張春瑜

(中鐵十八局集團隧道工程有限公司,重慶 400700)

0 引言

破巖效率的高低直接影響TBM的施工效率和工程進度[1-2]。破巖效率不僅受圍巖實際抗拉或抗壓強度、節(jié)理發(fā)育等巖體因素的影響,還受到TBM自身的設(shè)備性能、滾刀間距等設(shè)備因素的影響[3]。已有研究表明,TBM掘進生成的巖渣特征(如形狀、粒徑分布等)參數(shù)可以對TBM的掘進效率進行反饋[4]。當(dāng)前,部分學(xué)者[5-7]使用渣片體積的計算比能(SE),以能量的形式定量分析TBM在掘進過程中的破巖效率,但是從渣片本身的形狀以及其粒徑分布的角度來開展破巖效率的研究還相對較少。

本研究以廣州北江輸水隧道工程中TBM破巖形成的巖渣為研究對象,綜合利用現(xiàn)場測量和篩分試驗等方法,獲取TBM掘進過程生成的巖渣粒徑和形狀等數(shù)據(jù)。通過上述數(shù)據(jù)定量計算出描述巖渣幾何特征的扁平度和巖渣粒徑分布情況的粗糙度指數(shù)(CI),再分析比較TBM運行時圍巖體的節(jié)理傾角與間距變化后對其破巖效率的影響。然后回歸擬合SE與CI,SE與扁平度(b/a)之間的關(guān)系,通過巖渣幾何形狀特征來對TBM的效率進行評價,使得實際施工時TBM刀盤損耗預(yù)測有較可靠且便捷的判斷方法,這對實際工程中不同巖性圍巖的TBM施工破巖效率的評估以及施工方案的調(diào)整具有實踐意義。

1 TBM巖渣幾何特征參數(shù)

1.1 粗糙度指數(shù)

粗糙度指數(shù)(CI)是由Roxborough等[8]提出,用來描述巖渣粒徑分布的指標。該指數(shù)首先通過篩分巖渣,計算每種篩孔篩分后的累積殘留率,最后把所有篩孔的累積殘留率求和得到粗糙度的結(jié)果,其公式如下:

(1)

CI=∑Xi

(2)

式中:Wi為大于某粒徑的巖渣總質(zhì)量;W總為所有巖渣的總質(zhì)量;Xi為粒徑對應(yīng)Wi的巖渣累積殘留率。

粗糙度指數(shù)用于評估破巖效率,片狀巖渣占總巖渣量的比例越高,計算出的粗糙度指數(shù)的值就越大,說明破巖的效率評估結(jié)果越高;相反當(dāng)巖渣中巖粉的含量較多時,片狀巖渣所占比例降低,粗糙度指數(shù)將減小,那么破巖效率的評估結(jié)果也將降低。

1.1.1節(jié)理傾角對粗糙度指數(shù)的影響

為了探究不同節(jié)理傾角對巖渣粗糙度指數(shù)的影響規(guī)律,收集施工現(xiàn)場按標準制作的巖體進行室內(nèi)試驗。試驗中所用巖塊的節(jié)理間距共5種,分別為30,40,50,60,70mm,然后也相應(yīng)設(shè)計了4種不同的刀間距(60,80,100,120mm)及5種不同的節(jié)理傾角(0°,30°,45°,60°,90°)。隨后,保證上述4種不同刀間距在同一種節(jié)理間距,按節(jié)理間距進行分類,共進行5組試驗。等各組試驗進行完成后,觀察模擬破巖產(chǎn)生的巖渣形狀,并收集試驗中產(chǎn)生的渣片和渣粉,對巖渣進行稱重和篩分,計算粗糙度指數(shù)。最后將5組試驗的結(jié)果依據(jù)節(jié)理間距繪制為粗糙度指數(shù)隨節(jié)理傾角改變的曲線,如圖1所示。

圖1 粗糙度指數(shù)與節(jié)理傾角的關(guān)系Fig.1 Relationship between roughness index and joint inclination angle

