祝貴祥，賀力克，譚青,3，姚之威，張逸超

(1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410083；2.湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙410208；3.中南大學(xué) 高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410083)

隨著我國(guó)地下空間隧道建設(shè)的高速發(fā)展，全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(TBM)以其掘進(jìn)高效率、高可靠性等諸多優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于地下隧道開(kāi)挖，而盤(pán)形滾刀作為刀盤(pán)的重要組成，在工作過(guò)程中不僅破巖量大，而且破碎速度快，直接影響著掘進(jìn)工程的效率和開(kāi)挖面的穩(wěn)定[1-3]。由于TBM 工作環(huán)境極其惡劣，經(jīng)常會(huì)受到復(fù)雜地質(zhì)條件如高地應(yīng)力、高水壓和溫度引起的熱應(yīng)力等因素的影響，巖石表現(xiàn)出截然不同的物理力學(xué)特性，進(jìn)而造成盤(pán)形滾刀磨損量大、破巖效率低、隧道穩(wěn)定性差等施工問(wèn)題[4]。張桂菊等[5]研究在巖石溫度變化條件下盤(pán)形滾刀掘進(jìn)參數(shù)對(duì)破巖特性的影響，發(fā)現(xiàn)巖石溫度升高，不僅降低了巖石硬度、強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)，而且能增強(qiáng)滾刀之間的協(xié)同作用，提高破巖效率；徐孜軍等[6-7]研究雙切刀順次作用下的破巖機(jī)制，研究表明切刀順次作用時(shí)前切削刀具刮過(guò)的巖面留下了大量殘余裂紋，造成了后續(xù)刀具切削水平力的減小和巖土的易切削性，并利用離散元法研究盾構(gòu)切刀作用下巖石的動(dòng)態(tài)響應(yīng)機(jī)制；張春會(huì)等[8]開(kāi)展砂巖不用圍壓和飽水度下的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，研究表明砂巖模量隨著圍壓增加而增加，隨著飽水度增加而降低，且砂巖強(qiáng)度與飽水度有近似自然對(duì)數(shù)的數(shù)學(xué)關(guān)系；盧應(yīng)發(fā)等[9]對(duì)大孔隙率砂巖在不同飽和液體情況下的力學(xué)特性進(jìn)行試驗(yàn)研究，試驗(yàn)結(jié)果表明大孔隙率砂巖存在臨界圍壓和臨界飽和度，超過(guò)此臨界值，砂巖的破壞形式和力學(xué)特性將發(fā)生較大的改變；譚青等[10]研究盤(pán)形滾刀切削不同類型飽水硬巖和軟巖的破巖特性，試驗(yàn)表明飽水后巖石破碎塊度增大，硬巖破碎量下降軟巖破碎量增加，而飽水后硬巖破碎的比能耗下降明顯，軟巖破碎比能耗則上升；夏冬等[11]為研究不同浸水時(shí)間飽水巖石損傷破壞過(guò)程中的力學(xué)特性，對(duì)天然及不同浸水時(shí)間的飽水閃長(zhǎng)巖進(jìn)行單軸壓縮力學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果表明飽水巖石的單軸抗壓強(qiáng)度和彈性模量隨浸水時(shí)間的增加呈指數(shù)的變化規(guī)律逐漸減小，浸水60 d 后其值均趨于穩(wěn)定。上述的研究成果表明，除了掘進(jìn)參數(shù)和地質(zhì)因素會(huì)影響滾刀的破巖特性之外，地下水也是影響地下工程巖體穩(wěn)定性的重要因素之一[12-13]。富水地層是隧道開(kāi)挖過(guò)程中常見(jiàn)的不良地質(zhì)，常見(jiàn)于過(guò)江跨海隧道或地下暗河等地層，該地層巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖含水量高且長(zhǎng)時(shí)間受水浸泡，巖性較復(fù)雜，其物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，這種刀-巖-水相互作用的關(guān)系，極大地影響了巖石的強(qiáng)度、特性以及TBM盤(pán)形滾刀破巖特性[14-16]。因此，研究巖石飽水對(duì)盤(pán)形滾刀切削性能的影響，對(duì)重大工程的設(shè)計(jì)與實(shí)踐具有重要意義。本文以砂巖為研究對(duì)象，開(kāi)展干燥與飽水條件下的滾刀直線切削實(shí)驗(yàn)，分析滾刀破巖切削參數(shù)與三向力的關(guān)系以及比能耗特性，對(duì)隧道掘進(jìn)或巖石開(kāi)采等具有一定的工程意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)采用的是滾刀直線切削破巖多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)，如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要由控制臺(tái)、液壓系統(tǒng)、測(cè)試采集系統(tǒng)和滾刀破巖工作臺(tái)組成，實(shí)驗(yàn)臺(tái)整個(gè)動(dòng)作系統(tǒng)由液壓系統(tǒng)提供。垂直方向上，安裝在活動(dòng)橫梁下的盤(pán)形滾刀在垂直油缸的作用下可以實(shí)現(xiàn)上下直線運(yùn)動(dòng)，且活動(dòng)橫梁的四周加有4 根螺桿，能夠?qū)崿F(xiàn)活動(dòng)橫梁的機(jī)械鎖死功能，從而保證滾刀切削過(guò)程其切削深度恒定不變。橫向方向上，可以利用橫向油缸的作用實(shí)現(xiàn)巖石料倉(cāng)橫向移動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)不同刀間距下滾刀切削破巖實(shí)驗(yàn)。滾刀移動(dòng)速度和巖石所受載荷可以通過(guò)控制液壓系統(tǒng)油壓或流量大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。

