TBM岩渣几何特征与滚刀破岩效率相关性分析*

张春瑜

(中铁十八局集团隧道工程有限公司,重庆 400700)

0 引言

破岩效率的高低直接影响TBM的施工效率和工程进度[1-2]。破岩效率不仅受围岩实际抗拉或抗压强度、节理发育等岩体因素的影响,还受到TBM自身的设备性能、滚刀间距等设备因素的影响[3]。已有研究表明,TBM掘进生成的岩渣特征(如形状、粒径分布等)参数可以对TBM的掘进效率进行反馈[4]。当前,部分学者[5-7]使用渣片体积的计算比能(SE),以能量的形式定量分析TBM在掘进过程中的破岩效率,但是从渣片本身的形状以及其粒径分布的角度来开展破岩效率的研究还相对较少。

本研究以广州北江输水隧道工程中TBM破岩形成的岩渣为研究对象,综合利用现场测量和筛分试验等方法,获取TBM掘进过程生成的岩渣粒径和形状等数据。通过上述数据定量计算出描述岩渣几何特征的扁平度和岩渣粒径分布情况的粗糙度指数(CI),再分析比较TBM运行时围岩体的节理倾角与间距变化后对其破岩效率的影响。然后回归拟合SE与CI,SE与扁平度(b/a)之间的关系,通过岩渣几何形状特征来对TBM的效率进行评价,使得实际施工时TBM刀盘损耗预测有较可靠且便捷的判断方法,这对实际工程中不同岩性围岩的TBM施工破岩效率的评估以及施工方案的调整具有实践意义。

1 TBM岩渣几何特征参数

1.1 粗糙度指数

粗糙度指数(CI)是由Roxborough等[8]提出,用来描述岩渣粒径分布的指标。该指数首先通过筛分岩渣,计算每种筛孔筛分后的累积残留率,最后把所有筛孔的累积残留率求和得到粗糙度的结果,其公式如下:

(1)

CI=∑Xi

(2)

式中:Wi为大于某粒径的岩渣总质量;W总为所有岩渣的总质量;Xi为粒径对应Wi的岩渣累积残留率。

粗糙度指数用于评估破岩效率,片状岩渣占总岩渣量的比例越高,计算出的粗糙度指数的值就越大,说明破岩的效率评估结果越高;相反当岩渣中岩粉的含量较多时,片状岩渣所占比例降低,粗糙度指数将减小,那么破岩效率的评估结果也将降低。

1.1.1节理倾角对粗糙度指数的影响

为了探究不同节理倾角对岩渣粗糙度指数的影响规律,收集施工现场按标准制作的岩体进行室内试验。试验中所用岩块的节理间距共5种,分别为30,40,50,60,70mm,然后也相应设计了4种不同的刀间距(60,80,100,120mm)及5种不同的节理倾角(0°,30°,45°,60°,90°)。随后,保证上述4种不同刀间距在同一种节理间距,按节理间距进行分类,共进行5组试验。等各组试验进行完成后,观察模拟破岩产生的岩渣形状,并收集试验中产生的渣片和渣粉,对岩渣进行称重和筛分,计算粗糙度指数。最后将5组试验的结果依据节理间距绘制为粗糙度指数随节理倾角改变的曲线,如图1所示。

图1 粗糙度指数与节理倾角的关系Fig.1 Relationship between roughness index and joint inclination angle

由图1中5组试验结果可知,在节理间距不变的情况下,不同刀间距随节理倾角变化的粗糙度指数变化规律类似:在节理倾角为0°时,所有节理间距不变的条件下,不同刀间距对应的粗糙度指数均为最小值;当节理倾角从30°变为60°的过程中,5种节理间距条件下不同刀间距的粗糙度指数变化趋势相同,即与随节理角度的变化呈正比;当节理倾角从60°继续增大到90°时,5种节理间距条件下不同刀间距的粗糙度指数又开始随节理角度增大而减小。

