龔秋明， 周小雄， 殷麗君, 何冠文， 苗崇通

(北京工業(yè)大學(xué)城市防災(zāi)與減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

?

基于線性切割試驗(yàn)碴片分析的滾刀破巖效率研究

龔秋明， 周小雄*， 殷麗君, 何冠文， 苗崇通

(北京工業(yè)大學(xué)城市防災(zāi)與減災(zāi)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100124)

為了研究碴片形狀與TBM破巖效率之間的關(guān)系，應(yīng)用機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺(tái)對(duì)北山花崗巖進(jìn)行線性切割試驗(yàn)。通過對(duì)試驗(yàn)所形成的碴片進(jìn)行粗糙度指數(shù)、扁平度以及長軸分析，發(fā)現(xiàn)不同滾刀間距及貫入度下所形成的碴片有很好的規(guī)律。TBM破巖效率越高，所形成的碴片大巖塊的長軸更長，粗糙度指數(shù)更大，同時(shí)碴片也更加扁平。將粗糙度指數(shù)與比能進(jìn)行回歸分析，二者具有很好的線性關(guān)系。對(duì)于北山花崗巖，當(dāng)?shù)堕g距與貫入度的比值為40左右時(shí)，TBM破巖效率最高。因此，碴片分析對(duì)評(píng)價(jià)TBM的破巖效率和優(yōu)化施工具有重要意義。

TBM； 碴片； 破巖效率； 滾刀破巖試驗(yàn)； 線性切割試驗(yàn)

0 引言

巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)技術(shù)自20世紀(jì)50年代中期進(jìn)行工業(yè)化生產(chǎn)以來，由于其施工環(huán)境友好、施工進(jìn)度快、對(duì)圍巖的影響小以及長隧道施工的經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用到各國的地下工程建設(shè)中[1]。TBM開挖隧道的關(guān)鍵問題是滾刀破巖效率，而碴片的形狀對(duì)TBM的破巖效率有著直觀的反映。國內(nèi)外學(xué)者通過室內(nèi)切割試驗(yàn)和現(xiàn)場掘進(jìn)試驗(yàn)，對(duì)巖石碴片與破巖效率的關(guān)系展開了大量的研究。

目前，大量學(xué)者通過碴片體積計(jì)算比能，從能量的角度評(píng)價(jià)TBM的破巖效率[2-5]，而對(duì)碴片的形狀以及粒徑的分布研究得較少。F. F. Roxborough等[6]在巖石碴片累計(jì)曲線的基礎(chǔ)上提出了粗糙度指數(shù)，粗糙度指數(shù)可以反映破巖效率，大巖片比例越大，粗糙度指數(shù)越大，從而破巖效率越高； 周振國[7]對(duì)秦嶺隧道進(jìn)行巖碴觀測(cè)，研究了碴片形狀與地質(zhì)條件的關(guān)系，并根據(jù)不同的巖碴?duì)顟B(tài)提出相應(yīng)的施工建議； 陳文莉等[8]和宋克志等[9]利用理論分布函數(shù)研究巖碴的粒徑分布曲線，分別研究了粒徑的不同分布狀態(tài)與破巖方式和運(yùn)行參數(shù)的關(guān)系； 文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]采用現(xiàn)場掘進(jìn)試驗(yàn)，通過巖石碴片篩分和大尺寸巖片形狀的分析，評(píng)價(jià)了不同掘進(jìn)參數(shù)下的TBM破巖效率。上述研究都是對(duì)工程實(shí)例中獲得的碴片進(jìn)行分析，而沒有考慮刀盤設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)碴片形狀和粒徑分布的影響。

本文采用北京工業(yè)大學(xué)自主研制的大型機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺(tái)，選用甘肅北山花崗巖大尺寸巖樣，進(jìn)行TBM滾刀線性切割試驗(yàn)，設(shè)計(jì)多種不同的刀間距與貫入度組合工況，通過對(duì)多種不同試驗(yàn)工況下的碴片收集分析，研究碴片的形狀和尺寸與其破巖效率之間的關(guān)系。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺(tái)介紹

