華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 北京 102206

刀盤作為全斷面巖石掘進(jìn)機(jī) (Full Face Rock Tunnel Boring Machine，TBM)的關(guān)鍵部件，其上一般安裝數(shù)十把甚至上百把破巖盤形滾刀。盤形滾刀在刀盤上的布置參數(shù)——刀間距和相位角是影響 TBM作業(yè)效率的關(guān)鍵參數(shù)，尤其是刀間距[1]。自 Teale[2]于1965 年提出刀具切割單位體積巖石所消耗的能量為比能的概念起，便一直為學(xué)者廣泛關(guān)注。L.Ozdemir 等人在其研究報(bào)告[3-4]中曾發(fā)現(xiàn)刀間距與比能的關(guān)系，并提出刀間距從某一值減小時(shí)，會使巖石碎片尺寸變小，從而比能增大；而當(dāng)?shù)堕g距從此值逐漸增大時(shí)，破巖刀具間的相關(guān)性減弱直至消失，比能也隨之增大，此刀間距即為最佳刀間距Sopt，其對應(yīng)的比能為最小。對于如何確定最佳刀間距，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了盤形滾刀的壓痕試驗(yàn)、盤形滾刀線性滾壓破碎 (切割)巖石試驗(yàn)和盤形滾刀圓形滾壓破碎巖石試驗(yàn)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，為盤形滾刀最佳刀間距的研究提供了新選擇——數(shù)值模擬，但其基本依據(jù)仍然是盤形滾刀的壓痕、線性滾壓和圓形滾壓破碎巖石試驗(yàn)的基本方法。該研究方法與 TBM 實(shí)際作業(yè)間存在何種關(guān)系，哪種研究方法更合理，其合理性如何度量，這些問題尚未有明確結(jié)論。

在TBM 在我國規(guī)?；l(fā)展和應(yīng)用的今天，通過對盤形滾刀在 TBM 刀盤上布置的關(guān)鍵參數(shù)——刀間距S的確定方法進(jìn)行梳理，發(fā)現(xiàn)刀間距不同確定方法的優(yōu)缺點(diǎn)，尤其與盤形滾刀實(shí)際破巖間的關(guān)系，進(jìn)而改進(jìn)或更客觀、更全面地確定 TBM 刀盤上盤形滾刀布置的最佳刀間距，必將為 TBM 設(shè)計(jì)理論的發(fā)展和完善提供重要參考。

1 盤形滾刀破巖分析

TBM 刀盤上盤形滾刀的滾動破巖是在刀盤推力作用下，盤形滾刀侵 (貫)入巖石一定深度h，在隨刀盤旋轉(zhuǎn)的同時(shí)自轉(zhuǎn)并滾壓破碎巖石的過程。因此，就TBM 刀盤上盤形滾刀的破巖運(yùn)動而言，所有盤形滾刀都作同心圓形軌跡滾壓破巖。就刀盤上安裝半徑為Ri的第i把盤形滾刀而言，其破巖過程如圖 1 所示[5]。圖 1 中E為破巖前鋒點(diǎn)，F(xiàn)為最大貫入度點(diǎn)，弧EF為盤形滾刀破巖刃，P為盤形滾刀貫入度，ωi為第i把盤形滾刀旋轉(zhuǎn)角速度，F(xiàn)N為法向推力。

圖1 盤形滾刀破巖示意Fig.1 Sketch of rock breaking with disc cutter

就盤形滾刀刃上的點(diǎn)E而言，在盤形滾刀轉(zhuǎn)過 1圈的過程中完成了 1 次破巖，亦即，盤形滾刀刃上任一點(diǎn)都具有此特點(diǎn)——間歇性周期破巖。E點(diǎn)與F點(diǎn)之間接巖弧段EF稱為破巖刃，則該刃段也具有間隙破巖特點(diǎn)。在盤形滾刀破巖力作用下，其破巖刃作用于巖石上并引起巖石變形、傳遞應(yīng)力，進(jìn)而引起巖石內(nèi)部的裂紋產(chǎn)生、失穩(wěn)擴(kuò)展等變化。一般而言，該過程極其復(fù)雜，很難定量描述 (見圖 1(b))。由于盤形滾刀隨刀盤的公轉(zhuǎn)，其破巖點(diǎn) (如E點(diǎn))至最大貫入度的過程中還發(fā)生垂直于盤形滾刀刃所在平面的運(yùn)動 (如E點(diǎn)運(yùn)動到E′)——側(cè)滑 (見圖 1(c))。

