韓偉鋒

(1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 鄭州 450001； 2.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣州 511400)

隧道掘進(jìn)機(jī)工法廣泛應(yīng)用于水利水電、鐵路公路、地鐵隧道以及礦山巷道等隧道工程建設(shè)[1-3]。然而，當(dāng)巖石抗壓強(qiáng)度高于160 MPa情況下，會(huì)導(dǎo)致隧道掘進(jìn)機(jī)刀具貫入困難，磨損嚴(yán)重，導(dǎo)致頻繁換刀，嚴(yán)重影響現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)效率及工程建設(shè)時(shí)間成本[4-5]。

為提高工程現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)機(jī)工作效率，傳統(tǒng)的方式主要為選用硬度高的刀具伴隨而來(lái)的刀具成本也比普通刀具增高約1/3 ，但是，即使如此，現(xiàn)場(chǎng)破巖效率也不高，例如，某工程現(xiàn)場(chǎng)巖石抗壓強(qiáng)度160 MPa，每天只能掘進(jìn)2～3 m，并且平均每米消耗刀具1把(每把刀具6萬(wàn)元)。另外也有一些單位，為了增加掘進(jìn)破巖地質(zhì)適應(yīng)行，采用數(shù)值仿真或者物理實(shí)驗(yàn)的方式，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)巖樣開(kāi)展了大量實(shí)驗(yàn)，以獲取較為合理的刀具配置、刀間距設(shè)計(jì)等[6-9]，以提升掘進(jìn)破巖性能，但是對(duì)于抗壓強(qiáng)度極高的地層(俗稱“磨刀石地層”)，僅從改善刀盤(pán)設(shè)計(jì)、刀具材料性能來(lái)提升滾刀破巖的效率非常有限[10-12]。

針對(duì)以上問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)許多專家學(xué)者提出了采用新型的破巖方式輔助機(jī)械滾刀進(jìn)行破巖，以提升隧道掘進(jìn)機(jī)破巖效率并降低刀具損耗。行業(yè)專家指出，中低壓水射流主要是降低刀具上的作用力，清洗并冷卻刀具，避免刀具粘附的巖渣對(duì)滾刀造成二次磨損。也有專家采用40 MPa的水刀輔助機(jī)械刀具進(jìn)行了破巖研究，結(jié)果表明相對(duì)純機(jī)滾刀破巖，滾刀的推力、滾動(dòng)力降低25%～40%。對(duì)流紋巖以恒定正壓力進(jìn)行了刮刀前方150 MPa水射流輔助破巖試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)平均切深增加80%～90%，每單位切割長(zhǎng)度的平均破巖體積增加約1倍，同時(shí)證明水射流先行刮刀后行和水射流與刮刀同步進(jìn)行兩種情況下的破巖效率沒(méi)有明顯區(qū)別，水射流破巖的主要作用是弱化巖石強(qiáng)度而不是應(yīng)力組合效應(yīng)。文獻(xiàn)[13-15]采用縮尺滾刀進(jìn)行了一側(cè)水射流輔助破巖試驗(yàn)，表明切槽深度和移除巖片的體積分別是滾刀單獨(dú)作用下的2倍和3.8倍。中國(guó)某硬巖掘進(jìn)機(jī)集成了水射流破巖系統(tǒng)輔助機(jī)械滾刀破巖，在巖石完整的地層，可提高破巖效率30%～35%。

目前，行業(yè)內(nèi)很多學(xué)者或者工程技術(shù)人員已經(jīng)證實(shí)了，在硬巖地層水射流可有效提高機(jī)械滾刀破巖效率，但是不同的水射流參數(shù)、輔助機(jī)械滾刀破巖方式、機(jī)械滾刀布置等參數(shù)，對(duì)破巖效率和綜合能耗影響情況尚沒(méi)有研究?，F(xiàn)基于滾刀破巖實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，集成水射流切割系統(tǒng)，針對(duì)完整的硬巖開(kāi)展了不同參數(shù)水射流輔助滾刀破巖研究，并提出工程應(yīng)用方案。

1 水射流與機(jī)械滾刀復(fù)合破巖實(shí)驗(yàn)方案

1.1 破巖實(shí)驗(yàn)裝置

水射流-機(jī)械滾刀復(fù)合破巖實(shí)驗(yàn)臺(tái)是基于滾刀巖機(jī)作用綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，搭載水射流切割系統(tǒng)，可開(kāi)展不同刀間距、切割靶距、射流壓力等破巖實(shí)驗(yàn)。滾刀巖機(jī)作用綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(圖1)，額定最大推力160 t，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速0～10 r/min可調(diào)，能夠同時(shí)安裝4把19寸或者17寸原型滾刀，采用不同刀間距、推進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速等參數(shù)，針對(duì)工程巖樣開(kāi)展?jié)L刀多滾刀破巖機(jī)理實(shí)驗(yàn)。

