馬亞楠，龔秋明，殷麗君，康樂

（北京工業(yè)大學 城市防災與減災教育部重點實驗室，北京 100124）

目前，各國比較認可的高放廢物處置方案是深地質處置［1］。我國高放廢物地質處置地下實驗室工程選址于甘肅省北山新場，巖體條件為高完整性、高強度花崗巖［2］。場址內鉆孔巖心測試結果表明：巖石單軸抗壓強度平均值為172 MPa，最高單軸抗壓強度達235 MPa，巖石的磨蝕性極高，其Cerchar 磨蝕性指數值均在4 以上。根據我國地下實驗室研發(fā)規(guī)劃，在地下實驗室建成后即將開展工程屏障長期性能現場試驗，而開展這一試驗的前提是需要開挖處置坑。處置坑要求成硐精度高、圍巖損傷小，而鉆爆法難以滿足處置坑開挖的要求，因此芬蘭［3］、瑞典［4］等國家均采用機械法進行處置坑施工。盲井掘進機破巖依賴滾刀與巖石的相互作用，在滾刀作用下巖石內部產生裂紋，相鄰裂紋之間的擴展貫通形成巖片，達到破巖的目的［5］。滾刀的破巖效率直接影響工程施工的進度和成本。通過研究不同刃型滾刀的破巖機理，設計適用于北山高強度、高磨蝕性的花崗巖地層的滾刀對提高開挖設備的破巖效率至關重要。

國內外學者通過理論分析和室內試驗來研究滾刀的破巖荷載，并取得了豐富的成果。其研究成果可以概括為兩大理論，即擠壓破巖理論及擠壓、張拉與剪切綜合破巖理論。Evans等［6］、秋三藤太郎等［7］和Roxborough 等［8］根據擠壓破巖機理和壓頭侵入試驗計算了滾刀破巖時所需的豎向力，認為滾刀破巖力的大小與壓入巖石的橫截面積成正比。CSM 模型［9］綜合考慮了施工參數、滾刀設計與布置參數以及巖石的強度等對滾刀破巖力的影響，得到了廣泛的應用。Balci 等［10］通過滾刀破巖試驗對比分析了常截面滾刀和Ⅴ型滾刀破巖時的力學特征，并對常截面滾刀的破巖力預測模型從刀圈直徑和刃型參數等方面進行了修正。Chiaia 等［11］結合理論和試驗綜合分析了錐形、平底及球形等不同類型的壓頭侵入巖石過程中巖石的變形特點及應力分布情況。Chen 等［12］利用侵入試驗和聲發(fā)射設備比較了不同角度的楔刃滾刀侵入Charcoal 花崗巖和Berea 砂巖時的破巖機理，刀刃角越大越有利于裂紋的擴展，所需的破巖力就越小，且較鈍的壓頭產生的聲發(fā)射點的聚集面更大。Li 等［13］根據不同刃角的Ⅴ型壓頭作用下的聲發(fā)射特征，也發(fā)現與巖石接觸面積越大的鈍刃刀具在破巖過程中產生的損傷核微震裂源聚集分布范圍越大。壓頭的形狀影響損傷核的發(fā)育，尖角刃刀具作用下巖石內產生的損傷核呈“水滴狀”，鈍角刃刀具作用下巖石內產生的損傷核呈“球狀”［14］。孫偉等［15］采用離散元軟件建立了滾刀破巖的仿真模型，研究了滾刀的不同刃型參數對滾刀破巖特征的影響，得到了刀圈刃寬、刃角等參數對裂紋擴展特征、破巖體積以及比能等的影響規(guī)律。Zhang 等［16］建立了圓刃滾刀和楔刃滾刀破巖的數值模型，通過觀察裂紋的擴展特征可知，圓刃滾刀作用下側向裂紋的擴展范圍較大，而楔刃滾刀作用下豎向裂紋的擴展范圍較大?，F有的研究主要集中在探討某些刃型參數對某一類型滾刀破巖的影響，雖具有參考意義，但無法為高強度高耐磨性的北山花崗巖進行滾刀的適應性設計提供具體依據。

本文設計并制作了適用于小直徑盲井掘進機直徑為11 in 的平刃、楔刃及圓刃滾刀壓頭，對北山花崗巖巖樣進行了侵入試驗，試驗過程中利用聲發(fā)射系統進行了實時監(jiān)測。獲得了不同刃型滾刀壓頭侵入破巖時侵入力和能耗隨貫入度的變化，以及不同刃型滾刀壓頭作用下巖樣內部的損傷變化，其研究成果可為小直徑盲井掘進機刀具選型提供參考。