由于 TBM 刀盤上一般安裝數(shù)十把甚至上百把破巖盤形滾刀，這些盤形滾刀在刀盤上的布置一般要考慮其綜合破巖效果好，即破碎單位體積巖石所消耗的能量最小。實(shí)現(xiàn)此破巖效果的關(guān)鍵就是使 TBM 刀盤上布置的盤形滾刀作用下的巖石內(nèi)部便于產(chǎn)生裂紋并失穩(wěn)擴(kuò)展，相鄰盤形滾刀間的裂紋便于貫通，從而產(chǎn)生盡可能多的塊狀 (大塊)巖碴，如圖 2 所示。顯然，影響產(chǎn)生此種結(jié)果的重要參數(shù)就是相鄰盤形滾刀間的距離，即相鄰盤形滾刀軌跡圓在刀盤半徑上的距離——刀間距S。如圖 2(a)所示，刀間距SL過大，刀盤旋轉(zhuǎn) 1 周，相鄰盤形滾刀間的巖石內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋不能貫通，從而在這 2 個盤形滾刀間形成巖脊，致使后續(xù)掘進(jìn)抗力增加，破巖效果下降；如圖 2(b)所示，刀間距SS過小，刀盤旋轉(zhuǎn) 1 周，相鄰盤形滾刀間的巖石內(nèi)部產(chǎn)生的裂紋多次貫通，生成的巖碴較小，巖石發(fā)生過度破碎現(xiàn)象，能量消耗較大；如圖 2(c)所示，刀盤旋轉(zhuǎn) 1 周，在 2 個相鄰盤形滾刀最大貫入度點(diǎn)產(chǎn)生的裂紋剛好貫通，形成整塊碎斷體 (大塊)巖碴，盤形滾刀破巖能量充分發(fā)揮，產(chǎn)生了極佳破巖效果，此刀間距就是最佳刀間距Sopt。

圖2 盤形滾刀刀間距與破巖效果Fig.2 Disc cutter spacing and rock breaking effects

2 刀間距的確定方法

通過盤形滾刀的破巖分析發(fā)現(xiàn)，盤形滾刀破巖的直接作用就是使其能夠貫入巖石，而實(shí)現(xiàn)這一效果的直接方式就是壓痕試驗(yàn)，因此，研究盤形滾刀破巖的最早試驗(yàn)方法就是盤形滾刀的壓痕試驗(yàn)。盤形滾刀連續(xù)破巖的直接方式是盤形滾刀線性 (平面運(yùn)動)滾壓破碎巖石，而盤形滾刀的連續(xù)循環(huán)破巖則是其圓形滾壓破碎巖石，這也是 TBM 盤形滾刀實(shí)際破巖采用的方式。上述研究方法所對應(yīng)的盤形滾刀與巖石的相互作用關(guān)系如圖 3 所示。

圖3 試驗(yàn)方法及盤形滾刀與巖石的作用關(guān)系Fig.3 Relationship among test method,disc cutter and rock

由圖 3(a)可以看出，壓痕試驗(yàn)盤形滾刀只有貫入巖石的運(yùn)動。若以盤形滾刀刃所在平面進(jìn)行分析，則盤形滾刀與巖石的相互作用關(guān)于此平面依概率 (考慮巖石性能的離散性和不均勻性)對稱；若以通過盤形滾刀最大貫入度點(diǎn)且垂直于盤形滾刀刃所在平面的平面進(jìn)行分析，同樣可得出盤形滾刀與巖石的相互作用關(guān)于此面仍依概率 (考慮巖石性能的離散性和不均勻性)對稱的結(jié)論。因此，當(dāng)對盤形滾刀的破巖上升到理論分析的時(shí)候，其壓痕試驗(yàn)所對應(yīng)的盤形滾刀具有一維運(yùn)動屬性，亦即用此方法研究盤形滾刀刀間距稱為刀間距的一維確定方法。

