彭星新

(中铁十一局集团第四工程有限公司 湖北武汉 430074)

1 引言

隧道掘进机TBM(Tunnel Boring Machine)已被广泛应用于开挖高埋深下的地下工程项目。在埋深较深的地层中掘进时经常会遇到地应力诱发的各种工程问题，很容易导致严重的工程灾难，不仅会降低施工速度和开挖质量，还会增加工程投资和开挖风险。在高度受压的软弱破碎岩体中掘进时，因岩体具有时效变形性质，极易遇到地层挤压和护盾/刀盘被卡问题，威胁机器设备和人员安全，导致严重的工期延误和经济损失[1-3]。这些问题都是由于地应力的作用影响了TBM滚刀破岩效率和刀盘掘进性能[4-7]。

为模拟隧道掘进面上真实的TBM滚刀破岩过程，研究人员普遍采用全尺寸线性切削试验进行TBM性能预测[8-10]。然而，目前仅有很少的全尺寸线性切削试验研究围压(地应力)对TBM滚刀破岩性能的影响规律。本文采用强度较低的重庆青砂岩和更高的双向等围压条件来研究围压对TBM滚刀破岩性能的整个影响阶段，研究围压对TBM滚刀法向力、滚动力的影响规律。

2 不同双向等围压条件下的全尺寸线性切削试验

2.1 全尺寸线性切削试验机

双向等围压条件下的全尺寸线性切削试验在北京工业大学的机械破岩试验平台进行(见图1)，具备在最大尺寸为1.0 m×1.0 m×0.6 m的岩石试样上进行全尺寸刀具线性切削试验的能力。

图1 北京工业大学全尺寸线性和旋转切削试验机

线性切削试验机通过液压系统和围压加载板对岩石试样施加双向围压条件，岩石试样被限制在四个刚性加载板内(即前、后、左、右4个围压加载板)。本文共对5个岩石试样施加不同的双向等围压条件，分别为 0-0 MPa、5-5 MPa、10-10 MPa、15-15 MPa和20-20 MPa。围压与岩石单轴抗压强度的比值分别为 0、0.08、0.16、0.25 和 0.33，最大围压比约为0.33。

2.2 试验设计、步骤及结果

2.2.1 试验设计

重庆青砂岩是一种青色细颗粒硬质脆性沉积岩，单轴抗压强度为60.76 MPa，巴西劈裂强度为1.81 MPa，静态弹性模量为13.63 GPa，泊松比为0.232，试样尺寸为1.0 m×1.0 m×0.6 m。采用17英寸常截面滚刀，刀刃宽度为15 mm，滚刀间距为80 mm。

2.2.2 试验步骤

(1)将岩石试样放置在围压试验箱的中间，将软木板和围压加载板放置在岩石试样四周并采用液压油缸预先压紧。

(2)在平行和垂直于滚刀切削方向上同时并缓慢施加双向围压，每次的围压增量均为1.0 MPa或2.0 MPa，直至达到设计围压。

(3)围压施加完成后，在岩石试样的上表面采用80 mm滚刀间距、1.0 mm滚刀贯入度进行预处理切削。

(4)预处理切削完成之后，采用1.0 mm滚刀贯入度进行正式岩石切削试验。在每一个切削层上，都要记录试验区域中每一条切削轨迹上的滚刀法向力和滚动力。当采用某一滚刀贯入度进行4到5层切削之后，将滚刀贯入度增加1.0 mm或2.0 mm，然后开始进行更大滚刀贯入度的岩石切削试验。

2.2.3 试验结果

表1为不同双向等围压条件下滚刀法向力(FN)、滚动力(FR)的试验结果。

表1 不同双向等围压条件下重庆青砂岩全尺寸线性切削试验结果

3 试验结果分析及讨论

3.1 滚刀法向力

如图2所示，对于每一个围压水平，滚刀法向力都随着滚刀贯入度的增加而减速增加。同时，滚刀法向力对滚刀贯入度的影响在滚刀法向力较大时更为明显。当滚刀法向力较小时，滚刀并不能有效地贯入岩石表面，因此滚刀贯入度随滚刀法向力的增加速度较为缓慢；当滚刀法向力较大时，岩石表面过度破碎，滚刀贯入度可以随着滚刀法向力毫无阻碍地迅速增加。