實(shí)驗(yàn)中使用的應(yīng)變式三向力傳感器靈敏度大于1.0 mV/V，垂直方向的最大量程為120 kN，側(cè)向和水平的最大量程為60 kN。直線切削實(shí)驗(yàn)采用實(shí)際工程中使用的17 寸常截面滾刀，固定安裝在自制的刀架上。圖2所示為滾刀所受三向力的示意圖。

圖1 滾刀直線切削多功能實(shí)驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Multifunctional TBM cutter performance test bench with disc cutter

圖2 滾刀受力示意圖Fig.2 Forces acting on the disc cutter

1.2 試樣準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)選用具有較高強(qiáng)度、吸水能力和較高孔隙率的紅砂巖作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，尺寸為900 mm×400 mm×270 mm，置于鋼制的巖石料倉(cāng)中并填充混凝土固定，這樣不但可以防止巖石試樣在切削過(guò)程中發(fā)生較大規(guī)模的開(kāi)裂，減少邊緣效應(yīng)，還可以模擬地下巖層，使巖石有了一定的被動(dòng)圍壓。

將巖石試樣分為飽水組和干燥組，分別進(jìn)行切削實(shí)驗(yàn)。飽水組巖石試樣的飽水過(guò)程借鑒文獻(xiàn)[17]對(duì)大型巖石樣本的逐步飽水法，該方法主要依靠高滲透性巖石的毛細(xì)吸水能力，能夠?qū)r石試樣內(nèi)部干燥區(qū)域的孔隙氣體逐步驅(qū)趕出來(lái)，具有更好的飽水效果。砂巖主要物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)材料物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of rock sample

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

直線切削實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)3 種切削參數(shù)的運(yùn)動(dòng)控制，分別是刀間距、貫入度和切削速度?？紤]到實(shí)驗(yàn)所用滾刀具有較大的尺寸，因此本次實(shí)驗(yàn)選取較大的貫入度和刀間距作為實(shí)驗(yàn)參數(shù)，切削速度為40 mm/s。實(shí)驗(yàn)組分為飽水組和干燥組，具體的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2和表3所示。

表2 滾刀切削干燥組砂巖切削參數(shù)Table 2 Cutting parameters under dry condition

表3 滾刀切削飽水組砂巖切削參數(shù)Table 3 Cutting parameters under saturate condition

上述參數(shù)的選取原則是為了便于利用刀間距/貫入度(S/P)分析最優(yōu)的刀間距和貫入度組合；同時(shí)，對(duì)飽水組還選取了144 mm 和216 mm 這些較大的刀間距，以便更好地分析巖石飽水對(duì)破巖特性的影響。