圖3(b)給出了線性滾壓破碎巖石過程中盤形滾刀與巖石的作用關(guān)系，仍以盤形滾刀刃所在平面進(jìn)行分析，則盤形滾刀與巖石的相互作用關(guān)于此平面依概率 (考慮巖石性能的離散性和不均勻性)對稱；若以通過盤形滾刀最大貫入度點(diǎn)且垂直于盤形滾刀刃所在平面的平面進(jìn)行分析，則盤形滾刀與巖石的相互作用關(guān)于此面不具有概率對稱性。因此，當(dāng)對盤形滾刀的破巖上升到理論分析的時(shí)候，其線性滾壓破碎巖石的試驗(yàn)所對應(yīng)的盤形滾刀具有二維運(yùn)動屬性，用這種方法研究盤形滾刀刀間距稱為刀間距的二維確定方法。

圖3(c)給出了圓形滾壓破碎巖石過程盤形滾刀與巖石的作用關(guān)系，無論以盤形滾刀刃所在平面，還是以通過盤形滾刀最大貫入度點(diǎn)且垂直于盤形滾刀刃所在平面的平面進(jìn)行分析，盤形滾刀與巖石的相互作用均不具有概率對稱性。因此，當(dāng)對盤形滾刀的破巖上升到理論分析的時(shí)候，其圓形滾壓破碎巖石的試驗(yàn)所對應(yīng)的盤形滾刀具有三維運(yùn)動屬性，以這種方法研究盤形滾刀刀間距稱為刀間距的三維確定方法。進(jìn)一步對比還可發(fā)現(xiàn)，盤形滾刀線性滾壓 (二維)破碎巖石相當(dāng)于安裝半徑為無窮大的盤形滾刀的圓形滾壓 (三維)破碎巖石。這樣就可方便看出盤形滾刀的壓痕試驗(yàn)、線性切槽試驗(yàn)和圓形滾壓破碎巖石試驗(yàn)間的區(qū)別和聯(lián)系。

當(dāng)然，TBM 最優(yōu)刀間距的確定也可根據(jù)其來源不同分為室內(nèi)試驗(yàn)、工程經(jīng)驗(yàn)和軟件模擬。其中室內(nèi)試驗(yàn)確定最優(yōu)刀間距的方法已如前述，即盤形滾刀的壓痕、線性切槽 (滾動)和圓形滾壓破碎巖石的試驗(yàn)；而工程經(jīng)驗(yàn)則是根據(jù)大量 TBM 施工工程數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，推測不同地質(zhì)條件下的最優(yōu)刀間距；軟件模擬則是計(jì)算機(jī)技術(shù)在最優(yōu)刀間距確定領(lǐng)域的應(yīng)用。目前，室內(nèi)試驗(yàn)仍是確定 TBM 最優(yōu)刀間距的常用方法。而將 TBM 刀間距區(qū)分為一維、二維和三維確定方法，既是根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)確定盤形滾刀與巖石的相互作用關(guān)系，也為將盤形滾刀的安裝參數(shù) (安裝半徑和相位角)引入最優(yōu)刀間距的確定奠定了理論基礎(chǔ)，將進(jìn)一步推進(jìn)最優(yōu)刀間距確定方法的發(fā)展。

2.1 刀間距一維確定方法

2.1.1 歷史背景

人們最早破碎巖石的方法就是鑿巖、鉆眼等，先將工具侵入巖石，然后使其周圍的巖石大塊崩落?？紤]到巖石的硬度和抗壓強(qiáng)度一般都很大 (俗語說“硬如頑石”)，因此，TBM 盤形滾刀破巖，首要且關(guān)鍵的問題也是讓其貫入巖石一定深度。20 世紀(jì)中葉，研究者們也是認(rèn)為將盤形滾刀垂直貫入巖石是盤形滾刀破碎巖石最主要和最直接的方法，這就是刀間距一維確定方法產(chǎn)生的歷史背景。由于巖石的多樣性、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和性能的離散性，刀間距一維確定方法基本是盤形滾刀的室內(nèi)壓痕試驗(yàn)。

2.1.2 室內(nèi)壓痕試驗(yàn)

