霍軍周，孫偉，郭莉，李震，張旭

(大連理工大學 機械工程學院，遼寧 大連 116024)

全斷面巖石掘進機(TBM)是一種隧道掘進的大型專用工程機械，其中多滾刀作用下的刀間距設計是掘進機設計的核心技術(shù)之一，合理的刀間距設計對提高刀盤掘進性能、刀具壽命和刀盤大軸承壽命，減輕掘進機震動，降低噪音等具有舉足輕重的作用.

TBM刀盤上的滾刀在推力和扭矩作用下，不斷旋轉(zhuǎn)貫入巖石，在刀尖下和刀具側(cè)面形成高應力壓碎區(qū)和放射狀裂紋，并使產(chǎn)生裂紋擴展，當其中一條或多條裂紋擴展到鄰近滾刀造成的裂紋時，形成巖石碎片［1］.針對復雜多變的巖石邊界條件，設計最優(yōu)的刀間距以實現(xiàn)最優(yōu)的掘進性能，一直是許多學者研究的目標.國內(nèi)外學者主要從數(shù)值仿真和物理實驗兩方面進行刀間距的研究，得出了一些有意義的結(jié)論，這一過程受滾刀間距、刀盤掘進參數(shù)、巖石屬性以及刀盤結(jié)構(gòu)形式的影響［2-9］.

目前工程實際中刀盤上滾刀切削巖石通常是多把滾刀順次作用的過程.因此有必要考慮刀盤上相鄰滾刀之間的順次關(guān)系模擬多把滾刀以不同的順次角度破碎巖石的過程.基于上述分析，本文分別以泥質(zhì)粉沙巖和花崗片麻巖為邊界條件，建立多滾刀順次作用下垂直壓入巖石的破碎仿真模型，模擬多滾刀在不同順次關(guān)系下垂直壓入巖石的仿真過程，研究多滾刀的刀間距以及順次角度與巖石破碎能量之間的映射關(guān)系，進而研究滾刀在刀盤上不同位置的最優(yōu)刀間距和最優(yōu)的順次角度.

1 巖石邊界描述及多滾刀破碎巖石仿真模型建立

1.1 巖石邊界描述

從地質(zhì)報告中選取兩種典型巖石，模擬巖石在單把滾刀、雙把滾刀及三把滾刀同時及順次作用下巖石的破壞過程，定性地建立滾刀刀間距、相鄰滾刀順次角度與巖石破碎能量之間的關(guān)系.2種巖石取自青海工程的地質(zhì)報告，從青海工程地質(zhì)報告統(tǒng)計可得下表1.

表1 青海工程地質(zhì)報告圍巖統(tǒng)計表Table 1 Rock statistics of Qinghai engineering geology

可見Ⅱ類圍巖及Ⅴ類圍巖所占比例最大，可以作為研究對象.Ⅱ類圍巖為侵入花崗閃長巖體及元古界花崗片麻巖，巖石堅硬，巖體較完整.Ⅴ類圍巖為第3系砂礫巖，泥質(zhì)粉砂巖互層，膠結(jié)較軟.

表2 2種典型巖石力學參數(shù)表Table 2 Parameters of two typical rock mechanics

故取一種典型較軟巖為泥質(zhì)粉砂巖;一種較硬巖為花崗片麻巖.它們的具體參數(shù)見表2所示2種典型巖石力學參數(shù)表.

1.2 多滾刀垂直壓入巖石的破碎仿真模型

基于巖石破碎軟件平臺RFPA，建立多滾刀作用下的巖石破碎模型如圖1所示，相關(guān)建模所需要的滾刀結(jié)構(gòu)參數(shù)、控制參數(shù)及巖石尺寸參數(shù)如下:刀刃角90°，刀刃寬度10 mm.巖石尺寸200×600 mm.位移加載0.005 mm/step，側(cè)向圍壓 20 MPa.

圖1 三滾刀作用下巖石破碎仿真模型Fig.1 Rock model induced by three cutters

2 多滾刀作用下兩種巖石的破碎過程

采用刀頭做功與巖石破碎面積之比作為單位面積內(nèi)滾刀破碎巖石所需要的能量，分析在不同刀間距以及不同順次角度對滾刀破巖效率的影響.

2.1 多滾刀同時垂直壓入巖石過程分析

如圖2，當?shù)额^作用到巖石上后，會在刀頭下面產(chǎn)生高亮區(qū).隨著位移荷載的增加，刀頭兩側(cè)先產(chǎn)生裂紋.刀頭下面的巖石將被壓碎，兩側(cè)的裂紋會持續(xù)非對稱擴展.隨著荷載的進一步增加，兩側(cè)的裂紋趨向于水平方向發(fā)展，基本上沿著主應力方向發(fā)展.

圖2 三滾刀作用下巖石破壞過程Fig.2 Rock fragmentation process model induced by three cutters

2.1.1 花崗片麻巖

三滾刀同時破碎巖石的仿真數(shù)據(jù)如表3.刀間距與破巖效率之間的關(guān)系如圖3所示.

2.1.2 泥質(zhì)粉砂巖

三滾刀破碎巖石的仿真數(shù)據(jù)如表4.刀間距與破巖效率之間的關(guān)系如圖4所示.