由圖1中5組試驗結(jié)果可知,在節(jié)理間距不變的情況下,不同刀間距隨節(jié)理傾角變化的粗糙度指數(shù)變化規(guī)律類似:在節(jié)理傾角為0°時,所有節(jié)理間距不變的條件下,不同刀間距對應(yīng)的粗糙度指數(shù)均為最小值;當(dāng)節(jié)理傾角從30°變?yōu)?0°的過程中,5種節(jié)理間距條件下不同刀間距的粗糙度指數(shù)變化趨勢相同,即與隨節(jié)理角度的變化呈正比;當(dāng)節(jié)理傾角從60°繼續(xù)增大到90°時,5種節(jié)理間距條件下不同刀間距的粗糙度指數(shù)又開始隨節(jié)理角度增大而減小。

下面將結(jié)合50mm節(jié)理間距、100mm刀間距的試驗數(shù)據(jù)結(jié)果進行具體分析。

1) 在節(jié)理傾角為0°時,受到滾刀作用巖體破碎后形成了破碎區(qū),破碎區(qū)域正好位于滾刀的正下方。經(jīng)觀察可以看到巖體裂紋較深,但巖體節(jié)理對巖體側(cè)面裂紋的貫通存在阻礙作用,并且滾刀之間的協(xié)同作用因節(jié)理也受到了削弱。因此,這種模式下節(jié)理圍巖大部分成為渣粉,很少形成渣片,于是對應(yīng)的粗糙度指數(shù)最小,為640%左右。

2) 圍巖體的節(jié)理傾角范圍在30°～60°時,圍巖體的破碎模式從原先的單一滾刀作用改變?yōu)楣?jié)理-滾刀的相互作用,在此情況下圍巖體的破碎區(qū)域增大,圍巖的裂紋數(shù)量同時增多,圍巖的節(jié)理面能夠與裂紋貫通,隨之產(chǎn)生相對完整的巖塊。此外,裂紋也會順著節(jié)理向內(nèi)部延伸,于是形成的巖渣片較多,對應(yīng)的粗糙度指數(shù)也增大。在傾角為60°時粗糙度指數(shù)達到最大,為740%左右。

3) 90°傾角時與0°傾角時的巖渣相似,因為滾刀與滾刀協(xié)同作用于巖體,產(chǎn)生破巖效果,巖體破碎區(qū)產(chǎn)生較多的巖渣,同時巖體側(cè)面裂紋的貫通也有助于形成渣片。然而節(jié)理本身阻礙生成的裂紋進一步深入,導(dǎo)致僅有巖體表面的巖渣相對破碎,于是相應(yīng)的粗糙度指數(shù)較小。

從幾組試驗得到的結(jié)果來看,在節(jié)理間距不變的情況下,不同刀間距隨節(jié)理傾角變化,粗糙度指數(shù)先上升后下降,在最大值處的工作效率最高;節(jié)理傾角等于0°或90°時,由于滾刀的直接加載作用,導(dǎo)致破碎巖體的過程消耗了大部分能量,從而使?jié)L刀破巖效率降低,產(chǎn)生的小粒徑巖渣在巖渣總量中占大多數(shù),粗糙度指數(shù)較小。粗糙度指數(shù)隨節(jié)理傾角變化呈現(xiàn)先升后降的過程中,存在最佳的角度(60°),滾刀-節(jié)理共同破巖,裂紋貫通良好,片狀巖渣的比例較大,對應(yīng)情況下的粗糙度指數(shù)為最大值,TBM破巖效率也是上述情況最高的。

1.1.2節(jié)理間距對粗糙度指數(shù)的影響

試驗時,設(shè)置不變的節(jié)理傾角分別為0°,30°,45°,60°和90°,記錄4種不同刀間距(60,80,100,120mm)隨不同節(jié)理間距(30,40,50,60,70mm)的粗糙度指數(shù)變化情況,共5組試驗。等各組試驗完成后,觀察試驗?zāi)M的巖渣形狀,收集試驗中的渣片和渣粉,對巖渣進行稱重與篩分處理,然后計算粗糙度指數(shù),最后將5組試驗的結(jié)果按節(jié)理傾角分類后繪制成4種刀間距的粗糙度指數(shù)隨節(jié)理間距變化的曲線。試驗結(jié)果如圖2所示。

圖2 粗糙度指數(shù)與節(jié)理間距的關(guān)系Fig.2 Relationship between roughness index and joint spacing