試樣準(zhǔn)備完畢并置于巖石料倉(cāng)中固定并保持水平，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)將滾刀調(diào)節(jié)至最低點(diǎn)與巖石上表面恰好接觸，在此基礎(chǔ)上向下移動(dòng)滾刀至特定的貫入度位置，鎖緊活動(dòng)橫梁螺母保證貫入度恒定。之后對(duì)選定的切削參數(shù)組合實(shí)驗(yàn)組進(jìn)行切削道設(shè)計(jì)，包括切削道數(shù)量、位置和長(zhǎng)度，每個(gè)實(shí)驗(yàn)組按照貫入度和刀間距從小到大的順序?qū)嶒?yàn)。開(kāi)展實(shí)驗(yàn)時(shí)，在每條切削道的起點(diǎn)開(kāi)始采集刀架應(yīng)變(三向力)，每個(gè)實(shí)驗(yàn)組切削完成后，對(duì)巖石破碎塊進(jìn)行收集，之后稱重。重復(fù)以上步驟，直至所有實(shí)驗(yàn)組完成。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 切削參數(shù)對(duì)切削載荷的影響

通過(guò)控制不同的刀間距、貫入度組合，并記錄滾刀切削巖石過(guò)程中的垂直力、滾動(dòng)力和側(cè)向力，得到砂巖在干燥和飽水2 種條件下刀間距與三向力的關(guān)系，為了得到在不同切削參數(shù)下切削載荷的變化趨勢(shì)，對(duì)數(shù)據(jù)采用線性擬合的方法，圖中每一橫坐標(biāo)下有不同的數(shù)據(jù)點(diǎn)，分別代表不同的切削參數(shù)組合，如圖3所示，其中F為切削力，S為刀間距。圖3(a)，3(b)和3(c)分別為垂直力、滾動(dòng)力、側(cè)向力與刀間距的關(guān)系。從圖中可以看出，隨著刀間距的增大，垂直力和滾動(dòng)力逐漸增大，而側(cè)向力具有較大的離散性，沒(méi)有明顯的規(guī)律。由滾刀破巖理論可知，無(wú)論對(duì)于干燥還是飽水巖石，刀間距的增加均會(huì)減弱相鄰切削的協(xié)同作用，巖石會(huì)由過(guò)度破碎向裂紋無(wú)法貫通的方向發(fā)展，因此導(dǎo)致破巖載荷變大，滾動(dòng)力和垂直力上升。并且對(duì)于飽水巖石來(lái)說(shuō)，刀間距對(duì)垂直力的影響要比切削干燥巖石更為突出。

觀察干燥和飽水條件下三向力的變化可以發(fā)現(xiàn)，巖石飽水后滾刀破巖的垂直力和側(cè)向力均小于干燥條件下的垂直力和側(cè)向力，在刀間距相同的情況下二者分別下降20%～35%和8%～33%，這說(shuō)明飽水會(huì)對(duì)巖石的強(qiáng)度產(chǎn)生一定的弱化作用，使得滾刀的破巖載荷降低，這與巖石力學(xué)測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)論相符。

圖3 刀間距與三向力的關(guān)系Fig.3 Relationship between cutter spacing and force

分析干燥和飽水條件下滾刀貫入度與三向力的關(guān)系，如圖4所示，F(xiàn)為切削力，P為貫入度。圖3(a)，3(b)和3(c)分別為垂直力、滾動(dòng)力、側(cè)向力與貫入度的關(guān)系。