北京工業(yè)大學(xué)機(jī)械破巖平臺(tái)是在線性試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，除具備線性試驗(yàn)機(jī)的所有功能外，還增加了雙刀破巖、圍壓試驗(yàn)、旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)等功能。機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺(tái)整體模型如圖1所示，詳細(xì)介紹可參考文獻(xiàn)[12]。

圖1 機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺(tái)整體模型

1.2 滾刀破巖試驗(yàn)步驟

通過對(duì)北山花崗巖進(jìn)行滾刀線性切割試驗(yàn)，已經(jīng)研究了不同刀間距對(duì)破巖效率的影響[13]和不同貫入度對(duì)滾刀破巖效率的影響[14]。本文主要在前人研究的基礎(chǔ)上，分析不同刀間距和貫入度條件下的碴片與破巖效率間的關(guān)系。文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]已經(jīng)對(duì)試驗(yàn)設(shè)計(jì)及步驟進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，本文著重介紹碴片收集及處理。

本次線性切割試驗(yàn)選用的北山花崗巖長×寬×高為1 000 mm×1 000 mm×600 mm，試樣如圖2所示，其基本物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。共設(shè)計(jì)了5個(gè)不同的刀間距和7個(gè)級(jí)別的貫入度，每個(gè)刀間距和貫入度的組合為一組試驗(yàn)工況，如表2所示。每塊巖樣只做一個(gè)刀間距，在同一刀間距下，貫入度的施加按照從小到大的順序，從0.5 mm開始，逐級(jí)增大到3.5 mm，每個(gè)貫入度需要做4～6層的切割，直到數(shù)據(jù)有重復(fù)規(guī)律為止，以檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的正確性。在每層切割結(jié)束后，清掃并收集每層切割所產(chǎn)生的巖粉和巖片，按照刀間距和貫入度以及層數(shù)進(jìn)行編號(hào)。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)每組工況所獲得的巖石碴片進(jìn)行篩分，并從中挑選出25塊具有代表性的巖片，通過卡尺量取其長軸、短軸和厚度，并進(jìn)行扁平度分析。

圖2 北山花崗巖試樣

天然密度/(g/cm3)彈性模量/GPa泊松比抗壓強(qiáng)度/MPa抗拉強(qiáng)度/MPa縱波波速/(m/s)2．6023．020．188105．66．43345．72

表2 滾刀破巖試驗(yàn)的設(shè)計(jì)參數(shù)

2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及分析

本試驗(yàn)對(duì)不同刀間距和貫入度下的碴片進(jìn)行了篩分試驗(yàn)，以獲取每組碴片的粗糙度指數(shù)，每組挑選了25塊典型的大巖片進(jìn)行長軸計(jì)算和扁平度分析。

2.1 粗糙度指數(shù)

粗糙度指數(shù)由篩分試驗(yàn)結(jié)果對(duì)巖片進(jìn)行篩分后，得到各個(gè)篩網(wǎng)的累計(jì)篩余率，再將各個(gè)篩網(wǎng)的累計(jì)篩余率相加得到。具體表達(dá)形式為：

(1)

CI=∑Xi。

(2)

式(1)和式(2)中： Wi為大于某粒徑的巖片總質(zhì)量； W總為整個(gè)碴片的總質(zhì)量； Xi為某粒徑的累計(jì)篩余率；CI為粗糙度指數(shù)。

當(dāng)破巖效率高時(shí)，產(chǎn)生的巖片較多，巖粉較少，此時(shí)粗糙度指數(shù)會(huì)較大。相反，當(dāng)破巖效率低時(shí)，產(chǎn)生的巖片較少，而巖粉會(huì)較多，此時(shí)的粗糙度指數(shù)會(huì)較小。本試驗(yàn)共選取了7個(gè)篩分孔徑，分別為50、31.5、20、10、5、2.5、0.68mm。

