金资助项目(51274252)

谭青(1955–)，男，湖南长沙人，教授，博士，从事掘进机刀具破岩机理方面的研究；E−mail：jds-share@163.com

(编辑 阳丽霞)