從圖2中可以看出,傾角不變的條件下,不同刀間距隨節(jié)理間距變化時對應(yīng)的粗糙度指數(shù)變化規(guī)律類似:當(dāng)節(jié)理間距為30mm時,不同刀間距對應(yīng)的粗糙度指數(shù)均最大;節(jié)理間距從40mm增大到60mm時,所有刀間距的粗糙度指數(shù)的變化趨勢都是逐漸減小的;巖渣粗糙度指數(shù)的最小值在節(jié)理間距為70mm時取得。

接下來以試驗45°節(jié)理傾角、100mm刀間距的結(jié)果為例進行具體分析。

1) 30mm節(jié)理間距時,單條節(jié)理狹窄,其分布最為密集,滾刀作用下產(chǎn)生的裂紋將很快貫通達到節(jié)理面,穿越該節(jié)理,再繼續(xù)發(fā)生擴展到下一層的節(jié)理面,并一起結(jié)合產(chǎn)生次生巖渣,故此時對應(yīng)的破巖效率是最高的,與此同時產(chǎn)生了數(shù)量較多的大塊巖片,粗糙度指數(shù)達到最大值720%。

2) 節(jié)理間距在40～60mm范圍內(nèi)時,節(jié)理對裂紋的誘導(dǎo)仍然存在,但相對30mm時的誘導(dǎo)作用來說呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢。此時,伴隨破巖生成的大塊渣片數(shù)量相對變少,渣粉占巖渣總量的比例則增加,所以粗糙度指數(shù)的值也呈現(xiàn)逐漸降低的變化趨勢。

3)節(jié)理間距為70mm時,裂紋便會受到節(jié)理阻礙,滾刀產(chǎn)生的裂紋還未至節(jié)理面就已經(jīng)停止,下層面的節(jié)理不會與裂紋貫通,所以此時的巖渣中不會產(chǎn)生較多的渣片,渣粉在所有產(chǎn)生的巖渣中所占比例相對較高,對應(yīng)的粗糙度指數(shù)最小,為675%左右。

所以從幾組試驗的對比結(jié)果來看,節(jié)理間距處于相對較小值時,巖渣的形成主要受到節(jié)理面本身的誘導(dǎo)影響,滾刀作用下產(chǎn)生的裂紋貫通節(jié)理面,可以產(chǎn)生出較大的巖渣渣片;在圍巖體的節(jié)理間距大時,裂紋和自由面是影響巖渣形成的主導(dǎo)因素,此時產(chǎn)生的渣片和渣粉數(shù)量基本一致。上述情況闡述了在刀間距固定時,巖渣粗糙度指數(shù)隨圍巖體節(jié)理間距變化逐漸減小,對應(yīng)的破巖效率也隨之變化。從強度的角度來看,圍巖體的完整性受到單位體積巖體節(jié)理間距的直接影響,能夠推斷出滾刀的壓力作用也會影響圍巖體強度。

根據(jù)上述內(nèi)容進行總結(jié),節(jié)理間距越小代表巖體的破碎程度越大,滾刀破巖效率越高。但隨著節(jié)理間距繼續(xù)縮小,裂紋的深度呈現(xiàn)逐漸減弱趨勢。節(jié)理處的巖體破碎量與節(jié)理數(shù)量成正比,因為節(jié)理間距縮小,裂紋擴展距離會變短,裂紋就和節(jié)理貫通形成破碎體而剝落。

1.1.3刀間距對破巖效率的影響

固定圍巖的節(jié)理間距,繪制不同圍巖節(jié)理傾角隨刀間距變化的粗糙度指數(shù)變化曲線,結(jié)果如圖3a所示。

圖3 不同節(jié)理傾角和節(jié)理間距條件下粗糙度指數(shù)與刀間距的關(guān)系Fig.3 The relationship between roughness index and tool spacing under different joint dip angles and joint spacing

以40mm節(jié)理間距的試驗為例對試驗結(jié)果進行具體的說明。由圖3a可知,在節(jié)理間距不變的條件下,5組不同的節(jié)理傾角有以下變化規(guī)律:當(dāng)?shù)堕g距從60mm到100mm時,巖渣的粗糙度指數(shù)逐漸增大,且在刀距為100mm時,粗糙度指數(shù)最大;而刀間距從100mm到120mm時,粗糙度指數(shù)的值反而開始減小,故根據(jù)試驗結(jié)果得到最優(yōu)刀間距是100mm。