如图3所示，对于每一个滚刀贯入度，当围压从0-0 MPa增加到12.5-12.5 MPa时归一化滚刀法向力都会轻微增加，当围压从12.5-12.5 MPa增加到20-20 MPa时归一化滚刀法向力都会迅速降低。并且，所有的归一化滚刀法向力曲线(FNNor-σ0曲线)都倾向于在12.5-12.5 MPa围压附近达到最大值，在16.25-16.25 MPa围压附近迅速从大于1.0降低到小于1.0。因此，对于0～0.27的围压比范围，TBM滚刀破岩受到抑制，并且最大抑制作用发生在围压比为0.21(即12.5/60.76)处。对于16.25-16.25 MPa到20-20 MPa的围压范围，围压比为0.27～0.33，归一化滚刀法向力总体上低于1.0，滚刀法向力远小于无围压条件下的相应值，此时TBM滚刀破岩受到促进。

图2 不同双向等围压条件下青砂岩滚刀法向力FN和贯入度p关系曲线

图3 不同滚刀贯入度下青砂岩归一化滚刀法向力FNNor和围压σ0关系曲线

3.2 滚刀滚动力

如图4所示，对于每一个围压水平，滚刀滚动力均随着滚刀贯入度呈近似线性增加，而滚刀法向力却随着滚刀贯入度的增加先迅速增加再缓慢增加，这种不同的变化趋势显示出在法向方向和滚动方向上可能存在不同的岩石响应过程和岩石破碎机理。当围压从0-0 MPa增加到10-10 MPa时，不同围压对应的滚刀滚动力拟合曲线的斜率从0.551 6降低到0.480 1，这表明当围压水平较低时，随着围压的增加，滚刀滚动力随滚刀贯入度的线性增加趋势变快；当围压从15-15 MPa增加到20-20 MPa时，同一围压对应的滚刀滚动力拟合曲线的斜率从0.707 4增加为1.526 1，这表明当围压水平较高时，随着围压的增加，滚刀滚动力随滚刀贯入度的增加趋势变缓。然而，当岩石试样出现预先损伤和预先破裂时，TBM滚刀破岩受到促进，此时在相同滚刀贯入度下滚刀滚动力要小于无围压条件下的相应值并随着围压的升高而降低。

图4 不同滚刀贯入度下青砂岩滚刀滚动力FR和贯入度p关系

图5 不同滚刀贯入度下青砂岩归一化滚刀滚动力FRNor和围压σ0关系曲线

如图5所示，对于每一个滚刀贯入度，当围压从0-0 MPa增加到8.75-8.75 MPa附近时归一化滚刀滚动力都会从1.00增加到相应的最大值，此时对应的围压比为0.14(即8.75/60.76)；当围压在11.25-11.25 MPa附近时归一化滚刀滚动力从大于1.00降低到小于1.00，此时对应的围压比为0.19(即11.25/60.76)；当围压为20-20 MPa时归一化滚刀滚动力均降低到很低的数值，仅有无围压条件下相应值的0.4倍。因此，从滚刀滚动力的角度来看，当围压小于11.25-11.25 MPa时TBM滚刀破岩受到抑制，当围压大于11.25-11.25 MPa时TBM滚刀破岩受到促进。对比图3，滚刀滚动力的两个临界围压比(0.14和0.19)都要小于滚刀法向力的相应值(0.21和0.27)。这种现象表明：滚刀法向力和滚动力对围压和滚刀贯入度的反应不同，随着围压和滚刀贯入度的增加，法向方向和滚动方向上出现了不同的岩石破碎机理。

3.3 临界围压

针对滚刀法向力、滚动力，可以确定出若干临界围压。

(1)如图2所示，当围压范围在0-0 MPa～20-20 MPa时，滚刀法向力在12.5-12.5 MPa围压附近遭到最强烈的抑制作用，在16.25-16.25 MPa围压附近从被抑制状态转化为被促进状态，在20-20 MPa围压附近遭受最强烈的促进作用。