室內(nèi)壓痕試驗(yàn)是 20 世紀(jì) 70、80 年代研究 TBM刀盤上刀間距的基本方法，屬于刀間距的一維確定方法，又稱為壓頭貫入試驗(yàn)，即在盤形滾刀刃上截取一小段作為壓頭侵入巖體進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)原理[6]如圖 4 所示。當(dāng)時(shí)應(yīng)用的盤形滾刀刃一般為楔形刃[7](見圖 5)，因此，試驗(yàn)用壓頭一般也為楔形刃壓頭，即從盤形滾刀楔形刃上截取一段焊接在壓頭座上[8](見圖 6)。室內(nèi)壓痕試驗(yàn)裝置相對簡單，主要設(shè)備為一臺萬能材料試驗(yàn)機(jī)，試件一般為放入圓形鋼模中的正四棱柱體，正四棱柱體與圓形鋼模之間的間隙用高標(biāo)號水泥按一定配比制成的混凝土填充，以模擬無限大巖面[8]，如圖 7 所示。圖 7 中，①、② 和 ③為壓痕順次，則第 1 次壓痕，壓頭兩側(cè)的刀間距皆為無窮大；第 2 次壓痕一側(cè)為無窮大，另一側(cè)為 2 倍刀間距；第3 次壓痕，壓頭兩側(cè)皆為刀間距。

圖4 盤形滾刀壓痕試驗(yàn)原理Fig.4 Principle of disc cutter indentation test

圖5 盤形滾刀楔形刃Fig.5 Wedge edge of disc cutter

圖6 壓頭及應(yīng)變片布置Fig.6 Layout of indenter and foil gauge

圖7 壓痕試驗(yàn)試件Fig.7 Specimen of indentation test

因此，壓痕試驗(yàn)對設(shè)備要求低，并且在一定范圍內(nèi)有效，尤其是預(yù)測盤形滾刀推力與其貫入度間的關(guān)系方面具有一定優(yōu)越性能，故目前該試驗(yàn)方法仍在使用。

2.1.3 軟件模擬

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得盤形滾刀與巖石相互作用關(guān)系的研究進(jìn)入了數(shù)字時(shí)代。在刀間距一維確定方法中，有學(xué)者采用離散元方法建模，模擬盤形滾刀作用下巖石裂紋的擴(kuò)展和連通情況[9](見圖 8)。數(shù)值模擬可直觀研究最優(yōu)刀間距，即當(dāng)且僅當(dāng) 2 把滾刀下的裂紋恰好連通，盤形滾刀破巖能耗最小，TBM 的破巖效率最高，此時(shí)的刀間距為最優(yōu)刀間距。

圖8 滾刀侵入模型Fig.8 Disc cutter penetrating model

起初，文獻(xiàn) [9]和 [10]只是應(yīng)用軟件探討最優(yōu)刀間距和貫入度之間的關(guān)系；之后發(fā)現(xiàn)，工程實(shí)際中刀盤上盤形滾刀破碎巖石通常是多把滾刀順次作用的過程。因此，文獻(xiàn) [11]和 [12]開始研究盤形滾刀作業(yè)順次對破巖效果的影響，并發(fā)現(xiàn)盤形滾刀的順次作業(yè)能提高其破巖效率，但基本不影響最優(yōu)刀間距。再之后，學(xué)者認(rèn)識到了巖體的復(fù)雜性，模擬開始考慮巖性[13]、節(jié)理傾角及間距[14]、圍壓[15-16]等對最優(yōu)刀間距的影響，并取得了一定成果。其中，文獻(xiàn) [16]使用顆粒流分析軟件 PFC2D 建立雙滾刀侵入破巖模型，滾刀模型的刃寬為 10 mm，刀刃角為 20°，刀刃上的過渡圓弧半徑為 4 mm，破巖對象定義為花崗巖，選用接觸粘結(jié)模型來模擬顆粒之間的接觸關(guān)系。根據(jù)TBM 真實(shí)掘進(jìn)地層中可能出現(xiàn)的圍壓值，設(shè)定巖石兩側(cè)的圍壓分別為 1、5、10、15、20、25 MPa，刀間距分別為 60、70、80、90、100 mm，設(shè)定侵深為10 mm，模擬雙刃中心滾刀在不同圍壓與刀間距下的侵入破巖過程。通過計(jì)算分析不同工況下的比能，發(fā)現(xiàn)當(dāng)圍壓為 1～10 MPa 時(shí)，最優(yōu)刀間距約為 70 mm；當(dāng)圍壓增加到 15～20 MPa 時(shí)，最優(yōu)刀間距約為 80 mm；當(dāng)圍壓為 25 MPa 時(shí)，最優(yōu)刀間距約為 85 mm。