在節(jié)理傾角不變的條件下,按照不同的節(jié)理間距的粗糙度指數(shù)繪制隨刀間距變化的曲線,結(jié)果如圖3b所示。

由圖3b可知,以45°節(jié)理傾角為例對試驗結(jié)果進行具體說明。5種不同節(jié)理間距在節(jié)理傾角不變的情況下,粗糙度指數(shù)隨刀距變化的總體趨勢類似于節(jié)理間距不變條件下,不同的節(jié)理傾角的粗糙度指數(shù)隨刀間距變化的趨勢。即隨著刀間距的增加,不同的節(jié)理傾角對應(yīng)的粗糙度指數(shù)表現(xiàn)出先增后減的現(xiàn)象,刀距為100mm時粗糙度指數(shù)取得最大值。

當(dāng)?shù)堕g距為最小值時(s=60mm),滾刀作用產(chǎn)生的裂紋會過度貫通巖體,生成嚴重破碎的巖渣,滾刀的交叉破碎作用區(qū)范圍過大使得圍巖體的破碎區(qū)域相對較小,這種情況下滾刀的失效應(yīng)力過度重合,于是產(chǎn)生的巖渣量較少,而且其中渣粉的比例較大,對應(yīng)的巖渣粗糙度指數(shù)較小,滾刀破巖效率也最低;當(dāng)?shù)堕g距達到其最大值時(s=120mm),兩柄滾刀各自分開破巖,在圍巖體上產(chǎn)生累積脊巖,最終產(chǎn)生的巖渣來自兩柄滾刀作用于圍巖時分別產(chǎn)生的巖渣,其粗糙度指數(shù)也較小,對應(yīng)的滾刀破巖效率也較低;刀間距達到100mm時,兩柄滾刀協(xié)同作用,在傾角和節(jié)理間距都為最佳條件時,進一步能與圍巖體節(jié)理本身共同破巖,滾刀受節(jié)理面引導(dǎo)作用充分破碎巖體,生成巖渣的尺寸較大,此時的粗糙度指數(shù)值及破巖效率均為最大值。

1.2 扁平度

考慮使渣片的幾何特征能夠有普遍性,對篩分試驗得到的中軸大于20mm的渣片確定為TBM滾刀破巖過程中產(chǎn)生的具有代表性的巖渣,并通過游標卡尺對巖渣的3種軸進行仔細測量,即測量巖渣的長軸(a)、中軸(b)和短軸(c),如圖4所示。

圖4 巖渣尺寸Fig.4 Rock slag size

測量5組不同刀間距巖渣的三軸數(shù)據(jù),然后求每組試驗三軸長度的均值。一般篩分試驗測得的渣片中的長度主要用于衡量渣片的寬度,而巖渣的厚度由短軸長度來度量。短軸的數(shù)值能夠體現(xiàn)巖渣的形狀,而長軸的數(shù)值可以反映巖渣的大小,大塊巖渣占的比列越高,破巖效率越高。因此,節(jié)理與裂紋貫通形成大塊巖渣說明破巖效果好。扁平度是中長軸的比值(b/a),與短軸尺寸(c)用于對巖渣形狀劃分。

根據(jù)測得巖渣中長軸的比值以及短軸的分布范圍將巖渣的形狀分成下面4種類型(見圖5):①中長軸之比07.5mm時為長塊; ④中長軸之比0.57.5mm時為立方體。

圖5 巖渣形狀分類的劃分區(qū)域Fig.5 Dividing area of rock slag shape classification

1)扁平度隨節(jié)理傾角的變化規(guī)律

將節(jié)理間距50mm、刀間距80mm條件下的滾刀破巖結(jié)果做具體闡釋,以分析巖渣扁平度隨節(jié)理傾角的變化規(guī)律。

5組節(jié)理傾角條件下巖渣形狀的變化情況如圖6所示。當(dāng)圍巖體的節(jié)理傾角在0°到60°變化時,節(jié)理傾角與對應(yīng)巖渣的b/a和c呈正比;當(dāng)圍巖體的節(jié)理傾角為90°時,對應(yīng)巖渣的b/a和c表現(xiàn)出一定程度的減小。