2.2 長軸及扁平度

巖片的形狀如圖3所示。一般來講，篩分試驗(yàn)得到的是巖片中軸大小的質(zhì)量分布曲線，而長軸的測(cè)量曲線能反映巖片塊度的大小。長軸的尺寸越大，巖片越大，破巖效率越高。而扁平度分析則從形狀比例上評(píng)價(jià)巖片，根據(jù)巖片中軸和長軸的比例與短軸和中軸的比例大小，把巖片形狀分為4種，即形狀較平的巖片、形狀既長又平的巖片、形狀較長的巖片和形狀近似于立方體的巖片，如圖4所示。對(duì)于滾刀作用產(chǎn)生的巖片，巖片更接近于又長又平時(shí)，巖片的形狀最好，此時(shí)的破巖效率更高。本試驗(yàn)中，在每個(gè)工況所收集的碴片中，挑選出25塊具有代表性的巖片，并通過游標(biāo)卡尺測(cè)量每塊巖片的長軸、中軸、短軸尺寸。

a為最長軸； b為中軸； c為短軸。

圖3 巖片三軸形狀尺寸[15]

Fig. 3Sizeofrockchip[15]

圖4 巖片形狀的分類

2.3 粗糙度指數(shù)分析

通過測(cè)定得到粗糙度指數(shù)，按照每個(gè)刀間距繪制粗糙度指數(shù)隨貫入度的變化曲線，如圖5所示。

圖5 不同刀間距的粗糙度指數(shù)和貫入度關(guān)系

Fig. 5Coarsenessindexesvs.penetrationrateofcutterswithdifferentspacings

由圖5可知，對(duì)于各個(gè)刀間距，都有粗糙度指數(shù)隨貫入度的增大呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，而粗糙度指數(shù)最大時(shí)，一般會(huì)有最大的破巖效率。在貫入度較小時(shí)，滾刀的傾入作用主要是在滾刀正下方形成壓碎區(qū)，此時(shí)產(chǎn)生的巖粉比例較高，不能進(jìn)一步形成裂紋，無法形成大量巖片，粗糙度指數(shù)會(huì)很小，破巖效率降低。隨著貫入度的增大，破碎區(qū)逐漸擴(kuò)大，裂紋發(fā)展的越多，巖片形成較多，粗糙度指數(shù)逐漸增大，破巖效率逐漸增高。而貫入度太大，滾刀與巖石的強(qiáng)烈作用反而使一部分能量形成大量的巖粉，此時(shí)的粗糙度指數(shù)又會(huì)較小，破巖效率降低。對(duì)于北山花崗巖，如刀間距為60 mm和70 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)粗糙度指數(shù)最高、破巖效率最高的貫入度為2.0 mm 左右； 刀間距為80 mm 時(shí)，對(duì)應(yīng)粗糙度指數(shù)最高、破巖效率最高的貫入度為2.5 mm左右； 刀間距為90 mm和100 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)粗糙度指數(shù)最高、破巖效率最高的貫入度為3.0 mm左右。

另外，從圖5中可得，在貫入度較小時(shí)，粗糙度指數(shù)是隨著刀間距增大而減小的，在貫入度較大時(shí)，粗糙度指數(shù)是隨著刀間距的增大而增大，說明粗糙度指數(shù)是受刀間距和貫入度共同影響的。因此，將粗糙度指數(shù)和刀間距與貫入度的比值作回歸分析，如圖6所示。

圖6 刀間距與貫入度的比值和粗糙度指數(shù)的關(guān)系

Fig. 6 Coarseness indexes vs. ratios between spacing of cutters and penetration rates

由圖6可知，粗糙度指數(shù)隨刀間距與貫入度的比值呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)。對(duì)于北山花崗巖而言，當(dāng)?shù)堕g距與貫入度的比值為30～40時(shí)，粗糙度指數(shù)達(dá)到最大，此時(shí)破巖效率最高。

2.4 碴片長軸、扁平度分析

統(tǒng)計(jì)5組刀間距下破巖產(chǎn)生的巖片長軸分布和三軸形狀變化，如圖7—11所示，其中，三軸變化圖的中心點(diǎn)為平均值，十字線的長度代表標(biāo)準(zhǔn)差的數(shù)值。