高壓水射流切割是利用增壓器將水加壓，達(dá)到100～380 MPa甚至更高的壓力，通過(guò)刀頭噴嘴將壓力能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能，從而形成高速射流。切割正是利用這種高速射流的動(dòng)能對(duì)巖石的沖擊破壞作用目的。實(shí)驗(yàn)臺(tái)搭載的水射流系統(tǒng)最大射流壓力420 MPa，額定流量3.7 L/min，刀頭通過(guò)回轉(zhuǎn)接頭與刀盤(pán)固定連接，回轉(zhuǎn)半徑600～1 100 mm可調(diào)，通過(guò)后供砂(80 μm的石榴石)進(jìn)行混合破巖。

圖1 滾刀巖機(jī)作用綜合實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.1 Comprehensive experimental platform of hob rock machine action

1.2 破巖實(shí)驗(yàn)用巖樣

水射流-機(jī)械滾刀復(fù)合破巖實(shí)驗(yàn)用巖樣為花崗巖，外形數(shù)據(jù)如圖2所示，通過(guò)巖箱固定在破巖實(shí)驗(yàn)臺(tái)上。巖石抗壓強(qiáng)度142 MPa的花崗巖，抗壓強(qiáng)度測(cè)試如圖3所示，黏聚力8.9 MPa，彈性模量12.5 GPa，內(nèi)摩擦角66°，密度2 548 kN/m3。

圖2 實(shí)驗(yàn)用巖樣加工圖Fig.2 Processing drawing of rock sample for experiment

2 水射流-機(jī)械滾刀復(fù)合破巖實(shí)驗(yàn)方案

水射流-機(jī)械滾刀復(fù)合破巖實(shí)驗(yàn)主要目的是一方面探索不同參數(shù)對(duì)水刀切割巖石能力的影響；另一方面探索在水射流輔助破巖的情況下，對(duì)滾刀破巖的影響。通過(guò)開(kāi)展純機(jī)械滾刀破巖、水射流破巖切縫、水射流與機(jī)械滾刀重縫破巖、水射流與滾刀錯(cuò)縫破巖實(shí)驗(yàn)，研究水射流-機(jī)械滾刀耦合破巖影響因素。

2.1 水射破巖能力實(shí)驗(yàn)

水刀作為切割工具在機(jī)械制造、緊急救援等行業(yè)應(yīng)用比較成熟，但是作為輔助機(jī)械滾刀破巖的工具，還有需要對(duì)水射流深入研究。為獲得水射流切割巖石最佳效果，采用380 MPa水射流壓力，80 μm粒徑的石榴石磨料和不同的噴射靶距(5、10、15、20、25、30 mm)開(kāi)展同一線速度條件下水刀切割巖石研究，獲得水射流破巖最佳效果對(duì)應(yīng)的射流參數(shù)。

2.2 純機(jī)械滾刀破巖

采用3 mm貫入度,轉(zhuǎn)速1 r/min，分別按照60、70、80、90、100 mm的刀間距,針對(duì)巖樣開(kāi)展破巖實(shí)驗(yàn)，每種參數(shù)掘進(jìn)15 mm。為確保實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性，每種刀間距滾壓3條軌跡，取中間一條破巖軌跡作為對(duì)應(yīng)刀間距的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖3所示。圖3中2、4、6、8、10號(hào)軌跡分別作為60、70、80、90、100 mm刀間距實(shí)驗(yàn)取值線。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得純機(jī)械滾刀、不同刀間距情況下刀盤(pán)推力、扭矩、轉(zhuǎn)速及滾刀三向力(正壓力、側(cè)向力、切向力)，并分析破巖比能。

圖3 純機(jī)械滾刀破巖實(shí)驗(yàn)刀具破巖軌跡Fig.3 Rock breaking experiment of pure mechanical hob

2.3 水射流-機(jī)械滾刀重縫耦合破巖實(shí)驗(yàn)