從圖中可以看出，三向力均隨著貫入度的增加而增加，且飽水條件下的三向力小于干燥條件下的三向力。其中，隨著貫入度的增加，垂直力和滾動(dòng)力增加較為明顯，P=9 mm 時(shí)相比P=3 mm 時(shí)干燥組垂直力增加60%，飽水組增加50%；滾動(dòng)力均增加約200%；干燥組和飽水組的側(cè)向力均有增加，但是變化不大。與刀間距分析中一樣，飽水組和干燥組的垂直力差距較大，在刀間距相同的情況下，飽水后垂直力下降25%～33%，滾動(dòng)力差別較小。

圖4 貫入度與三向力的關(guān)系Fig.4 Relationship between penetration and force

2.2 切削參數(shù)對(duì)切削系數(shù)的影響

切削系數(shù)，即CC(cutting coefficient)，表征為滾動(dòng)力與垂直力之比[18]，如下式所示：

式中，F(xiàn)R為滾動(dòng)力；FN為垂直力。它反應(yīng)了某一刀盤(pán)推力下大致需要的刀盤(pán)扭矩。CC 值越大，表示推力相同時(shí)需要的扭矩越大。

在2.1 節(jié)對(duì)切削參數(shù)與三向力的分析中可以發(fā)現(xiàn)，巖石飽水前后滾刀切削巖石的垂直力、滾動(dòng)力變化幅度不盡相同。每種巖石有其特定的切削系數(shù)，由此可以預(yù)估掘進(jìn)設(shè)備特定推進(jìn)力下所需的刀盤(pán)扭矩。圖5(a)和5(b)分別為巖石干燥和飽水條件下切削系數(shù)與刀間距和貫入度的關(guān)系。

圖5 切削參數(shù)與切削系數(shù)的關(guān)系Fig.5 Relationship between cutting parameters and coefficient

從圖中可以看出，隨著刀間距與貫入度的增加，干燥和飽水條件下的巖石切削系數(shù)均相應(yīng)增加。這是因?yàn)?，隨著刀間距和貫入度的增加，滾動(dòng)力的增長(zhǎng)速度大于垂直力的增長(zhǎng)速度，由圖3和圖4便可得知。但區(qū)別在于圖5(a)中干燥與飽水條件下的CC 值差值要大于圖5(b)，這表明CC 值對(duì)刀間距變化的敏感程度要高于貫入度。

2.3 切削參數(shù)對(duì)比能耗的影響

滾刀切削巖石的刀間距和貫入度是一組重要的掘進(jìn)參數(shù)，從直線破巖實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同的刀間距貫入度組合下，滾刀的破巖載荷發(fā)生的變化較大，且具有一定的規(guī)律性，且不同的刀間距貫入度組合下巖石的破碎量也不同。根據(jù)滾刀不同的切削模式(協(xié)同模式和非協(xié)同模式)，當(dāng)?shù)堕g距較小(協(xié)同作用較強(qiáng))時(shí)，裂紋能相互貫通，并向巖石內(nèi)部擴(kuò)展，造成過(guò)度破碎，如圖6(a)所示；當(dāng)?shù)堕g距向最優(yōu)刀間距接近時(shí)，裂紋將基本沿直線擴(kuò)展并與相鄰裂紋交匯，巖石恰好破碎，如圖6(b)所示；當(dāng)?shù)堕g距進(jìn)一步增大，裂紋只能向自由面擴(kuò)展，在開(kāi)挖面形成突起的巖脊，如圖6(c)所示，此時(shí)滾刀處于非協(xié)同切削模式。因此，研究破碎單位體積巖石消耗的破碎能耗對(duì)選擇最優(yōu)的刀間距貫入度組合(S/P)以及對(duì)切削效率的提高有重要的意義。

圖6 滾刀破巖模式Fig.6 Diagram of three cutting models

通過(guò)三向力測(cè)試結(jié)果，可以進(jìn)一步計(jì)算出滾刀切削干燥和飽水巖石的比能耗。Gertsch 等[19]提出比能耗的概念，比能耗(SE)是指破碎單位體積巖石所消耗的能量，消耗能量越少，其破巖效率就越高。根據(jù)實(shí)際切削的破巖量可以計(jì)算出實(shí)際破巖比能耗(SEA)，計(jì)算公式如下：