當(dāng)?shù)堕g距為60 mm時(shí)，如圖7所示，由巖片統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，貫入度由0.5 mm增大到2.0 mm的過程中，巖片長軸的長度在增大，形狀朝著既長又平的方向發(fā)展，直到貫入度達(dá)到2.0 mm時(shí)，巖片長軸長度最大，形狀最好；當(dāng)貫入度繼續(xù)增大時(shí)，巖片的長軸長度開始下降，巖片變得更加破碎，從而反映了破巖消耗的能量增加，破巖效率降低。因此，當(dāng)?shù)堕g距為60 mm時(shí)，貫入度為2.0 mm是破巖效率的臨界點(diǎn)。

同理，由圖8—11可知： 當(dāng)?shù)堕g距為70 mm 時(shí)，貫入度為2.0 mm是破巖效率的臨界點(diǎn)； 當(dāng)?shù)堕g距為80 mm時(shí)，貫入度為2.5 mm是破巖效率的臨界點(diǎn)； 當(dāng)?shù)堕g距為90 mm和100 mm時(shí)，貫入度為3.0 mm是破巖效率的臨界點(diǎn)。巖片形狀結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析，從側(cè)面可以反映破巖效率的高低，這與粗糙度指數(shù)的計(jì)算結(jié)果也是相符的。

(a) 刀間距為60 mm的長軸分布圖

(b) 刀間距為60 mm時(shí)巖片形狀分布

(a) 刀間距為70 mm的長軸分布圖

(b) 刀間距為70 mm時(shí)巖片形狀分布

(a) 刀間距為80 mm的長軸分布圖

(b) 刀間距為80 mm時(shí)巖片形狀分布

(a) 刀間距為90 mm的長軸分布圖

(b) 刀間距為90 mm時(shí)巖片形狀分布

(a) 刀間距為100 mm的長軸分布圖

(b) 刀間距為100 mm時(shí)巖片形狀分布

3 與其他破巖效率指標(biāo)的比較

比能是從能量角度評(píng)價(jià)破巖效率的一個(gè)重要指標(biāo)，即切削單位體積巖石所做的功[16]，比能越小表示破碎巖石所消耗的能量越小，破巖效率越高。比能的計(jì)算公式為

(3)

式中：SE為比能，MJ/m3； FR為平均滾動(dòng)力，kN； l為滾刀切割巖石的切割長度，mm； V為破巖試驗(yàn)產(chǎn)生巖片的體積，計(jì)算時(shí)用巖片的質(zhì)量除以巖石的密度，m3。

文獻(xiàn)[13]分別計(jì)算了每個(gè)刀間距與貫入度下的比能值，并從比能的角度分析了破巖效率。對(duì)于北山花崗巖而言，當(dāng)?shù)堕g距與貫入度的比值為30左右時(shí)，比能的值最小，此時(shí)破巖效率最高，這與本文通過碴片分析所得到的結(jié)果基本是一致的。

粗糙度指數(shù)和比能都能反映破巖效率，通過對(duì)35組工況下的比能和粗糙度指數(shù)進(jìn)行回歸分析，得到二者之間基本呈現(xiàn)出很好的線性關(guān)系，如圖12所示，粗糙度指數(shù)越大對(duì)應(yīng)的比能會(huì)越小。因此，在實(shí)際的施工現(xiàn)場無法計(jì)算比能的時(shí)候，通過分析碴片尺寸及形狀來判斷破巖效率是一種可行的方法。

圖12 粗糙度指數(shù)與比能的關(guān)系

Fig. 12Relationshipbetweenspecificenergyandcoarsenessindex

4 結(jié)論與討論

本文應(yīng)用機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)43.18cm(17英寸)盤形滾刀線性切割的北山花崗巖碴片展開了研究分析。通過碴片的粗糙度指數(shù)、長軸和扁平度分析，發(fā)現(xiàn)它們之間在不同工況下呈現(xiàn)出很好的規(guī)律，可以較好地評(píng)價(jià)TBM的破巖效率。