圖6 不同節(jié)理傾角典型巖渣形狀變化Fig.6 Shape change of typical rock slag with different joint dip angles

當(dāng)圍巖體的節(jié)理傾角為0°時,滾刀作用產(chǎn)生的圍巖中部與側(cè)面的裂紋基本朝向圍巖的深部方向擴展,然而節(jié)理的存在影響了側(cè)面裂紋的發(fā)展趨勢,于是巖渣呈現(xiàn)長條狀,其長軸較長而寬度較窄,類似片狀;節(jié)理傾角為30°時,裂紋貫通節(jié)理形成的巖渣呈三角塊狀,這類巖渣占所有巖渣的較大部分,其厚度、寬度都較大,但是整體體積相對較小;當(dāng)角度分別達到45°和60°時,圍巖中部的裂紋與節(jié)理面斜交程度大,并且呈縱向直接跨越節(jié)理,隨之形產(chǎn)生了與節(jié)理成近似90°的垂直狀裂紋,對應(yīng)產(chǎn)生的巖渣為四邊形,其中b/a幾乎為1;在0°到60°之間的節(jié)理傾角時,對應(yīng)生成的巖渣c和b/a顯著增大;在90°節(jié)理傾角時,圍巖生成的中部裂紋近似垂直節(jié)理面,側(cè)向裂紋交匯融合,產(chǎn)生了薄片狀巖渣,大薄片的厚度較薄,但是巖渣整體較寬。

以巖渣的c和b/a的值為判斷依據(jù)可以看出,巖渣在節(jié)理傾角較小時為窄而薄形的片狀;當(dāng)節(jié)理傾角顯著擴大時就轉(zhuǎn)變?yōu)閷挾竦牧⒎襟w狀,產(chǎn)生的巖渣厚度和體積都在隨之變大;60°節(jié)理傾角時,巖渣近似立方體形狀,其對應(yīng)的b/a和c均最大。

2)不同節(jié)理間距的扁平度分析

將45°節(jié)理傾角、80mm刀間距條件下的試驗結(jié)果做詳細闡述,分析巖渣扁平度隨節(jié)理間距的變化情況。

5種節(jié)理間距條件下巖渣形狀的變化情況如圖7所示。由此可知,圍巖體節(jié)理間距較小時,產(chǎn)生的巖渣為小塊狀,巖渣形狀在圍巖體節(jié)理間距擴大時變?yōu)榇髩K形狀,但節(jié)理間距變得過大時會導(dǎo)致巖渣形狀重新變回片狀。

圖7 不同節(jié)理間距典型巖渣形狀變化Fig.7 Shape change of typical rock slag with different joint spacing

當(dāng)圍巖體的節(jié)理間距為30mm時,節(jié)理間距狹窄,滾刀作用在圍巖上生成的裂紋可以快速貫通節(jié)理面,進而產(chǎn)生出塊狀巖渣,這樣的c會較大,其值可以超過1.1cm。與此同時,節(jié)理間距的狹窄會阻礙裂紋的進一步擴展,生成的巖塊狀巖渣的寬度會較小,于是b/a也會很小;當(dāng)節(jié)理間距進一步增大時,產(chǎn)生的巖渣厚度又會隨著巖體的節(jié)理間距改變而先增后減,這種情況下節(jié)理間距已經(jīng)退化為影響巖渣寬度的次要因素,節(jié)理間距過大將導(dǎo)致裂紋難以貫通節(jié)理面,此時裂紋僅可以貫通至自由面,從而產(chǎn)生出片狀巖渣,這種現(xiàn)象在水平節(jié)理試塊表現(xiàn)得更加明顯。

2 巖渣幾何特征與破巖效率的相互關(guān)系

由上面的敘述可知,巖渣的幾何特征由節(jié)理傾角、節(jié)理間距和刀間距共同控制繼而影響TBM滾刀的破巖效率。可以推測出巖渣幾何特征與破巖效率之間存在一種必然關(guān)系。在工程施工中,若能通過觀察和測量巖渣幾何特征來反映破巖效率,這對工程有實際意義。