下面将结合50mm节理间距、100mm刀间距的试验数据结果进行具体分析。

1) 在节理倾角为0°时,受到滚刀作用岩体破碎后形成了破碎区,破碎区域正好位于滚刀的正下方。经观察可以看到岩体裂纹较深,但岩体节理对岩体侧面裂纹的贯通存在阻碍作用,并且滚刀之间的协同作用因节理也受到了削弱。因此,这种模式下节理围岩大部分成为渣粉,很少形成渣片,于是对应的粗糙度指数最小,为640%左右。

2) 围岩体的节理倾角范围在30°～60°时,围岩体的破碎模式从原先的单一滚刀作用改变为节理-滚刀的相互作用,在此情况下围岩体的破碎区域增大,围岩的裂纹数量同时增多,围岩的节理面能够与裂纹贯通,随之产生相对完整的岩块。此外,裂纹也会顺着节理向内部延伸,于是形成的岩渣片较多,对应的粗糙度指数也增大。在倾角为60°时粗糙度指数达到最大,为740%左右。

3) 90°倾角时与0°倾角时的岩渣相似,因为滚刀与滚刀协同作用于岩体,产生破岩效果,岩体破碎区产生较多的岩渣,同时岩体侧面裂纹的贯通也有助于形成渣片。然而节理本身阻碍生成的裂纹进一步深入,导致仅有岩体表面的岩渣相对破碎,于是相应的粗糙度指数较小。

从几组试验得到的结果来看,在节理间距不变的情况下,不同刀间距随节理倾角变化,粗糙度指数先上升后下降,在最大值处的工作效率最高;节理倾角等于0°或90°时,由于滚刀的直接加载作用,导致破碎岩体的过程消耗了大部分能量,从而使滚刀破岩效率降低,产生的小粒径岩渣在岩渣总量中占大多数,粗糙度指数较小。粗糙度指数随节理倾角变化呈现先升后降的过程中,存在最佳的角度(60°),滚刀-节理共同破岩,裂纹贯通良好,片状岩渣的比例较大,对应情况下的粗糙度指数为最大值,TBM破岩效率也是上述情况最高的。

1.1.2节理间距对粗糙度指数的影响

试验时,设置不变的节理倾角分别为0°,30°,45°,60°和90°,记录4种不同刀间距(60,80,100,120mm)随不同节理间距(30,40,50,60,70mm)的粗糙度指数变化情况,共5组试验。等各组试验完成后,观察试验模拟的岩渣形状,收集试验中的渣片和渣粉,对岩渣进行称重与筛分处理,然后计算粗糙度指数,最后将5组试验的结果按节理倾角分类后绘制成4种刀间距的粗糙度指数随节理间距变化的曲线。试验结果如图2所示。

图2 粗糙度指数与节理间距的关系Fig.2 Relationship between roughness index and joint spacing

从图2中可以看出,倾角不变的条件下,不同刀间距随节理间距变化时对应的粗糙度指数变化规律类似:当节理间距为30mm时,不同刀间距对应的粗糙度指数均最大;节理间距从40mm增大到60mm时,所有刀间距的粗糙度指数的变化趋势都是逐渐减小的;岩渣粗糙度指数的最小值在节理间距为70mm时取得。

接下来以试验45°节理倾角、100mm刀间距的结果为例进行具体分析。

1) 30mm节理间距时,单条节理狭窄,其分布最为密集,滚刀作用下产生的裂纹将很快贯通达到节理面,穿越该节理,再继续发生扩展到下一层的节理面,并一起结合产生次生岩渣,故此时对应的破岩效率是最高的,与此同时产生了数量较多的大块岩片,粗糙度指数达到最大值720%。

2) 节理间距在40～60mm范围内时,节理对裂纹的诱导仍然存在,但相对30mm时的诱导作用来说呈现逐渐减弱的趋势。此时,伴随破岩生成的大块渣片数量相对变少,渣粉占岩渣总量的比例则增加,所以粗糙度指数的值也呈现逐渐降低的变化趋势。