(2)如图4所示，当围压范围在0-0 MPa～20-20 MPa时，滚刀滚动力在8.75-8.75 MPa围压附近遭受最强烈的抑制作用，在11.25-11.25 MPa围压附近从被抑制状态转化为被促进状态，在20-20 MPa围压附近遭受最强烈的促进作用。

需要注意的是这些临界围压并不都相同，滚刀法向力对应的临界围压总比其他三个参数对应的临界围压要大，同时滚刀法向力的最大增量(约10%)也要小于其他三个参数的最大增量(约20%)。这就是说围压对滚刀法向力的影响总是滞后的，并且其影响程度也更小。同时也表明，滚刀法向力、滚动力对围压改变的反应不相同。岩石切削过程开始于滚刀法向力诱发的岩石压碎区，所以12.5-12.5 MPa和16.25-16.25 MPa围压可以作为重庆青砂岩两个重要的临界围压，前者表征围压在最大程度上抑制TBM滚刀破岩，后者表征围压对TBM滚刀破岩从抑制作用转化为促进作用。当施加15-15 MPa围压时，在岩石试样表面观测到若干微小闭合裂纹，表明岩石试样被预先损伤但仍能保持基本完整；当施加20-20 MPa围压时，在岩石试样表面观测到若干贯通张开裂纹并将岩石试样分割为3块，表明此时岩石试样被预先破裂并且不再保持完整。因此，当围压范围为0-0 MPa～12.5-12.5 MPa时(试验中对应0-0 MPa和10-10 MPa围压)，岩石试样保持完整，其强度不断升高，岩石处于强化效应阶段；当围压范围为12.5-12.5 MPa～16.25-16.25 MPa时(试验中对应15-15 MPa围压)，岩石试样仍然完整，但是围压会诱发其出现预先损伤，岩石处于损伤效应阶段；当围压范围为16.25-16.25 MPa～20-20 MPa时(试验中对应20-20 MPa围压)，岩石试样不再完整，并且围压会诱发其出现预先破裂，岩石处于破裂效应阶段。综上所述，围压对TBM滚刀破岩的整个影响阶段见图6。

图6 围压对TBM滚刀破岩的整个影响阶段

4 结论

本文针对重庆青砂岩试样采用不同的双向等围压条件进行全尺寸线性切削试验，经过分析得到以下结论：

(1)围压可显著影响TBM滚刀破岩力，并由此影响刀盘推力和扭矩的绝对数值及相对关系。

(2)对于相同围压条件下的重庆青砂岩，随着滚刀贯入度增加，滚刀法向力加速增加，滚动力线性增加，并且这种变化趋势并不受围压条件和岩石完整程度的影响。

(3)在相同的滚刀贯入度下，随着围压的增加，滚刀法向力、滚动力都首先出现一定程度的增加，然后在围压达到某些临界值之后迅速降低到很小的数值，曲线上的某些特殊点可以表征围压的临界值。对于高度受压的重庆青砂岩，TBM开挖在平均地应力为12.5 MPa时受到最强烈的抑制作用，在平均地应力为16.25 MPa前后从被抑制状态转化为被促进状态。

(4)围压对TBM滚刀破岩的影响可以划分为三个阶段，即强化效应阶段、损伤效应阶段和破裂效应阶段。第一个阶段，岩石保持完整，其强度因围压限制得到提高，滚刀法向力和滚动力不断增加并略高于无围压条件下的相应值，TBM滚刀破岩受到抑制；第二个阶段，岩石仍能保持完整但是围压会诱发其出现预先损伤，滚刀法向力和滚动力出现下降趋势但仍大于无围压条件下的相应值，TBM滚刀破岩仍然受到抑制；第三个阶段，岩石不再保持完整并且围压会诱发其出现预先破裂，滚刀法向力和滚动力迅速降低直至远小于无围压条件下的相应值，TBM滚刀破岩受到促进。