1 試驗設計

1.1 試驗平臺

不同刃型滾刀的侵入試驗在電液伺服萬能試驗機上進行，此設備的軸向加載壓力為1 000 kN。試驗空間位于主機的橫梁和下臺板之間，高度可以自由調整。試驗機可以提供力和位移兩種加載方式，在加載過程中可以實時記錄侵入力與位移的關系。為了模擬滾刀侵入巖石的過程，自行設計加工了承載壓頭和剛性承壓平臺，如圖1 所示。

圖1 加載試驗平臺Fig. 1 Indentation test platform for indenters with different blade shapes

1.2 聲發(fā)射系統

聲發(fā)射監(jiān)測系統主要記錄微破裂時釋放的能量及其產生的位置。本試驗采用美國PAC 公司生產的 PCI-8 型聲發(fā)射測試系統對侵入試驗過程進行監(jiān)測，如圖2 所示。本試驗利用該系統的6個信號通道，選用R6α型傳感器。試驗過程中設置模擬濾波器的濾波范圍為5～400 kHz，AE 通道的門檻值大小40 dB，浮動門寬6 dB，前置放大增益40 dB。試驗過程中可統計聲發(fā)射事件發(fā)生的時間、總數以及確定巖石內部損傷破壞的空間位置。

圖2 聲發(fā)射采集系統及探頭的位置Fig. 2 Acoustic emission acquisition system and sensor position

1.3 滾刀壓頭設計

TBM 盤形滾刀破碎巖石時刀刃直接與巖石接觸。在推進系統的壓力下向前掘進，同時TBM的刀盤作旋轉運動，帶動滾刀公轉的同時，滾刀也會在摩擦力和推力的作用下自轉，對掌子面產生切削作用并完成破巖。因此，滾刀刀圈的設計參數對滾刀在破巖過程中的三向力、破巖效率以及滾刀的使用壽命等都有較大影響。

直徑為11 in 或小于11 in 的滾刀適用于刀盤直徑小于2 m 的開挖設備，本研究的滾刀直徑確定為11 in。常見的盤形滾刀刀圈包括平刃、楔刃及圓刃三種。由三種刀圈的斷面形狀可知，刀刃角是決定楔刃滾刀破巖效率的關鍵參數，刀刃角和刀刃寬是決定平刃滾刀破巖效率的關鍵參數，刀刃的圓弧半徑是決定圓刃滾刀破巖效率的關鍵參數。結合前期的文獻調研、施工經驗及滾刀生產單位的建議，設計的三種滾刀壓頭的具體刃型參數見表1。

表1 滾刀壓頭刃型參數Table 1 Geometrical parameters of tested indentors

1.4 試驗方案

試驗的花崗巖樣品取自高放廢物處置北山預選區(qū)的新場地段，花崗巖試樣尺寸為300 mm×300 mm×300 mm（長×寬×高），各向切割誤差小于2.0 mm，表面起伏小于0.2 mm。侵入試驗開始前，按照ISRM 規(guī)范的要求對花崗巖試樣進行了單軸壓縮試驗、三軸壓縮試驗及巴西劈裂試驗，獲得了巖樣的基本物理力學參數，見表2。

表2 北山花崗巖的物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of Beishan granite

依據瑞典核燃料及廢物管理公司（SKB）在?sp? 地下實驗室處置坑機械開挖的經驗，其巖體主要包括?sp? 閃長巖、Sm?land 花崗巖、綠巖和細粒花崗巖等四類硬巖，其單軸抗壓強度高達214 MPa，與北山的巖石條件相似。依據SKB 所用的處置坑機械開挖設備在正常開挖時的轉速10 rpm 及研發(fā)設備預設的目標掘進速度1.2 m·h-1，設定滾刀壓頭侵入試驗的貫入度為2 mm。在試驗過程中實時記錄試件的加載過程、聲發(fā)射事件及定位圖像、能量損耗等，試驗后通過熒光法獲得與滾刀刀刃垂直方向的巖樣剖面裂隙擴展模式圖像。