1) 對(duì)于不同刀間距，巖片粗糙度指數(shù)隨貫入度的增大先增大再減小，當(dāng)粗糙度指數(shù)最大時(shí)，達(dá)到最大破巖效率。對(duì)于北山花崗巖，刀間距為60mm和70mm時(shí)的最佳貫入度為2.0mm，刀間距為80mm時(shí)的最佳貫入度為2.5mm，刀間距為90mm和100mm時(shí)的最佳貫入度為3.0mm。通過將粗糙度指數(shù)和刀間距與貫入度比值進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)堕g距與貫入度的比值在30～40時(shí)，粗糙度指數(shù)達(dá)到最大，破巖效率最高。該結(jié)論可為北山花崗巖TBM開挖的刀盤設(shè)計(jì)提供參考。

2) 對(duì)典型大巖片的長軸以及扁平度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在長軸最大處其巖片形狀比例最好，破巖效率也最高，其結(jié)論與通過粗糙度指數(shù)分析的結(jié)果基本一致。

3) 通過將本文的碴片分析粗糙度指數(shù)與文獻(xiàn)[13]中的比能進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn)二者之間的線性關(guān)系很明顯，驗(yàn)證了使用碴片分析來評(píng)價(jià)破巖效率是可行的。實(shí)際工程中，可以借助碴片分析的方法來評(píng)價(jià)施工效率。

本文的線性切割試驗(yàn)是在無圍壓的條件下進(jìn)行的，而實(shí)際的TBM施工中都會(huì)存在不同條件的地應(yīng)力。同時(shí)，實(shí)際的巖體條件包含節(jié)理裂隙。圍壓和節(jié)理會(huì)對(duì)碴片的形狀造成不同程度的影響，因此，在今后的研究中需要考慮圍壓和地質(zhì)巖體條件對(duì)碴片形狀的影響。

[1]SnowdonRA,RyleyMD,TemporalJ.Astudyofdisccuttinginselectedbritishrocks[J].InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences&GeomechanicsAbstracts, 1982, 19(3): 107-121.

[2]ChangSH,ChoiSW,BaeGJ,etal.PerformancepredictionofTBMdisccuttingongraniticrockbythelinearcuttingtest[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology, 2006, 21(3-4): 271-271.

[3]BalciC,TumacD.InvestigationintotheeffectsofdifferentrocksonrockcuttabilitybyaV-typedisccutter[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology, 2012, 30(4): 183-193.

[4]ChoJW,JeonS,JeongHY,etal.EvaluationofcuttingefficiencyduringTBMdisccutterexcavationwithinaKoreangraniticrockusinglinear-cutting-machinetestingandphotogrammetricmeasurement[J].TunnellingandUndergroundSpaceTechnology, 2013, 35(4): 37-54.

[5] 王述紅, 王存根, 趙賀興, 等. 基于巖石破碎體積的滾刀效率評(píng)估模型[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 37(4): 554-557. (WANGShuhong,WANGCungen,ZHAOHexing,etal.Cutterefficiencyassessmentmodelbasedonbrokenrockvolume[J].JournalofNortheasternUniversity(NaturalScience), 2016, 37(4): 554-557. (inChinese))

[6]RoxboroughFF,RispinA.Themechanicalcuttingcharacteristicsofthelowerchalk[J].Tunnels, 1973(5): 45-67.

[7] 周振國. 巖碴觀測(cè)對(duì)硬巖TBM施工的指導(dǎo)意義[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2002, 39(3): 13-16.(ZHOUZhenguo.SignificanceofrockdebrisobservationtoTBMconstructioninhardrock[J].ModernTunnellingTechnology, 2002, 39(3): 13-16.(inChinese))

[8] 陳文莉, 福井勝則, 大久保誠介. 關(guān)于掘進(jìn)機(jī)械破碎巖片的研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2003, 22(6): 1037-1043.(CHENWenli,FukuiKatsunori,OkuboSeisuke.Studyofthedetritusfromdifferentexcavationmachinesandmethods[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering, 2003, 22(6): 1037-1043.(inChinese))

[9] 宋克志, 季立光, 袁大軍, 等. 盤形滾刀切割巖碴粒徑分布規(guī)律研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2008,27(增刊1): 3016-3022.(SONGKezhi,JILiguang,YUANDajun,etal.Researchondistributionregularitiesofgrainsizeofrockdetritusfromdiscoidcutters[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering, 2008, 27(S1): 3016-3022. (inChinese))

[10] GONG Q M, ZHAO J, JIANG Y S. In situ TBM penetration tests and rock mass boreability analysis in hard rock tunnels[J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2007, 22(3): 303-316.