3)节理间距为70mm时,裂纹便会受到节理阻碍,滚刀产生的裂纹还未至节理面就已经停止,下层面的节理不会与裂纹贯通,所以此时的岩渣中不会产生较多的渣片,渣粉在所有产生的岩渣中所占比例相对较高,对应的粗糙度指数最小,为675%左右。

所以从几组试验的对比结果来看,节理间距处于相对较小值时,岩渣的形成主要受到节理面本身的诱导影响,滚刀作用下产生的裂纹贯通节理面,可以产生出较大的岩渣渣片;在围岩体的节理间距大时,裂纹和自由面是影响岩渣形成的主导因素,此时产生的渣片和渣粉数量基本一致。上述情况阐述了在刀间距固定时,岩渣粗糙度指数随围岩体节理间距变化逐渐减小,对应的破岩效率也随之变化。从强度的角度来看,围岩体的完整性受到单位体积岩体节理间距的直接影响,能够推断出滚刀的压力作用也会影响围岩体强度。

根据上述内容进行总结,节理间距越小代表岩体的破碎程度越大,滚刀破岩效率越高。但随着节理间距继续缩小,裂纹的深度呈现逐渐减弱趋势。节理处的岩体破碎量与节理数量成正比,因为节理间距缩小,裂纹扩展距离会变短,裂纹就和节理贯通形成破碎体而剥落。

1.1.3刀间距对破岩效率的影响

固定围岩的节理间距,绘制不同围岩节理倾角随刀间距变化的粗糙度指数变化曲线,结果如图3a所示。

图3 不同节理倾角和节理间距条件下粗糙度指数与刀间距的关系Fig.3 The relationship between roughness index and tool spacing under different joint dip angles and joint spacing

以40mm节理间距的试验为例对试验结果进行具体的说明。由图3a可知,在节理间距不变的条件下,5组不同的节理倾角有以下变化规律:当刀间距从60mm到100mm时,岩渣的粗糙度指数逐渐增大,且在刀距为100mm时,粗糙度指数最大;而刀间距从100mm到120mm时,粗糙度指数的值反而开始减小,故根据试验结果得到最优刀间距是100mm。

在节理倾角不变的条件下,按照不同的节理间距的粗糙度指数绘制随刀间距变化的曲线,结果如图3b所示。

由图3b可知,以45°节理倾角为例对试验结果进行具体说明。5种不同节理间距在节理倾角不变的情况下,粗糙度指数随刀距变化的总体趋势类似于节理间距不变条件下,不同的节理倾角的粗糙度指数随刀间距变化的趋势。即随着刀间距的增加,不同的节理倾角对应的粗糙度指数表现出先增后减的现象,刀距为100mm时粗糙度指数取得最大值。

当刀间距为最小值时(s=60mm),滚刀作用产生的裂纹会过度贯通岩体,生成严重破碎的岩渣,滚刀的交叉破碎作用区范围过大使得围岩体的破碎区域相对较小,这种情况下滚刀的失效应力过度重合,于是产生的岩渣量较少,而且其中渣粉的比例较大,对应的岩渣粗糙度指数较小,滚刀破岩效率也最低;当刀间距达到其最大值时(s=120mm),两柄滚刀各自分开破岩,在围岩体上产生累积脊岩,最终产生的岩渣来自两柄滚刀作用于围岩时分别产生的岩渣,其粗糙度指数也较小,对应的滚刀破岩效率也较低;刀间距达到100mm时,两柄滚刀协同作用,在倾角和节理间距都为最佳条件时,进一步能与围岩体节理本身共同破岩,滚刀受节理面引导作用充分破碎岩体,生成岩渣的尺寸较大,此时的粗糙度指数值及破岩效率均为最大值。

1.2 扁平度

考虑使渣片的几何特征能够有普遍性,对筛分试验得到的中轴大于20mm的渣片确定为TBM滚刀破岩过程中产生的具有代表性的岩渣,并通过游标卡尺对岩渣的3种轴进行仔细测量,即测量岩渣的长轴(a)、中轴(b)和短轴(c),如图4所示。