2 不同刃型滾刀侵入破巖過程分析

2.1 侵入過程中接觸應力及聲發(fā)射特征分析

在滾刀侵入巖石的過程中，巖石礦物晶粒內部和晶粒之間的黏結破壞會產生大量的微裂紋，并伴有能量釋放和聲發(fā)射事件。不同刃型滾刀在侵入過程中聲發(fā)射的事件數、能量及荷載-貫入度的變化規(guī)律如圖3 所示。不同刃型滾刀侵入過程中聲發(fā)射事件數及能率的變化規(guī)律有很大的相似性。滾刀侵入過程可以分為巖石原生裂紋壓密階段、彈性變形階段、裂紋產生和擴展階段。其中，在原生裂紋壓密階段巖樣內部的原生裂隙被不同程度地壓密、閉合，基本沒有聲發(fā)射事件產生；在理想狀態(tài)下，材料在彈性變形階段不產生破壞，但由于花崗巖自身結構的非均質性，在該階段仍會監(jiān)測到少量的聲發(fā)射信號；在裂紋的產生和擴展階段，巖石內部原生的微裂紋開始擴展，并且新裂紋逐漸萌生，裂紋之間開始交叉、融合，聲發(fā)射活動劇烈。聲發(fā)射事件的數量和釋放能量的大小與巖石發(fā)生破壞的過程密切相關，聲發(fā)射事件數越多，說明巖石產生損傷的過程越劇烈，聲發(fā)射能量的大小及其分布能反映巖石內部裂紋擴展的尺度，能量釋放越大，相應的破裂尺度就越大。由圖3 可知，楔刃滾刀破巖過程中的聲發(fā)射事件數最多且釋放的能量最大，其巖石破裂的尺度最大。平刃滾刀破巖過程中釋放的能量最小，其平刃滾刀作用下巖石破裂的尺度最小。

圖3 不同刃型滾刀侵入破巖聲發(fā)射的撞擊數、能量及荷載-貫入度的變化規(guī)律Fig. 3 Variation of AE number，energy，and load-penetration under indenters with different blade shapes

楔刃、平刃及圓刃滾刀壓頭在侵入過程中的平均侵入力分別是131、188 和98 kN。由于3種滾刀壓頭的截面形狀不一致，侵入力及消耗的能量不能直接進行對比分析。滾刀壓頭與巖石接觸區(qū)域的面積直接影響侵入力及聲發(fā)射特征參數，故引入接觸面積來消除滾刀壓頭刃型參數的影響。利用SolidWorks 中的Measure 工具測量楔刃、平刃及圓刃滾刀壓頭侵入巖石2 mm 時在接觸面上的投影面積分別是712、669 和385 mm2，如圖4 所示。假設滾刀在巖石接觸區(qū)域內的應力均勻分布，可知楔刃、平刃及圓刃滾刀壓頭在侵入過程中產生的接觸應力分別是184、281 和255 MPa。因此，從接觸應力的角度看，在平刃和圓刃滾刀作用下，巖石內部更容易產生損傷。

圖4 不同刃型滾刀侵入巖石2 mm 時在接觸面上的投影Fig. 4 Projection of three indenters on the contact surface at the penetration depth of 2 mm

2.2 不同刃型滾刀作用下巖石的破壞情況

三種滾刀壓頭以貫入度2 mm 侵入巖石后巖石的破壞情況如圖5 所示?？芍ㄈ袎侯^對巖石產生了明顯的劈裂作用，平刃壓頭作用下巖石未產生破壞，而圓刃壓頭作用下在巖石的表面產生了巖渣。

圖5 巖石在三種滾刀壓頭作用下的破壞情況Fig. 5 Failure of rock under indenters with different blade shapes