[11] 龔秋明, 佘祺銳, 侯哲生, 等. 高地應(yīng)力作用下大理巖巖體的TBM掘進(jìn)試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2010, 29(12): 2522-2532. (GONG Qiuming, SHE Qirui, HOU Zhesheng, et al. Experimental study of TBM penetration in marble rock mass under high geostress[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2010, 29(12): 2522-2532.(in Chinese))

[12] 龔秋明, 李真, 王起新. 機(jī)械破巖試驗(yàn)平臺(tái): CN203231929U[P]. 2013-10-09. (GONG Qiuming, LI Zhen, WANG Qixin. Mechanical rock breaking test platform： CN203231929U[P]. 2013-10-09. (in Chinese))

[13] 龔秋明, 何冠文, 趙曉豹, 等. 掘進(jìn)機(jī)刀盤滾刀間距對(duì)北山花崗巖破巖效率的影響實(shí)驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2015(1): 54-60. (GONG Qiuming, HE Guanwen, ZHAO Xiaobao, et al. Influence of different cutter spacings on rock fragmentation efficiency of Beishan granite by TBM[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2015(1): 54-60. (in Chinese))

[14] 龔秋明, 何冠文, 趙曉豹, 等. 不同貫入度對(duì)掘進(jìn)機(jī)滾刀破巖效率的影響[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2016, 53(1): 62-68. (GONG Qiuming, HE Guanwen, ZHAO Xiaobao, et al. Influence of penetration on the rock-breaking efficiency of a TBM cutter[J]. Modern Tunnelling Technology, 2016, 53(1): 62-68. (in Chinese))

[15] Blindheim O T, Bruland A. Boreability testing of Norwegian TBM tunneling: 30 years of experience with TBMs in Norwegian tunnelling[J]. Norwegian Soil and Rock Engineering Association, 1998(11): 29-34.

[16] Teale R. The concept of specific energy in rock drilling[J]. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1965, 2(1): 57-73.

Study of Rock Breaking Efficiency of TBM Disc Cutter Basedon Chips Analysis of Linear Cutting Test

GONG Qiuming, ZHOU Xiaoxiong*, YIN Lijun, HE Guanwen, MIAO Chongtong

(KeyLaboratoryofUrbanSecurityandDisasterEngineeringofMinistryofEducation,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

In order to study the relationship between rock breaking efficiency of TBM and the shapes of rock chips, the linear cutting test is carried out on Beishan granite by mechanical rock breaking test platform. The analytical results of coarseness index, flatness and long axis of rock chips show that the shapes of rock chips can reflect the rock breaking efficiency of TBM. The higher the rock breaking efficiency of TBM is, the longer the long axis of rock clip is, the larger the coarseness index of rock clip is and the flatter the rock clip is. The coarseness index and specific energy show linear relationship by regression analysis. The rock breaking efficiency of TBM reaches the highest when the ratio between spacing of cutters and penetration rate is 40. The results show that the analysis of rock chips is very important for evaluation of rock breaking efficiency of TBM and construction optimization.

TBM; rock chip; rock breaking efficiency; rock breaking test by disc cutter; linear cutting test

2016-09-21;

2017-01-02

國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)項(xiàng)目(2014CB046900)； 國家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目(51508010)

龔秋明(1969—)，男，湖南安化人，2005年畢業(yè)于新加坡南洋理工大學(xué)(NTU)，巖土工程專業(yè)，博士，教授，主要從事掘進(jìn)機(jī)、盾構(gòu)隧道開挖，巖土工程監(jiān)測(cè)，邊坡穩(wěn)定性分析，巖土工程勘察及評(píng)價(jià)工作。E-mail： gongqiuming@bjut.edu.cn。*通訊作者： 周小雄， E-mail: zhou_xiaoxiong@foxmail.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.016

U 455.3

A

1672-741X(2017)03-0363-06