先完成水射流對(duì)巖樣切縫，然后機(jī)械滾刀與水射流騎縫、重縫破巖。采用3 mm貫入度,轉(zhuǎn)速1 r/min，分別按照60、70、80、90、100 mm的刀間距,針對(duì)不同水射流切縫深度(2、5、10、15、20 mm)，每種參數(shù)掘進(jìn)15 mm。同純機(jī)械滾刀破巖實(shí)驗(yàn)類(lèi)似，每種刀間距滾壓3條軌跡，取中間一條破巖軌跡作為對(duì)應(yīng)刀間距的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖4所示。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得不同刀間距情況下刀盤(pán)推力、扭矩、轉(zhuǎn)速及滾刀三向力(正壓力、側(cè)向力、切向力)，并分析破巖比能。

2.4 水射流-機(jī)械滾刀錯(cuò)縫耦合破巖實(shí)驗(yàn)

通過(guò)水射流在巖面上完成切縫，縫隙深度同水射流-機(jī)械滾刀重縫耦合破巖實(shí)驗(yàn)，機(jī)械滾刀兩條切縫中間的巖脊。采用3 mm貫入度,轉(zhuǎn)速1 r/min，分別按照不同刀間距,針對(duì)不同水射流切縫深度，每種參數(shù)掘進(jìn)15 mm。每種刀間距滾壓3條軌跡，取中間一條破巖軌跡作為對(duì)應(yīng)刀間距的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如圖5所示。 通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得不同刀間距情況下刀盤(pán)推力、扭矩、轉(zhuǎn)速及滾刀三向力(正壓力、側(cè)向力、切向力)，并分析破巖比能。

圖4 水射流-機(jī)械滾刀重縫破巖軌跡Fig.4 Water jet mechanical hob meets rock breaking trajectory again

圖5 水射流-機(jī)械滾刀錯(cuò)縫破巖軌跡Fig.5 Water jet mechanical hob staggered rock breaking trajectory

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 水射流破巖分析

為了達(dá)到水射流最佳破巖效果，直接采用380 MPa水壓力，以常用80 μm的石榴石作為切割磨料，考慮系統(tǒng)功率消耗，射流流量設(shè)置為3.7 L/min，針對(duì)同一巖樣，以不同靶距和破巖線速度開(kāi)展純水射流破巖實(shí)驗(yàn)，通過(guò)測(cè)量不同條件下的切縫深度，確定水射流最佳破巖參數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，水射流破巖后的巖面如圖6所示，切縫清晰明顯，且寬度大于5 mm，對(duì)輔助機(jī)械滾刀破巖具有一定可行性。具體不同參數(shù)條件下，切割深度如圖7所示。隨著靶距和破巖線速度的增大，水射流破巖切縫深度明顯降低，當(dāng)靶距大于25 mm的情況下，切縫小于2 mm，幾乎不受切割線速度的影響。當(dāng)靶距小于20 mm的情況下，切縫深度會(huì)隨切割線速度的增加而降低，且靶距越小，影響越大。根據(jù)水射流破巖切割參數(shù)綜合分析，后續(xù)滾刀與水射流復(fù)合破巖采用15～18 mm靶距，切縫維持在18～22 mm進(jìn)行破巖。

圖6 水射流破巖切縫Fig.6 Rock breaking and fracture cutting by water jet

圖7 不同參數(shù)水射流切割巖石切縫深度Fig.7 Cutting seam depth of rock by water jet with different parameters

3.2 刀具破巖受力分析

針對(duì)同一種巖樣，采用不同刀間距，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，獲得不同刀間距，在純機(jī)械滾刀破巖、機(jī)械滾刀與水射流破巖切縫重合破巖、機(jī)械滾刀與水射流切縫錯(cuò)縫破巖情況下滾刀三向力變化規(guī)律。

法向力是滾刀破巖的主要?jiǎng)恿?，其變化?guī)律如圖8所示，隨著刀間距的增加而增加，純機(jī)械滾刀的法向力明顯高于水射流與滾刀復(fù)合破巖，水射流破巖切縫與機(jī)械滾刀重縫情況下機(jī)械滾刀的法向力明顯小于其他兩種情況，平均比純機(jī)械滾刀破巖法向力小約30%。

滾動(dòng)力是滾刀在滾動(dòng)破巖過(guò)程中，由于正壓力而產(chǎn)生的，滾動(dòng)力直接影響刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)扭矩。刀具滾動(dòng)力變化規(guī)律如圖9所示，隨著刀間距的增大而增大。與法向力變化的區(qū)別是，水射流與機(jī)械滾刀重縫破巖情況下，刀具滾動(dòng)力略高于錯(cuò)縫情況，主要原因是重縫破巖，刀具貫入度較大，造成刀具滾動(dòng)力偏高。