表3 三滾刀同時破碎花崗片麻巖的仿真數(shù)據(jù)Table 3 Simulation data of rock fragmentation process induced by three cutters simultaneously for granite gneiss

圖3 三滾刀同時作用下花崗片麻巖比能-刀間距關(guān)系Fig.3 SE-Cutter space relation under three cutters simultaneously for granite gneiss

表4 三滾刀破碎泥質(zhì)粉砂巖的仿真數(shù)據(jù)Table 4 Simulation data of rock fragmentation process induced by three cutters simultaneously for muddy siltstone

圖4 三滾刀作用下泥質(zhì)粉砂巖比能-刀間距關(guān)系Fig.4 SE-cutter space relation under three cutters simultaneously for muddy siltstone

2.2 多滾刀順次垂直壓入巖石過程分析

2.2.1 花崗片麻巖

根據(jù)圖3可知，三滾刀同時壓入巖石的最優(yōu)刀間距為85 mm，因此以85 mm刀間距數(shù)值為依據(jù)，進而模擬三滾刀在不同順次角度下壓入巖石的過程，仿真數(shù)據(jù)如表5所示.

根據(jù)表5仿真數(shù)據(jù)和圖5可以看出:

1)三滾刀順次破巖與同時破巖的破巖效率差別明顯.在三滾刀同時破巖的情況下，最優(yōu)刀間距下破碎單位面積(cm2)巖石的能量約為0.56 J左右.而在三滾刀以不同刀間角破巖的情況下，滾刀破碎單位面積巖石的能量在0.56～0.299 J之間，在最優(yōu)順次角度下滾刀破碎單位面積巖石的能量僅需要0.299 J，因此三滾刀順次破碎單位面積的巖石消耗的能量更小，破巖效率更高.

2)對于花崗片麻巖而言，存在最優(yōu)的順次刀間角，其破巖的最優(yōu)刀間角為120°左右.從仿真結(jié)果的曲線圖上看，隨著刀間角的增大，破碎單位面積巖石的能量先減小，到了120°達到最小，之后又會增加.最優(yōu)的刀間角與巖石種類和工況等因素有關(guān)，根據(jù)實際情況需要綜合考慮.

表5 三滾刀不同相鄰角度順次壓入花崗片麻巖的仿真數(shù)據(jù)Table 5 Simulation data of rock fragmentation process induced by three cutters successively for granitic gneiss

圖5 三滾刀順次破碎巖石的相鄰角度與破巖效率的關(guān)系Fig.5 SE-Cutter space relation under three cutters successively for muddy siltstone

2.2.2 泥質(zhì)粉砂巖

三滾刀以不同刀間角順次壓入泥質(zhì)粉砂巖的仿真數(shù)據(jù)如表6.

表6 三滾刀以不同刀間角順次壓入泥質(zhì)粉砂巖Table 6 Simulation data of rock fragmentation process induced by three cutters successively for muddy siltstone

上述刀間距都為90 mm，從巖石仿真數(shù)據(jù)看，順次破碎單位面積巖石的能量在0.23～0.31 J之間，比滾刀同時破碎巖石的能量(0.22)略大.隨著刀間角的增大，破碎巖石的單位面積能量也有減小的趨勢，但由于泥質(zhì)粉砂巖強度低，隨著刀間角的增大，會造成巖石掌子面不穩(wěn)定，產(chǎn)生了大片巖石脫落的情況，這樣顯然不利于破巖過程的順利進行.所以，對于泥質(zhì)粉砂巖，更需要合理控制刀間角，在保持巖石掌子面穩(wěn)定的前提下，提高破碎巖石的效率.

圖6 以90°刀間角順次破碎泥質(zhì)粉砂巖Fig.6 Muddy siltstone fragmentation process induced by three cutters with 90°successively degrees

3 刀間距分析

從仿真結(jié)果來看，隨著刀間距增大，破碎單位體積所需能量先減小后增大，存在最優(yōu)刀間距，這與理論分析以及物理實驗符合.對于花崗片麻巖，最優(yōu)刀間距在80～90 mm之間，泥質(zhì)粉砂巖最優(yōu)刀間距在90～97 mm之間.

通過數(shù)值仿真結(jié)果分析，可以看出:雙滾刀破巖、三滾刀同時破巖及三滾刀順次破巖數(shù)據(jù)相比，其他條件相同的情況下，前者破碎單位面積消耗的能量較小，如圖7、8所示.

圖7 泥質(zhì)粉砂巖:雙滾刀破巖、三滾刀同時破巖及三滾刀順次破巖效果對比Fig.7 SE-cutter space relation under different cuttingways for muddy siltstone

圖8 花崗片麻巖:雙滾刀破巖、三滾刀同時破巖及三滾刀順次破巖效果對比Fig.8 SE-cutter space relation under different cutting ways for granite gneiss

4 結(jié)論

通過上述分析，可定性地得到如下結(jié)論:

1)在滾刀的作用下巖石的破壞是由于壓縮、剪切共同作用的結(jié)果.單滾刀作用時巖石以壓縮破壞為主，多滾刀作用巖石以剪切破壞為主;

2)相對于壓縮破壞而言，受剪切破壞而破碎的巖石體積更大，因此在設計刀盤時應盡量讓巖石受剪切作用;

3)通過三把滾刀同時壓入和順次壓入巖石作用效果相比，可得出，滾刀順次壓入巖石會使得滾刀破碎巖石的效率最高，主要是由于順次壓入的每一把滾刀都具有一個破碎巖石的臨空面，使得滾刀能較多的利用其剪切能力破碎掉巖石，在破碎同樣體積的巖石所消耗的能量最小;

4)通過三滾刀以不同順次角度破碎巖石的過程，可以看出，對于巖石強度較高的情況下，順次破巖的高效性更能體現(xiàn)出來;而對于軟巖來說，需要同時考慮破巖掌子面的穩(wěn)定性，更需要強調(diào)多滾刀同時破碎巖石的效果.

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