2. 中南大学 机电工程学院, 湖南 长沙 410083;
3. 中南大学 轻合金研究院, 湖南 长沙 410083
2. School of Mechanical and Electrical Engineering, Central South University, Changsha 410083, China;
3. Light Alloy Institute, Central South University, Changsha 410083, China
当今中国已是世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家.盾构、TBM隧道施工法作为一种适用于现代隧道及地下工程建设的重要施工方法之一, 发挥了重要作用[1].刀盘刀具是掘进过程中实现破碎剥离岩土、碴土过流、界面支护功能的关键部件[2].盘形滚刀是隧道掘进设备刀盘上一种重要的破岩刀具, 研究盘形滚刀与岩石的相互作用对于分析盘形滚刀破岩机理、指导刀盘刀具设计、提高掘进性能具有重要的意义[3].切削度、刀间距等掘进参数以及岩石节理、地应力、温度等地质因素均会影响滚刀的切削性能[4].谭青等[5]利用离散元方法建立了滚刀破岩二维模型, 研究了破岩过程中切削度、切削力及裂纹数三者的关系；李刚等[6]采用推力和滚动力共同作用的破碎机制, 利用三维数值模拟方法研究了滚刀破岩的最优刀间距；张魁等[7]利用UDEC软件模拟了不同围压条件下的的裂纹生成、扩展模式以及破岩特征, 研究了围压和刀间距之间的关系；Choi等[8]运用离散元方法建立了滚刀切削岩石的二维模型, 研究了岩石强度和节理倾角等因素对破岩机制的影响；刘建琴等[9]应用多体动力学原理建立滚刀组合回转破岩模型, 研究了滚刀回转破岩的刀间距及相位差；邹飞等[10]通过滚刀压头侵入试验研究了不同节理倾角下的岩石破碎特征, 发现了节理空间特征对裂纹扩展模式有明显控制作用.
前人的研究表明, 掘进参数和岩石物理力学因素均会影响岩石的裂纹扩展和宏观破裂.地下水也是影响地下工程岩体稳定性的重要因素之一, 水对岩石复杂的物理化学作用能够影响岩石的强度特性、变形特性、渗透特性和破坏特征[11].因此, 研究滚刀-岩石-水的相互作用关系, 具有重要的理论研究意义和实际工程应用价值.
实际的滚刀切削破岩是动态的三维过程, 由垂直切削和水平滚动2种运动组成, 但岩石内部裂纹扩展以及岩石的宏观破坏主要由垂直力主导, 可以将滚刀破岩简化为二维的滚刀切削破岩[12-13].本文在前人研究的基础上, 开展了不同种岩石(软岩-硬岩, 高孔隙率-低孔隙率)在饱水与干燥条件下的滚刀切削试验, 分析了切削破岩的侵入力-侵深曲线, 破碎块特征以及比能耗特性, 为隧道掘进或岩石开采等工程实际提供参考.
1 试验部分 1.1 试样准备在盾构开挖过程中, 隧道穿越地层地质复杂, 不同的岩层、岩石风化程度以及水文地质条件对滚刀的地质适应性影响很大.如表 1所示为甘肃引洮供水一期干渠某隧洞工程掘进区间隧道沿线地层分布, 从表中可以看出不同掘进段乃至同一掘进段岩石种类差异明显.选择不同强度、风化程度及孔隙率的岩石进行饱水后的滚刀切削试验, 能更好地分析岩石含水情况对滚刀切削破岩效率的影响.
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表 1 甘肃引洮供水一期干渠某隧洞工程掘进区间隧道沿线地层分布 Table 1 Ground distribution along one of Gansu Yintiao water supply tunnel |
为使试件所产生的尺寸效应不受试件自由边界的影响[14], 本实验选用了尺寸为200×160×20 mm的砂岩、花岗岩、板岩、石灰华(洞石)、混凝土试样进行试验, 具体尺寸如图 1所示.每种岩石分为2组, 分别进行干燥和饱水条件下的切削实验, 如图 2所示.其中孔隙率由大到小依次为石灰华、砂岩、混凝土、板岩、花岗岩；岩石强度由高到低依次为板岩、花岗岩、砂岩、混凝土、石灰华, 岩石主要物理力学参数如表 2所示, σc为岩石单轴抗压强度, n为岩石孔隙率, ρ为岩石密度.其中石灰华又名洞石, 自身含有许多天然无规则孔洞, 强度较低岩性较软, 饱水后含水率高；板岩和砂岩为研究水岩相互作用常用岩石, 也是隧道工程的主要经过岩层[15-16]；实验所选花岗岩为湖南地区的汨罗麻岩, 密度较大, 质地坚硬；依据文献[17]以及实测的岩石单轴抗压强度, 本实验所选用花岗岩、板岩属于硬岩, 砂岩属于中硬岩, 石灰华、混凝土属于软岩.