2.2 刀間距二維確定方法

2.2.1 歷史背景

隨著 TBM 的應(yīng)用和普及，尤其是 20 世紀(jì) 60 年代至 80 年代，西方發(fā)達(dá)國家基礎(chǔ)建設(shè)進(jìn)入高潮，如交通隧道、引輸水隧洞等巖石質(zhì)地層廣泛采用 TBM 施工，曾一度出現(xiàn)研制 TBM 的公司，如美國的 Robbins、Jarva 和德國的 Demag、Wirth 四強(qiáng)并列的局面。期間也是 TBM 在西方發(fā)達(dá)國家大發(fā)展并逐漸完善的時(shí)期。TBM 工程應(yīng)用中出現(xiàn)的盤形滾刀壽命低，尤其是磨損后的盤形滾刀破巖效能急劇降低的現(xiàn)象，使人們認(rèn)識到了盤形滾刀破巖一維研究的局限性，這就是盤形滾刀線性滾壓破碎巖石試驗(yàn)裝置的研發(fā)背景。

2.2.2 室內(nèi)試驗(yàn)

二維確定刀間距的典型試驗(yàn)是盤形滾刀線性滾壓破碎巖石試驗(yàn)，也是目前國內(nèi)外多數(shù)研究機(jī)構(gòu)采用的室內(nèi)盤形滾刀破碎巖石試驗(yàn)，其試驗(yàn)原理和試驗(yàn)裝置[17]如圖 9 所示。在該領(lǐng)域，最早進(jìn)行盤形滾刀線性滾壓破碎巖石的試驗(yàn)由美國 Colorado School of Mines 的學(xué)者 L.Ozdemir 等人于 1979 年完成，所建立的模型被稱為 CSM 模型，其后進(jìn)行過多次完善，并于 2007 年進(jìn)行的盤形滾刀線性滾壓破碎 Colorado Red Granite 試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)最優(yōu)刀間距為 76 mm。

圖9 盤形滾刀線性滾壓破巖試驗(yàn)裝置Fig.9 Disc cutter linearly rolling and breaking rock test device

由于場地、成本等的限制，難以實(shí)現(xiàn)對刀盤上多把盤形滾刀的室內(nèi)滾壓破碎巖石的試驗(yàn)，因此在室內(nèi)進(jìn)行單把盤形滾刀線性滾壓破碎巖石的試驗(yàn)成為主流。其中，全尺寸盤形滾刀線性破巖試驗(yàn)由于在試驗(yàn)中采用大體積巖石，可以避免尺寸效應(yīng)的影響而被廣泛應(yīng)用。起初，國內(nèi)外學(xué)者采用盤形滾刀線性滾壓破碎不同的巖石來進(jìn)行全尺寸盤形滾刀線性破巖試驗(yàn)，以此來研究最優(yōu)刀間距和貫入度之間的關(guān)系[18-19]，發(fā)現(xiàn)貫入度對最優(yōu)刀間距有著很大的影響。隨著人們對最優(yōu)刀間距認(rèn)識的不斷加深，學(xué)者們把研究方向集中在外界環(huán)境參數(shù)及刀具自身參數(shù)對最優(yōu)刀間距的影響上，如盤形滾刀刃寬[20]、載荷特點(diǎn)[21](靜載、動靜組合加載)、干燥和飽水條件[22]等，盡管這些因素對盤形滾刀的破巖效率有一定影響，但對最優(yōu)刀間距影響不大，甚至可以忽略。而巖石溫度會對最優(yōu)刀間距產(chǎn)生影響，最優(yōu)刀間距會隨著巖石溫度的升高而增加[23]。

2.2.3 軟件模擬

因?yàn)榈堕g距的二維確定方法必須用三維模型實(shí)現(xiàn)，而三維離散元軟件計(jì)算量非常大，所以在建模過程中，經(jīng)常采用的方法為有限元，所用軟件以ABAQUS 和 ANSYS 為主，也有部分學(xué)者采用離散元方法。