2.1 粗糙度指數(shù)-比能

粗糙度指數(shù)與比能從不同的出發(fā)角度表征滾刀的破巖效率[9-10]。粗糙度指數(shù)從巖渣粒徑的角度出發(fā),來評價滾刀的破巖效率。比能的定義為滾刀破碎單位體積的圍巖體所需要的功,是從能量的角度來描述滾刀破巖效率[11]。

以80mm刀間距、45°節(jié)理傾角條件下巖體的試驗結(jié)果為例,回歸擬合比能和粗糙度指數(shù),對應(yīng)的結(jié)果如圖8所示。由圖8可知,上述兩指標之間的決定系數(shù)達到了0.98,二者之間的線性關(guān)系相當(dāng)良好,且呈現(xiàn)出明顯的負相關(guān)關(guān)系。可以在實際TBM掘進施工過程中計算比能較為困難的情況下,通過巖渣的形狀特征來評價TBM掘進效率。

圖8 粗糙度指數(shù)與比能的關(guān)系Fig.8 Relationship between roughness index and specific energy

2.2 扁平度-比能

為了得到扁平度、短軸與比能之間的關(guān)系,以50mm節(jié)理間距、80mm刀間距試驗中巖渣的b/a,c及SE的數(shù)據(jù)繪制關(guān)系曲面圖,然后回歸擬合SE與b/a及SE與c之間的關(guān)系,得到擬合的結(jié)果如圖9所示。

圖9 扁平度與比能SE的關(guān)系Fig.9 Relationship between flatness and specific energy SE

圖9a展示了b/a,c與SE的關(guān)系曲面。從關(guān)系圖中能夠發(fā)現(xiàn),b/a和c增大時SE減小。SE較小時,巖渣主要呈立方體狀,此時破巖效率較高。SE在b/a和c都減小后增加,巖渣為細長狀或者窄薄片狀,此時破巖效率較低。將b/a及c分別與SE進行關(guān)系擬合,圖9b和9c展示了擬合的結(jié)果。b/a及c均與SE表現(xiàn)為負相關(guān)關(guān)系,線性擬合結(jié)果的決定系數(shù)分別僅為0.621和0.813,說明b/a與破巖效率并非為簡單線性關(guān)系。從實際工程角度出發(fā),僅憑b/a來反應(yīng)破巖效率并不是足夠可靠的。

3 結(jié)語

1) 粗糙度指數(shù)在節(jié)理面傾角為0°時的值最小;當(dāng)節(jié)理傾角從30°增大到60°,粗糙度指數(shù)也隨節(jié)理傾角增大;從60°繼續(xù)增加到90°時,對應(yīng)的粗糙度指數(shù)反而開始減小。

2)節(jié)理間距為30mm時,對應(yīng)巖渣的粗糙度指數(shù)為最大;節(jié)理間距在40～60mm時,粗糙度指數(shù)隨節(jié)理間距的增加而逐漸減小;節(jié)理間距增大到70mm時,巖渣的粗糙度指數(shù)最小。

3)刀間距在60～100mm時,巖渣的粗糙度指數(shù)伴隨刀間距的增加而增大,在100mm時出現(xiàn)最大值;在100～120mm時,對應(yīng)的粗糙度指數(shù)反而開始減小,滾刀破巖效果的最優(yōu)間距在100mm左右。

4) 節(jié)理傾角在0°～60°時,巖渣中的b/a以及c均隨節(jié)理傾角的增加而增加;節(jié)理傾角為90°時,b/a以及c均有所減小;節(jié)理間距的增加會使巖渣由開始的小塊狀向著大塊狀轉(zhuǎn)變,然而過大的節(jié)理間距會使巖渣變?yōu)槠瑺睢?/p>

5)比能和粗糙度指數(shù)經(jīng)擬合的線性關(guān)系良好,粗糙度指數(shù)越大比能越小,破巖效率越高;而b/a及c與比能均為負相關(guān),此時產(chǎn)生的細長狀巖渣和薄片狀巖渣說明了對應(yīng)條件下TBM破巖的效率較為低下,進一步的分析表明巖渣的扁平度與破巖效率并不是簡單的線性關(guān)系。