图4 岩渣尺寸Fig.4 Rock slag size

测量5组不同刀间距岩渣的三轴数据,然后求每组试验三轴长度的均值。一般筛分试验测得的渣片中的长度主要用于衡量渣片的宽度,而岩渣的厚度由短轴长度来度量。短轴的数值能够体现岩渣的形状,而长轴的数值可以反映岩渣的大小,大块岩渣占的比列越高,破岩效率越高。因此,节理与裂纹贯通形成大块岩渣说明破岩效果好。扁平度是中长轴的比值(b/a),与短轴尺寸(c)用于对岩渣形状划分。

根据测得岩渣中长轴的比值以及短轴的分布范围将岩渣的形状分成下面4种类型(见图5):①中长轴之比07.5mm时为长块; ④中长轴之比0.57.5mm时为立方体。

图5 岩渣形状分类的划分区域Fig.5 Dividing area of rock slag shape classification

1)扁平度随节理倾角的变化规律

将节理间距50mm、刀间距80mm条件下的滚刀破岩结果做具体阐释,以分析岩渣扁平度随节理倾角的变化规律。

5组节理倾角条件下岩渣形状的变化情况如图6所示。当围岩体的节理倾角在0°到60°变化时,节理倾角与对应岩渣的b/a和c呈正比;当围岩体的节理倾角为90°时,对应岩渣的b/a和c表现出一定程度的减小。

图6 不同节理倾角典型岩渣形状变化Fig.6 Shape change of typical rock slag with different joint dip angles

当围岩体的节理倾角为0°时,滚刀作用产生的围岩中部与侧面的裂纹基本朝向围岩的深部方向扩展,然而节理的存在影响了侧面裂纹的发展趋势,于是岩渣呈现长条状,其长轴较长而宽度较窄,类似片状;节理倾角为30°时,裂纹贯通节理形成的岩渣呈三角块状,这类岩渣占所有岩渣的较大部分,其厚度、宽度都较大,但是整体体积相对较小;当角度分别达到45°和60°时,围岩中部的裂纹与节理面斜交程度大,并且呈纵向直接跨越节理,随之形产生了与节理成近似90°的垂直状裂纹,对应产生的岩渣为四边形,其中b/a几乎为1;在0°到60°之间的节理倾角时,对应生成的岩渣c和b/a显著增大;在90°节理倾角时,围岩生成的中部裂纹近似垂直节理面,侧向裂纹交汇融合,产生了薄片状岩渣,大薄片的厚度较薄,但是岩渣整体较宽。

以岩渣的c和b/a的值为判断依据可以看出,岩渣在节理倾角较小时为窄而薄形的片状;当节理倾角显著扩大时就转变为宽而厚的立方体状,产生的岩渣厚度和体积都在随之变大;60°节理倾角时,岩渣近似立方体形状,其对应的b/a和c均最大。

2)不同节理间距的扁平度分析

将45°节理倾角、80mm刀间距条件下的试验结果做详细阐述,分析岩渣扁平度随节理间距的变化情况。

5种节理间距条件下岩渣形状的变化情况如图7所示。由此可知,围岩体节理间距较小时,产生的岩渣为小块状,岩渣形状在围岩体节理间距扩大时变为大块形状,但节理间距变得过大时会导致岩渣形状重新变回片状。

图7 不同节理间距典型岩渣形状变化Fig.7 Shape change of typical rock slag with different joint spacing

当围岩体的节理间距为30mm时,节理间距狭窄,滚刀作用在围岩上生成的裂纹可以快速贯通节理面,进而产生出块状岩渣,这样的c会较大,其值可以超过1.1cm。与此同时,节理间距的狭窄会阻碍裂纹的进一步扩展,生成的岩块状岩渣的宽度会较小,于是b/a也会很小;当节理间距进一步增大时,产生的岩渣厚度又会随着岩体的节理间距改变而先增后减,这种情况下节理间距已经退化为影响岩渣宽度的次要因素,节理间距过大将导致裂纹难以贯通节理面,此时裂纹仅可以贯通至自由面,从而产生出片状岩渣,这种现象在水平节理试块表现得更加明显。