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图 1 滚刀贯入试验岩石试样尺寸 Fig. 1 Rock sample size of disc cutter penetration test |
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图 2 滚刀贯入试验岩石样本 Fig. 2 Rock sample of disc cutter penetration test |
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表 2 滚刀贯入试验岩石样本物理力学参数 Table 2 Physical and mechanical parameters of rock sample of disc cutter penetration test |
试验采用直线式切割TBM滚刀破岩实验台, 如图 3所示, 试验台主要由液压系统、控制系统、数据采集系统、滚刀切割部分组成, 其垂直液压加载装置由机架、垂直推进缸和垂直导轨等组成; 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.试验台可以进行不同尺寸滚刀破岩切削的上下直线运动, 刀架由单液压缸驱动, 油缸公称压力为600 kN, 最大油压为25 MPa, 行程为500 mm, 刀盘釆用四角八面导轨精确导向, 导向可靠平稳, 可以承受大扭矩, 能够保证切深恒定不变.试验滚刀采用常截面小尺寸滚刀, 如图 4(a)所示.岩板通过固定装置利用楔形木条楔紧, 保证岩板的稳定性.岩石固定装置如图 4(b)所示.
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图 3 直线式TBM滚刀破岩试验台 Fig. 3 Straight-line TBM cutter broken rock test rig |
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图 4 贯入试验用刀、岩石样本及其固定装置 Fig. 4 Experiment cut and rock sample with fixed device of disc cutter penetration test |
将每种岩石试样分为2组, 试样在自然干燥7 d后称重量.其中一组岩石进行自然饱水处理, 常温下将试样放入容器中, 每隔2 h加水1次, 5次使试样全部淹没, 最终饱水14 d制成饱水试样[18].另一组作为对照试验组.待浸泡完成后, 称量重量并计算自然饱和吸水率.如表 3所示为滚刀贯入试验岩石试样浸泡前后重量及吸水率.表中md1为1#干燥组的干重, md2、mw2、q分别为2#饱水组试样的干重、湿重、吸水率
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表 3 滚刀贯入试验岩石试样浸泡前后重量及吸水率 Table 3 Weight and water absorption of rock sample before and after soaked |
当浸泡及称重完毕后, 将试样固定在试验台上进行滚刀贯入切削试验, 实验过程中滚刀旋转自由度固定, 不会发生转动, 滚刀从岩石试样中间位置贯入岩石.利用摄像机记录切削过程, 利用三向力传感器及采集系统记录切削过程中垂直力数据.切削速度为0.6 mm/s, 当岩石试样发生左右劈裂后停止切削.切削后收集岩渣进行筛分实验, 并称量岩渣重量.筛分实验采用标准方孔筛, 尺寸分别为37.5, 37.5~31.5, 31.5~26.5, 26.5~19, 19~16, 16~13.2, 13.2~9.5, 9.5~4.75, 4.75~2.36, 2.36~1.18, 1.18~0.6.
2 结果与讨论 2.1 侵入力-侵深曲线分析通过对滚刀切削岩石过程中的侵入力-侵深的实时记录, 得到试验所用5种岩石试样在干燥和饱水2种条件下的侵入力-侵深曲线, 如图 5所示, 图中F为侵入力, p为侵深. 图 5(a)~(e)为不同种岩石试样饱水和干燥条件下的侵入力-侵深曲线, (f)为不同种岩石试样干燥条件下侵入力-侵深曲线.
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图 5 不同岩石试样的侵入力-侵深曲线 Fig. 5 Rock load-penetration curves |
不同种类的试样在饱水后, 其载荷-侵深曲线相对干燥条件下发生了较为明显的变化.对于所有的岩石试样, 滚刀刀刃侵入岩石试样的侵入力由零持续增长, 直至侵入力达到峰值后急剧下跌, 此时在侵入力侵深曲线上产生一个跃进点, 这一跃进点也对应着滚刀侵入岩石的峰值侵入力.从图 5(f)中可以看出, 岩石的强度越高, 其峰值侵入力也越大.由图 5(a)~(e)可知, 岩石试样在饱水条件下相对于干燥条件下的峰值侵入力有所降低.干燥条件下板岩的峰值侵入力为33.7 kN, 饱水条件下为26.5 kN, 下降21.4%；干燥条件下砂岩的峰值侵入力为17.2 kN, 而饱水条件下降至15 kN, 下降了13%；花岗岩由干燥条件下峰值侵入力为31.6 kN, 饱水条件下为28.7 kN, 下降9.2%.混凝土干燥时峰值侵入力为7.5 kN, 饱水条件下为7 kN；石灰华干燥条件下峰值侵入力为11 kN, 泡水条件下为8 kN.这与水能降低岩石强度的结论相符.在岩石饱水过程中, 内部矿物颗粒将产生体积膨胀, 胶结变得更为松散, 对岩石产生软化作用, 降低了岩石的强度[11].