國內(nèi)外學(xué)者建模大都只保留盤形滾刀的刀圈和刀體，并以此模擬盤形滾刀線性滾壓破碎巖石的過程[24]，如圖 10 所示。文獻(xiàn) [25]采用三維顆粒離散元方法分析不同斷面形態(tài)下巖石裂縫擴(kuò)展的范圍，以及不同刀間距下破巖比能與貫入度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)刀間距與貫入度的比值為 10 時(shí)比能為最小值，此時(shí)破巖效率最高。文獻(xiàn) [26]采用三維接觸算法的離散元軟件 MatDEM 建立了 TBM 雙滾刀線性順次切割模型，發(fā)現(xiàn)當(dāng)S/P(刀間距/貫入度)=20～25 時(shí)，破巖比能最小。文獻(xiàn) [18]和 [27]應(yīng)用盤形滾刀線性滾壓破碎巖石的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用三維有限元方法的 ANSYS 平臺研究了如何確定盤形滾刀最優(yōu)刀間距。其中，文獻(xiàn)[27]使用有限元仿真分析軟件 ANSYS AUTODYN 建立單把滾刀線性破巖模型，滾刀直徑為 432 mm 的 V形刀具。在給定貫入度下，該 V 形刀具與作業(yè)對象的接觸寬度與直徑為 432 mm 等截面盤形滾刀的接觸寬度相同。線性滾壓破碎和模擬巖石類別及性能如表 1所列。模擬采用 Drucker-Prage 巖石本構(gòu)模型，模擬貫入度為 4 mm，發(fā)現(xiàn)線性滾壓破碎上述巖石，當(dāng)比能最小時(shí)的S/P分別為 11、13、10、10、10、14、10、15。

圖10 線性滾壓破巖模擬Fig.10 Simulation of linear rolling and breaking rock

表1 線性滾壓破碎和模擬巖石的類別及性能Tab.1 Classification and properties of rocks used for linear rolling and breaking rock simulation

文獻(xiàn) [28]通過建立 2 把盤形滾刀線性滾壓破碎巖石的模型，并將模型得到的切向力和比能值與其線性滾壓破碎巖石的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩者誤差在合理范圍內(nèi)，證明了 ABAQUS 仿真模型的可行性和正確性。目前，學(xué)者們應(yīng)用分析軟件研究一些參數(shù)組合，如滾動長度、復(fù)合巖層等對最優(yōu)刀間距的影響，并發(fā)現(xiàn)最優(yōu)刀間距與圍壓[29]和貫入度有關(guān)，與滾動長度無關(guān)[30]。

2.3 刀間距三維確定方法

2.3.1 歷史背景

自TBM 產(chǎn)生以來，經(jīng)歷了 20 世紀(jì) 50 年代以盤形滾刀壓痕試驗(yàn)為基礎(chǔ)的第 1 代設(shè)計(jì)理論，和 20 世紀(jì) 70 年代至 80 年代以盤形滾刀線性滾壓破碎巖石試驗(yàn)為基礎(chǔ)的第 2 代設(shè)計(jì)理論的發(fā)展[31]。20 世紀(jì)末，世界上發(fā)達(dá)國家的地下隧道 (洞)建設(shè)基本告一段落，而我國則進(jìn)入了快速發(fā)展階段，從而使得國際上著名的TBM 制造商一度因我國對 TBM 的進(jìn)口而復(fù)活或興旺，如 Wirth、Robbins 等，甚至國際上以生產(chǎn)盾構(gòu)為主的制造商，如 Herrenknecht 等也一度研制 TBM 出口我國。TBM 在我國的應(yīng)用和發(fā)展，使國內(nèi)學(xué)者更全面、客觀地認(rèn)識到了 TBM 盤形滾刀破巖作業(yè)的三維屬性[32]，促進(jìn)了 TBM 設(shè)計(jì)理論[33]和應(yīng)用技術(shù)[34]的發(fā)展。

2.3.2 室內(nèi)試驗(yàn)