式中：FR為滾動(dòng)力平均值，kN；L為切削長(zhǎng)度，mm；ρ為巖石密度，g/m3；m為實(shí)際破巖質(zhì)量，g。

此外，根據(jù)特定的貫入度P和刀間距S，由理論破巖體積定義計(jì)算的名義比能耗(SEN)公式如下：

圖7為干燥組和飽水組在不同刀間距、貫入度組合下的實(shí)際比能耗(SEA)和理論比能耗(SEN)。從圖中可以看出，對(duì)于干燥組和飽水組，實(shí)際比能耗隨著S/P的增大先降低后升高，存在最優(yōu)的刀間距、貫入度組合使得比能耗最低。這是由于S/P較小時(shí)，刀具間的協(xié)同作用較大，巖石產(chǎn)生了過(guò)度的破碎，消耗了更多的能量；隨著S/P的增大，相鄰切削產(chǎn)生的側(cè)向裂紋能逐漸延伸至貫通，此時(shí)巖石破碎所消耗的比能耗較低；當(dāng)S/P繼續(xù)增加時(shí)，刀具間的協(xié)同作用減弱，側(cè)向裂紋不再相交，導(dǎo)致破巖載荷增加，破巖量減少，比能耗增加。同時(shí)從圖7中可以看出，不論是對(duì)于干燥組還是飽水組，在實(shí)驗(yàn)組內(nèi)SEA均低于SEN，這說(shuō)明實(shí)際的巖石破碎量大于理論值。

圖7 比能耗與S/P的關(guān)系Fig.7 Relationship between specific energy and the ratio of cutter spacing and penetration

對(duì)比干燥組和飽水組的實(shí)際比能耗，如圖8所示。2 個(gè)實(shí)驗(yàn)組測(cè)得的曲線具有相同的變化規(guī)律，并且最優(yōu)刀間距、貫入度組合都處于S/P=20 左右的位置。不同的是巖石飽水后的實(shí)際比能耗要高于干燥組，在S/P=20 時(shí)，飽水組比能耗高出干燥組17%左右。這是由于水對(duì)巖石材料的物理化學(xué)作用，削弱了巖石破碎時(shí)裂紋的擴(kuò)展能力，導(dǎo)致巖石的破碎量有所減少，因此破碎單位體積巖石的功反而增加。

圖8 干燥組與飽水組實(shí)際比能耗對(duì)比Fig.8 Contrast of specific energy under saturate and dry condition

3 結(jié)論

1)隨著刀間距的增大，垂直力和滾動(dòng)力逐漸增大，側(cè)向力具有較大的離散性，沒(méi)有明顯的規(guī)律。在刀間距相同的情況下，巖石飽水后滾刀破巖的垂直力和側(cè)向力均小于干燥條件下的，分別下降20%～35%和8%～33%。隨著貫入度的增加，三向力均增加，垂直力和滾動(dòng)力增加較為明顯，側(cè)向力變化不大。且飽水條件下的三向力小于干燥條件下的三向力，刀間距相同的情況下垂直力下降25%～33%，滾動(dòng)力差別較小。

2)隨著刀間距與貫入度的增加，干燥和飽水條件下的巖石切削系數(shù)均相應(yīng)增加。但區(qū)別在于刀間距變化時(shí)二者的CC 值差值要大于貫入度的變化，這表明CC 值對(duì)刀間距變化的敏感程度要高于貫入度。

3)實(shí)際比能耗隨著S/P的增大先降低后升高，最優(yōu)的刀間距、貫入度組合都處于S/P=20 左右時(shí)使得比能耗最低。對(duì)于干燥組和飽水組，在實(shí)驗(yàn)組內(nèi)SEA均低于SEN，說(shuō)明實(shí)際的破巖體積均大于理論值。并且由于水對(duì)巖石材料的物理化學(xué)作用，導(dǎo)致巖石飽水后的實(shí)際比能耗要高于干燥組，在S/P=20 時(shí)，飽水組比能耗高出干燥組17%左右。