线性化分析侵入力-侵深曲线在跃进点前的斜率, 即岩石的侵入系数.侵入系数反应了侵入岩石的难易程度, 侵入系数越大表示越难侵入.硬脆性岩石的侵入硬度大于软塑性岩石的侵入硬度[3].从图 5(a)~(e)可以发现, 岩石饱水条件下的侵入系数相对干燥条件下有了明显的下降, 表明岩石饱水后脆性降低.对于不同种岩石, 饱水条件下侵入系数的下降幅度不同.如图 6所示为不同种岩石饱水条件下的侵入系数相对干燥条件下的降幅百分比c与岩石饱水后的吸水率q条形图.从图中可以看出, 饱水后吸水率高的岩石, 其侵入系数下降的幅度也更大.由此表明, 岩石饱水后的侵入系数下降幅度与其吸水率呈正相关性.利用SPSS分析两者的相关性, rig值为0.011, 表明相关性具有显著意义；Pearson相关系数为0.957, 表明侵入系数下降比与吸水率具有强相关性.侵入系数下降比与吸水率的关系如图 7所示, 图中R2=0.888 39, 表明数据点具有很高的拟合度, 岩石的侵入系数下降比随着岩石吸水率的升高而升高.
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图 6 滚刀贯入岩石试样侵入系数下降比与吸水率 Fig. 6 Invasion coefficient decline ratio and water absorption of test rock |
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图 7 侵入系数下降比与吸水率的关系 Fig. 7 Invasion coefficient decline ratio with waterabsorption |
观察试件破坏过程中裂纹扩展情况, 结合侵入力-侵深曲线, 可以发现对于砂岩、板岩、花岗岩以及干燥条件下的混凝土、石灰华试样, 在侵入力达到峰值侵入力时岩体突然破碎, 裂纹迅速扩展, 刀刃下方出现了一条明显的贯通试件上下两端的中间裂纹, 试件左右劈裂；对于泡水后的混凝土、石灰华试样, 侵入力达到峰值侵入力后试件并没有迅速劈裂, 而是在滚刀侵入过程中刃底的岩石逐渐剥离, 随着侵深的增加, 刃底产生裂纹并逐渐扩展至试样底部, 直至试样左右劈裂.如图 8所示.由此表明, 对于岩性较软的岩石, 含水率增加, 对于破岩是不利的.
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图 8 干燥和饱水条件下混凝土和砂岩试件破坏情况 Fig. 8 Dry and saturated concrete and sandstone damage situation |
当每组岩样切削完成后, 将岩石碎块收集起来, 将饱水岩石破碎块在105 ℃下烘干24 h, 然后通过标准方孔筛将岩石破碎块筛分, 并对每个筛子上的碎块进行称重, 如图 9所示.统计每个网目筛子的筛上累计重量质量分数, 绘制岩石破碎块度组成图, 如图 10所示, 图中s为岩石破碎块度, w为筛上累计比.
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图 9 破碎块筛分及称重 Fig. 9 Screening and weighing of broken pieces |
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图 10 用筛上累计重量表示的切削破碎块度组成 Fig. 10 Degrees of broken piece |
图 10中(a)~(e)分别表示砂岩、板岩、花岗岩、混凝土、石灰华试样破碎块的筛上累计重量；(f)表示不同种类岩石干燥条件下破碎块的筛上累计重量.用筛上累计含量表示块度组成图, 曲线上凸表示粗块偏多, 下凹表示细末偏多.
从图 10(f)中可以看出, 强度较大的岩石破碎块度曲线较强度低的岩石破碎块度曲线上凸, 这说明干燥情况下强度高的岩石破碎块度大.根据之前对切削过程侵入力-侵深曲线的分析可以得知, 岩石饱水后强度降低.从图 10(a)~(e)中可以看出, 不论是硬岩还是软岩, 在饱水后其曲线较干燥时均表现为上凸.这表明, 岩石饱水后在劈裂前破碎块块度有了明显的增大.实验表明, 干燥条件下岩石破碎块度大小与岩石强度具有正相关性；但是岩石在饱水条件下, 虽然岩石强度较干燥条件下降低了, 但是破碎块度仍增大.上述实验现象说明, 破碎块度的大小不仅与岩石的强度相关.饱水情况下水抑制了裂纹的发展, 岩石脆性降低, 较干燥条件下产生了更大的破碎块.