TBM 在巖石質(zhì)隧道 (洞)施工中的優(yōu)越性能及我國隧道 (洞)工程的發(fā)展，引起了我國政府相關(guān)部門和相關(guān)企業(yè)的高度重視，先后建起了“盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”(主要試驗(yàn)設(shè)備如圖 11 所示)和“全斷面掘進(jìn)機(jī)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室”等國家級實(shí)驗(yàn)室，為 TBM 刀間距的三維確定提供了試驗(yàn)手段。目前，研究人員大多先用其他方法確定最優(yōu)刀間距，再采用盤形滾刀圓形滾壓破碎巖石試驗(yàn)去驗(yàn)證所得結(jié)論的科學(xué)性和準(zhǔn)確性[35-36]。文獻(xiàn) [37]通過盤形滾刀圓形滾壓破碎巖石試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)砂巖、花崗巖形成的復(fù)合試樣的最優(yōu)S/P約為 14。

圖11 回轉(zhuǎn)切割試驗(yàn)臺Fig.11 Circular cutting test bench

2.3.3 軟件模擬

刀間距三維確定方法所用的數(shù)值模型與刀間距二維確定方法所用的數(shù)值模型基本一樣，常用ABAQUS 有限元軟件建模，同為三維空間模型[38]，如圖 12 所示。兩者不同之處在于，刀間距的二維確定方法是用盤形滾刀線性滾壓破碎巖石的數(shù)值模型模擬盤形滾刀破巖過程，而刀間距的三維確定方法是用盤形滾刀圓形滾壓破碎巖石的數(shù)值模型模擬盤形滾刀破巖過程。文獻(xiàn) [28]使用有限元仿真分析軟件ABAQUS 建立了雙滾刀回轉(zhuǎn)模型，滾刀為直徑 432 mm 的等截面盤形滾刀，破巖對象為 Hwangdeung 花崗巖，巖石本構(gòu)模型采用 Drucker-Prage，1 號盤形滾刀的軌跡圓半徑R=0.836 m，貫入度分別為 4、6、8、10 mm。通過改變 2 號盤形滾刀的軌跡圓半徑，模擬刀間距分別為 28、40、48、60、72 和 80 mm。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，破巖比能在刀間距為 60 mm 時(shí)為最小值，同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，盤形滾刀圓形滾壓破碎巖石的最優(yōu)刀間距一般介于 60～80 mm[38-40]。

圖12 回轉(zhuǎn)切割模型Fig.12 Circular cutting model

3 對比與分析

由上所述可以看出，TBM 刀盤上盤形滾刀刀間距的一維、二維和三維確定方法都是與當(dāng)時(shí)的認(rèn)知和生產(chǎn)技術(shù)水平相適應(yīng)的，都為 TBM 的技術(shù)進(jìn)步做出了歷史性貢獻(xiàn)。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，針對花崗巖，文獻(xiàn) [16]采用一維確定方法得出最優(yōu)刀間距約為 70 mm (圍壓為 1～10 MPa)；文獻(xiàn) [29]采用二維確定方法得出貫入度為 4 mm 時(shí)，最優(yōu)刀間距為 44 mm；文獻(xiàn) [26]采用三維確定方法，得出最優(yōu)刀間距約為 60 mm。其中文獻(xiàn) [29]與文獻(xiàn) [30]所用刀具、花崗巖巖石參數(shù)完全一樣，與文獻(xiàn) [18]所用刀具、巖石參數(shù)有細(xì)微差別，但 3 種方法針對同一種工況得到的最優(yōu)刀間距并不相同。

目前，研究人員進(jìn)行盤形滾刀破巖研究的手段已經(jīng)以盤形滾刀線性滾壓破巖和盤形滾刀圓形滾壓破巖為主。為分析這 2 種破巖研究的差異，將文獻(xiàn)[27](線性破巖模擬仿真)與文獻(xiàn) [28](回轉(zhuǎn)破巖模擬仿真，模擬 1 號盤形滾刀的軌跡圓半徑R=0.836 m，通過改變 2 號盤形滾刀的軌跡圓半徑，實(shí)現(xiàn)刀間距變化)關(guān)于 Hwangdeung 花崗巖所得數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，如表 2 所列。由表 2 可以看出，回轉(zhuǎn)破巖與線性破巖相比，其滾刀所受切向力更大，比能更大。為直觀對比2 種模擬方法的差異，以刀間距為橫坐標(biāo)、回轉(zhuǎn)破巖模擬值為真值，給出了盤形滾刀線性滾壓相對于圓形滾壓破碎 Hwangdeung 花崗巖所產(chǎn)生的平均切向力和破巖比能減小量的百分比，如圖 13 所示。從圖 13 可以看出，減小量的百分比較大的比能發(fā)生在刀間距40～72 mm 之間，而減小量的百分比較大的平均切向力發(fā)生在刀間距 40 mm 以下。