2 岩渣几何特征与破岩效率的相互关系

由上面的叙述可知,岩渣的几何特征由节理倾角、节理间距和刀间距共同控制继而影响TBM滚刀的破岩效率。可以推测出岩渣几何特征与破岩效率之间存在一种必然关系。在工程施工中,若能通过观察和测量岩渣几何特征来反映破岩效率,这对工程有实际意义。

2.1 粗糙度指数-比能

粗糙度指数与比能从不同的出发角度表征滚刀的破岩效率[9-10]。粗糙度指数从岩渣粒径的角度出发,来评价滚刀的破岩效率。比能的定义为滚刀破碎单位体积的围岩体所需要的功,是从能量的角度来描述滚刀破岩效率[11]。

以80mm刀间距、45°节理倾角条件下岩体的试验结果为例,回归拟合比能和粗糙度指数,对应的结果如图8所示。由图8可知,上述两指标之间的决定系数达到了0.98,二者之间的线性关系相当良好,且呈现出明显的负相关关系。可以在实际TBM掘进施工过程中计算比能较为困难的情况下,通过岩渣的形状特征来评价TBM掘进效率。

图8 粗糙度指数与比能的关系Fig.8 Relationship between roughness index and specific energy

2.2 扁平度-比能

为了得到扁平度、短轴与比能之间的关系,以50mm节理间距、80mm刀间距试验中岩渣的b/a,c及SE的数据绘制关系曲面图,然后回归拟合SE与b/a及SE与c之间的关系,得到拟合的结果如图9所示。

图9 扁平度与比能SE的关系Fig.9 Relationship between flatness and specific energy SE

图9a展示了b/a,c与SE的关系曲面。从关系图中能够发现,b/a和c增大时SE减小。SE较小时,岩渣主要呈立方体状,此时破岩效率较高。SE在b/a和c都减小后增加,岩渣为细长状或者窄薄片状,此时破岩效率较低。将b/a及c分别与SE进行关系拟合,图9b和9c展示了拟合的结果。b/a及c均与SE表现为负相关关系,线性拟合结果的决定系数分别仅为0.621和0.813,说明b/a与破岩效率并非为简单线性关系。从实际工程角度出发,仅凭b/a来反应破岩效率并不是足够可靠的。

3 结语

1) 粗糙度指数在节理面倾角为0°时的值最小;当节理倾角从30°增大到60°,粗糙度指数也随节理倾角增大;从60°继续增加到90°时,对应的粗糙度指数反而开始减小。

2)节理间距为30mm时,对应岩渣的粗糙度指数为最大;节理间距在40～60mm时,粗糙度指数随节理间距的增加而逐渐减小;节理间距增大到70mm时,岩渣的粗糙度指数最小。

3)刀间距在60～100mm时,岩渣的粗糙度指数伴随刀间距的增加而增大,在100mm时出现最大值;在100～120mm时,对应的粗糙度指数反而开始减小,滚刀破岩效果的最优间距在100mm左右。

4) 节理倾角在0°～60°时,岩渣中的b/a以及c均随节理倾角的增加而增加;节理倾角为90°时,b/a以及c均有所减小;节理间距的增加会使岩渣由开始的小块状向着大块状转变,然而过大的节理间距会使岩渣变为片状。

5)比能和粗糙度指数经拟合的线性关系良好,粗糙度指数越大比能越小,破岩效率越高;而b/a及c与比能均为负相关,此时产生的细长状岩渣和薄片状岩渣说明了对应条件下TBM破岩的效率较为低下,进一步的分析表明岩渣的扁平度与破岩效率并不是简单的线性关系。