比较饱水和干燥条件下的破岩量Mα, 如表 4所示.从表中可见, 对于花岗石、砂岩、板岩这类硬岩, 在饱水条件下劈裂前的破岩量相对干燥条件下均有所下降；而对于混凝土、石灰华这类软岩, 饱水后达到劈裂前的破岩量较干燥条件下均有所提升.尤其是混凝土, 饱水后的破岩量提升了255%.从岩石的破碎过程来看, 软岩破岩量的提升主要还是由于破碎时间长, 不断地阶跃破碎产生了更多的破碎块导致的.
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表 4 滚刀贯入干燥和饱水条件下岩石试样破岩量统计 Table 4 Mass of broken piece under dry and saturated |
为了衡量滚刀在切削过程中破岩效率, Gertsch等[19]提出了比能耗这一概念, 如式(1) 所示, 表示单位体积岩石破坏时所消耗的能量.
| $ {E_S} = \frac{W}{V} = \frac{{{W_{\rm{v}}} + {W_{\rm{r}}}}}{V} = \frac{{{F_{\rm{v}}}p + {F_{\rm{r}}}l}}{V}. $ | (1) |
式中:W为破岩总功, Wv为垂直力做功, Wr为滚动力做功, Fv为垂直力的平均值, Fr为滚动力的平均值, V为岩石破碎体积, l为滚刀的切削距离.
滚刀切削是二维侵入过程, 对破岩比能耗公式进行一定的简化.由于切削过程中滚刀所受的水平力几乎为0, 只考虑垂直力, 如式(2) 所示:
| $ E = {W_{\rm{v}}}/V = {F_{\rm{v}}}p/V. $ | (2) |
通过对滚刀侵入到岩样过程中所做的功以及破碎体积进行统计, 按照式(2) 可计算得到干燥和饱水条件下的岩石试样达到劈裂时的Es, 如表 5所示.从表中可以得出, 除混凝土、石灰华外, 饱水后各种岩石的破碎比能耗均有下降, 花岗岩下降了47.8%, 砂岩下降了26.8%, 板岩下降了38.9%, 平均下降37.8%.相反, 混凝土在饱水后的比能耗没有降低反而升高了20%, 石灰华上升了了81.6%, 综合对比表 4和5, 发现虽然混凝土的破岩量在饱水后增加了, 但是比能耗并没有降低；对于硬岩诸如花岗岩、板岩、砂岩, 虽然破岩量有所下降, 但是比能耗下降明显.这就是说, 以比能耗作为衡量破岩效率的指标, 饱水条件下对硬岩的破碎更为有利.
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表 5 滚刀贯入干燥和饱水条件下岩石试样破岩比能耗 Table 5 Energy consumption under dry and saturated |
由于岩石在自然饱水条件下含水率均较低, 水在岩石内并不以自由水的形态存在, 全部参与到与岩石颗粒的物理化学作用中, 主要产生了对岩石物理力学性能的劣化作用[20].这种劣化作用主要表现为岩石的强度降低以及裂纹的扩展能力降低.岩石的强度直接影响破岩力的大小, 裂纹的扩展能力决定破碎块的大小以及数量, 因此应当全面的评估水对刀具破岩的影响.将比能耗作为破岩效率的参考指标, 对于掘进机开挖具有指导意义.
岩石性质不同其饱水后的力学与破碎特性也不尽相同.软岩具有应变软化与剪胀的力学特性[21], 虽然饱水后岩石的强度降低, 但是对于软岩饱水后比能耗升高, 破岩时应该根据岩石的含水情况选择合适的掘进速度和切削度来减少水对软岩掘进效率的抑制.
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[22].饱水后岩石的破碎块度增大, 细微粉尘减少.因此可以采用湿式掘进改善掘进工作环境, 但同时还需兼顾湿式掘进对掘进效率的影响.
4 结论(1) 岩石饱水后切削过程的峰值强度下降, 降幅为6%~27%.其侵入系数较干燥条件下的降幅与其吸水率呈很强的正相关性, Pearson相关性系数为0.957.
(2) 软岩饱水后会抑制裂纹的扩展, 岩石脆性降低.饱水后岩石破碎块度增大, 硬岩在饱水后的破岩量下降, 软岩破岩量增加.
(3) 饱水后硬岩破碎的比能耗下降明显, 平均下降37.8%.软岩的破碎比能耗上升, 其中混凝土饱水后比能耗升高20%, 石灰华升高81.6%.
含水率对于岩石的力学性能的影响是不可忽略的.为了提高隧道的开挖效率和开挖环境, 既可以针对含水工段的掘进参数采取相应的措施也可以利用水对岩石的影响人为的采取措施.所以对于如何提升含水情况下不同岩石的破碎效率, 如何选取较好的切削度、滚压速度, 以及特殊表面活性剂对破岩的影响仍需进一步的研究.此外, 实验室贯入试验相对TBM隧道掘进仍具有一定的局限性, 针对岩石饱水对滚刀滚压破岩的影响仍需进一步研究.
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