3 聲發(fā)射定位結果與侵入壓頭下微裂紋分布特征

由于各傳感器與同一震源之間的位置不同，接受聲發(fā)射信號時存在時間差，通過反演計算即可確定聲源的位置。為了驗證聲發(fā)射定位結果的準確性，在侵入試驗后通過熒光法獲得了滾刀刀刃垂直方向的巖樣剖面裂隙擴展模式圖像。楔刃、平刃及圓刃滾刀壓頭作用下的聲發(fā)射事件定位結果及巖石內部的微裂紋如圖6～8 所示。由圖6a、7a 和8a 可見，滾刀壓頭作用下聲發(fā)射定位點呈明顯的聚集分布的特點。從聲發(fā)射定位剖面圖6b、7b 和8b 與相對應的巖石宏觀裂紋分布圖6c、7c 和8c 對比可以發(fā)現，巖石壓碎區(qū)與宏觀裂紋附近的微震事件出現頻率高，聲發(fā)射定位點較多，與壓頭下巖石破壞及宏觀裂紋擴展比較一致，宏觀裂紋擴展范圍比監(jiān)測到的聲發(fā)射事件的空間范圍更小。楔刃壓頭作用下聲發(fā)射定位點在刀刃下方聚集成一條向下擴展的豎線，與宏觀裂紋的產生與擴展方向一致。平刃壓頭作用下聲發(fā)射定位點在刀刃下方聚集較多，而在刀刃兩側有宏觀裂紋出現的地方聲發(fā)射反而較少，可能與巖石宏觀拉破裂有關，拉破裂貫通需要的能量較少。而圓刃壓頭作用下聲發(fā)射定位點在刀刃的下方及兩側均有聚集，且在刀刃兩側形成的聚集區(qū)與巖石表面夾角較小。從破巖角度上講，楔刃壓頭作用下巖石內部產生了較長的豎向裂紋，幾乎沒有橫向或者徑向裂紋，不利于滾刀相互作用產生巖渣，平刃壓頭作用下巖石內部僅在刀刃的兩側形成了細小的裂紋，而圓刃壓頭作用下產生了較長的側向裂紋。綜合聲發(fā)射的定位結果和巖石內部裂紋擴展分布，從滾刀、巖石相互作用破巖效果分析，圓刃滾刀更適合北山花崗巖破巖。

圖6 楔刃滾刀作用下聲發(fā)射事件的定位結果及巖石內部裂紋分布Fig. 6 Positioning results of AE events under the wedge-edge cutters and the distribution of cracks

圖7 平刃滾刀作用下聲發(fā)射事件的定位結果及巖石內部裂紋分布Fig. 7 Positioning results of AE events under the flat-edge cutters and the distribution of cracks

圖8 圓刃滾刀作用下聲發(fā)射事件的定位結果及巖石內部裂紋分布Fig. 8 Positioning results of AE events under the round-edge cutters and the distribution of cracks

4 刃型優(yōu)選

北山花崗巖具有高強度、高完整性的特點，合理的刀具選型是滿足處置坑成洞質量要求、實現巖體高效開挖及控制圍巖開挖損傷的關鍵因素。本研究開展了三種常見的滾刀刃型壓頭的侵入試驗，從荷載-貫入度的變化情況來看，圓刃壓頭作用下巖石發(fā)生破壞時的侵入力較小，需要提供的推力較小，且接觸應力較大，巖石內部更容易產生損傷。從聲發(fā)射系統采集的數據來看，圓刃滾刀作用下定位點聚集區(qū)與巖石表面的夾角較小，易形成橫向和側向裂紋，有利于破巖。從壓頭作用下裂紋的擴展模式及產生的巖渣來看，圓刃壓頭作用下產生了較長的側向裂紋，且在巖石的表面產生了薄片狀巖渣。因此，圓刃滾刀更適合北山花崗巖破巖。

5 結 論

本文設計制作了直徑為11 in 的平刃、楔刃和圓刃三種滾刀侵入壓頭，并將其以2 mm 的貫入度進行室內侵入試驗，利用聲發(fā)射測試系統獲取了滾刀侵入全過程的聲發(fā)射參數。獲得結論如下：

1）聲發(fā)射信號與荷載-貫入度曲線有著良好的對應關系。平刃和圓刃滾刀壓頭在侵入過程中產生的接觸應力較大，巖石內部更容易產生損傷。平刃壓頭侵入巖石的過程中侵入力明顯大于楔刃和圓刃。

2）熒光裂紋顯現法及聲發(fā)射定位結果均與巖石破壞特征有良好的對應關系。熒光裂紋顯現法直觀地顯示了三種壓頭以2 mm 的貫入度侵入巖石后巖石內部裂紋的擴展特征，宏觀裂紋附近的微震出現頻率高，聲發(fā)射定位點較多。裂紋的擴展特征及巖石破壞特征表明圓刃壓頭作用下產生了較多的與巖石表面夾角較小的側向裂紋，有利于破巖。

3）綜合接觸應力、裂紋擴展特征及巖渣數量，圓刃滾刀是更適合北山高強度、高完整性與高磨蝕性花崗巖小直徑盲井掘進機破巖的滾刀刃型。