滾刀側(cè)向力是由于滾刀隨刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)破巖，巖石側(cè)向擠壓造成的，對(duì)刀具端部密封和軸承軸向受力影響較大，側(cè)向力過(guò)大容易造成軸承損壞和端部密封失效?？傮w規(guī)律如圖10所示，受刀間距影響較小，主要是受刀具在刀盤(pán)上的破巖半徑影響較大，結(jié)合圖3～圖5，刀具側(cè)向隨著滾刀破巖半徑的增加而減小，由于錯(cuò)縫破巖滾刀貫入度較低，因此錯(cuò)縫破巖刀具側(cè)向力相對(duì)于重縫破巖偏小。

3.3 破巖比能分析

比能主要反映的是破碎單位質(zhì)量的巖樣所需要的能量。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，純機(jī)械滾刀、水射流-機(jī)械滾刀重縫復(fù)合破巖、水射流-機(jī)械滾刀錯(cuò)縫復(fù)合破巖必能變化規(guī)律如圖11所示。刀間距從60 mm到100 mm，破巖比能總體隨著刀間距增大而降低再升高，分析原因是刀間距過(guò)小，造成刀具重復(fù)破巖，刀間距過(guò)大，刀具破巖不充分，因此刀間距過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)造成能耗增加。從實(shí)驗(yàn)可知，純機(jī)械滾刀破巖相對(duì)水射流復(fù)合破巖能耗最低，主要原因是水射流破巖能效利用率不高。針對(duì)實(shí)驗(yàn)用巖樣，純機(jī)械滾刀破巖最優(yōu)刀間距為80 mm，重縫復(fù)合破巖最優(yōu)刀間距為100 mm，錯(cuò)縫復(fù)合破巖最優(yōu)刀間距為90 mm。對(duì)比兩種水射流復(fù)合破巖方式，重縫復(fù)合破巖的能耗利用率相對(duì)較高，但是總體能耗都高于純機(jī)械滾刀。

圖8 滾刀法向力變化規(guī)律Fig.8 Variation law of normal force of hob

圖9 滾刀滾動(dòng)力變化規(guī)律Fig.9 Variation law of rolling force of hob

圖10 滾刀側(cè)向力變化規(guī)律Fig.10 Variation law of hob lateral force

圖11 破巖比能變化規(guī)律Fig.11 Variation law of rock breaking specific energy

4 結(jié)論

通過(guò)開(kāi)展水射流與機(jī)械滾刀復(fù)合破巖實(shí)驗(yàn)研究，形成如下結(jié)論。

(1)水射流切割巖石切縫深度，受線速度影響較小，受靶距影響較大；當(dāng)靶距大于25 mm，切縫深深度小于5 mm，對(duì)滾刀破巖影響不明顯；當(dāng)靶距小于10 mm，水射流切縫平均在20 mm以上，但由于水射流刀頭距離掌子面太近，容易把刀具撞壞，因此靶距小于10 mm大于25 mm的情況下，都不適合在掘進(jìn)機(jī)破巖中使用，建議選用15～20 mm的靶距進(jìn)行破巖。

(2)滾刀破巖刀具受力隨刀間距的增大而增大，刀具滾動(dòng)力約為法向力的13%～15%；水射流與機(jī)械滾刀復(fù)合破巖能夠明顯降低機(jī)械滾刀的受力，相對(duì)于純機(jī)械滾刀破巖，刀具受力平均降低約30%；重縫復(fù)合破巖相對(duì)于錯(cuò)縫復(fù)合破巖，刀具法向力降低，而側(cè)向力和滾動(dòng)力升高，主要原因是貫入度增大，提高了破巖效率。

(3)根據(jù)破巖比能變化規(guī)律，純機(jī)械滾刀破巖效能要高于水射流輔助破巖，對(duì)能量利用率比較高；水射流輔助機(jī)械滾刀破巖可增加設(shè)計(jì)刀間距，以提升能量利用率，但是由于增加水射流破巖裝置，一方面增加了設(shè)備成本，另外也增加了時(shí)間成本，因此在常規(guī)隧道施工環(huán)境中，不適合大規(guī)模使用水射流輔助破巖。

水射流輔助機(jī)械滾刀破巖雖然不適用大規(guī)模隧道施工，但是針對(duì)特殊環(huán)境，如極端軟硬不均地層(常見(jiàn)于海底基巖凸起)、極硬巖地層(抗壓強(qiáng)度普遍在200 MPa以上)，常規(guī)滾刀破巖，難以正常施工，可采用水射流輔助滾刀破巖，雖然會(huì)在一定情況下造成能耗增加，但是可有效地解決特殊問(wèn)題，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。