此外，文獻(xiàn) [41]在刀間距為 80 mm，破巖刀具和巖石完全一樣的情況下進(jìn)行線性全尺寸切割試驗(yàn) (貫入度分別為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5 mm)和回轉(zhuǎn)全尺寸切割試驗(yàn) (貫入度分別為 0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 mm，回轉(zhuǎn)切割半徑分別為 70、150、230、310、390 mm)。通過對比，不僅同樣發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)破巖與線性破巖相比，其滾刀所受切向力更大，比能更大，還發(fā)現(xiàn)回轉(zhuǎn)破巖與線性破巖相比，其滾刀所受法向力較小，并且回轉(zhuǎn)破巖過程中滾刀會受到某一個方向的較大側(cè)向力，而線性切割過程中側(cè)向力平均值大體為零。

表2 線性破巖模擬仿真與回轉(zhuǎn)破巖模擬仿真數(shù)據(jù)對比Tab.2 Comparison of linear breaking rock simulation and circular breaking rock simulation in simulation data

圖13 盤形滾刀線性比圓形模擬滾壓破碎 Hwangdeung 花崗巖的平均切向力和破巖比能的減小百分比Fig.13 Reduction percentage of average tangential force and specific rock-breaking energy consumption of linear rolling and breaking rock with disc cutter compared with circular rolling and breaking rock

4 結(jié)論

通過研究盤形滾刀最優(yōu)刀間距的確定方法發(fā)現(xiàn)，目前基本以二維確定方法為主，忽略了盤形滾刀安裝半徑對最優(yōu)刀間距的影響。還發(fā)現(xiàn)影響最優(yōu)刀間距的因素確實(shí)眾多，如巖石種類及其參數(shù)、節(jié)理、裂隙、不均質(zhì)程度及其參數(shù)等；盤形滾刀安裝參數(shù)，如安裝半徑、相位角；切削參數(shù)——貫入度等，都對最優(yōu)刀間距有不同程度的影響。為提高 TBM 利用率、降低TBM 施工成本，在 TBM 發(fā)展中心已轉(zhuǎn)入我國的大背景下，客觀、科學(xué)地確定 TBM 最優(yōu)刀間距已成為國內(nèi)科技人員面臨的重大挑戰(zhàn)?；谶@樣考慮，得出以下結(jié)論：

(1)將 TBM 最優(yōu)刀間距的確定方法區(qū)分為室內(nèi)試驗(yàn)、工程經(jīng)驗(yàn)和軟件模擬。其中室內(nèi)試驗(yàn)確定最優(yōu)刀間距的方法——盤形滾刀壓痕、線性切槽 (滾動)和圓形滾壓破碎巖石的試驗(yàn)?zāi)：嗽囼?yàn)方法與盤形滾刀群實(shí)際破巖間的關(guān)系。

(2)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)確定最優(yōu)刀間距過程中盤形滾刀與巖石的作用關(guān)系，理論上可概括為 TBM 刀間距的一維確定方法、二維確定方法和三維確定方法，揭示了 TBM 刀間距的發(fā)展、發(fā)展趨勢和應(yīng)該深入研究的內(nèi)容。

(3)目前研究 TBM 最優(yōu)刀間距所用的盤形滾刀直徑大都為 17 英寸，盤形滾刀幾何形狀及參數(shù)對最優(yōu)刀間距的影響也應(yīng)深入進(jìn)行研究。

(4)從對 Hwangdeung 花崗巖采用 Drucker-Prage巖石本構(gòu)模型的模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，盤形滾刀線性滾壓破碎巖石的平均切向力和比能都較其圓形滾壓破碎巖石的平均切向力和比能為小，分別平均減小 17.73% 和29.47%，揭示了盤形滾刀二維破巖和三維破巖機(jī)理的差異，即揭示了安裝半徑為無窮大盤形滾刀的破巖與有限安裝半徑條件下盤形滾刀破巖機(jī)理的差異。