徐福通，周輝，李彥恒，高陽(yáng)，盧景景，邱浩權(quán)

(1.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所 巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430071；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京，100049；3.火箭軍工程設(shè)計(jì)研究院，北京，100011)

隨著川藏鐵路、粵港澳大灣區(qū)、長(zhǎng)江經(jīng)濟(jì)帶、京津冀協(xié)調(diào)發(fā)展等一系列國(guó)家發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃的啟動(dòng)與實(shí)施，我國(guó)地下工程建設(shè)進(jìn)入高速發(fā)展期[1]。尤其是在隧道建設(shè)領(lǐng)域，隨著相關(guān)研究不斷深入，新工法、新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)等不斷涌現(xiàn)[2]。隧道施工設(shè)備和工法的選擇與施工條件、作業(yè)環(huán)境等因素密切相關(guān)，常見(jiàn)的隧道/巷道建設(shè)施工方法主要包括盾構(gòu)/隧道掘進(jìn)機(jī)、鉆爆法、沉管法等[1]。對(duì)比硬巖隧洞施工采用的隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)和鉆爆法，TBM 具有安全環(huán)保、高度機(jī)械化、高施工效率等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、大中型水電站、南水北調(diào)、西氣東輸、城市地鐵和市政管道等工程[3]。

近年來(lái)，由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展和國(guó)防建設(shè)需求不斷增加，我國(guó)在建、擬建隧道項(xiàng)目工程的規(guī)模和數(shù)量不斷突破，隧道建設(shè)所面臨的地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)形式更為復(fù)雜[4]。以川藏鐵路為代表的國(guó)家重大工程建設(shè)，面臨著長(zhǎng)隧道多、地應(yīng)力高、斷層活動(dòng)頻繁等重大挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)TBM 裝備已難以滿(mǎn)足復(fù)雜地質(zhì)條件下的施工需求，因此，進(jìn)行針對(duì)性的創(chuàng)新設(shè)計(jì)顯得尤為迫切[5]。為此，以水射流、激光、聲波等為代表的一系列新型破巖技術(shù)逐漸走上舞臺(tái)，并在隧道開(kāi)挖中取得了重要突破[6]。為探究巖石的高效切割破碎方法，學(xué)者們開(kāi)展了包括應(yīng)用電火花、激光、火焰、等離子體、高壓水射流等25 種新方法和技術(shù)的破巖試驗(yàn)，最終確定高壓水射流為最可行、最有效的破巖方法[7]。在地下隧道/隧洞工程中，水射流破巖的主要方式為沖擊破巖[8]，即水射流沖擊巖石，使巖石內(nèi)部的拉伸應(yīng)力或剪切應(yīng)力大于巖石的抗拉強(qiáng)度或抗剪強(qiáng)度而導(dǎo)致巖石破壞。而磨料水射流涉及到固體顆粒和水的耦合問(wèn)題[9]，破巖效果主要取決于無(wú)數(shù)磨料顆粒的連續(xù)沖擊、剪切和高速水的持續(xù)沖擊、擠壓等共同作用的結(jié)果[10]。

高壓水射流破巖技術(shù)具有環(huán)保高效、低擾動(dòng)、低熱量等特點(diǎn)[11]，有助于降低與TBM 協(xié)同破巖時(shí)機(jī)械刀具的磨損，水射流的輔助作用已被證實(shí)可以降低刀具溫度和截割荷載，提高巖石的破碎效率[12-16]，在巖石切割和礦山開(kāi)采等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[17-19]。ZHANG 等[17]根據(jù)龍巖市萬(wàn)安溪引水工程隧洞的實(shí)際施工要求，開(kāi)展了高壓水射流輔助TBM 滾刀破巖試驗(yàn)，分析驗(yàn)證了各項(xiàng)參數(shù)對(duì)水射流切割效果的影響，研究成果助力了國(guó)內(nèi)首臺(tái)高壓水力耦合破巖TBM“龍巖號(hào)”[20]的誕生。CHENG 等[21-22]通過(guò)開(kāi)展高壓水射流預(yù)制切槽試樣的室內(nèi)準(zhǔn)靜態(tài)貫入試驗(yàn)和數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)試樣破壞時(shí)的峰值貫入荷載隨切槽深度的增加而降低，進(jìn)一步驗(yàn)證了水射流切槽在巖石表面形成的自由面有助于降低TBM滾刀的破巖力和破巖能耗。

盡管“龍巖號(hào)”已經(jīng)驗(yàn)證了水射流輔助TBM破巖的可行性，但目前對(duì)于水射流輔助破巖機(jī)制和效率提升途徑研究較少。在輔助破巖機(jī)制方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)開(kāi)展水射流線性切割試驗(yàn)和回轉(zhuǎn)切割試驗(yàn)，證明了高壓水射流的噴嘴移動(dòng)速度、流量、壓力、靶距以及入射角度等因素會(huì)對(duì)巖石的切割效果產(chǎn)生顯著影響[23-26]。水射流輔助破巖技術(shù)通常將水射流注入機(jī)械刀具誘發(fā)的裂縫中，利用水射流的壓漲作用致使巖石破裂[8]；有的則利用水射流切縫，釋放機(jī)械刀具破巖時(shí)的圍巖應(yīng)力[27]，從而實(shí)現(xiàn)降低破巖力的目的。但由于目前水射流試驗(yàn)的噴嘴移動(dòng)速度大多集中在0.01～1.50 m/s，受限于高壓泵的實(shí)際工作能力，能夠提供噴嘴高速移動(dòng)切割的裝置較少，與工程TBM 刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)線速度尤其是邊緣位置的線速度(2.6～4.0 m/s)相差甚大[28-33]。多項(xiàng)研究表明[26,34-35]，噴嘴移動(dòng)速度對(duì)水射流的切縫效果(縫寬、縫深和沖蝕體積等)具有重要作用，因此，需要進(jìn)一步開(kāi)展水射流噴嘴隨TBM刀盤(pán)高速旋轉(zhuǎn)下的破巖切割研究。

目前，高壓水射流與傳統(tǒng)TBM 相結(jié)合的聯(lián)合破巖技術(shù)仍處于研究探索階段，實(shí)現(xiàn)高壓水射流切割與傳統(tǒng)TBM刀盤(pán)破巖協(xié)調(diào)匹配，使新型TBM綜合破巖效率達(dá)到最優(yōu)，是高壓水射流輔助TBM破巖的關(guān)鍵問(wèn)題。水力聯(lián)合的形式一方面需要實(shí)現(xiàn)水力切槽與滾刀破巖的協(xié)調(diào)配合，水力切槽應(yīng)當(dāng)先于滾刀破巖實(shí)施。同時(shí)，水力切槽必須達(dá)到一定深度才能對(duì)滾刀破巖起促進(jìn)作用；另一方面，水射流噴嘴必須在一定移動(dòng)速度下才能具備切割所需槽深度的能力。在滿(mǎn)足上述條件的基礎(chǔ)上，對(duì)水力聯(lián)合TBM 的刀盤(pán)進(jìn)行布局設(shè)計(jì)，有助于實(shí)現(xiàn)滾刀和水射流破巖的聯(lián)合高效作業(yè)。因而，如何協(xié)調(diào)解決TBM 刀盤(pán)邊緣高壓水射流噴嘴移動(dòng)速度過(guò)快與由其導(dǎo)致的切槽深度過(guò)淺的矛盾，成為制約高壓水射流輔助TBM 機(jī)械刀具破巖模式發(fā)展的關(guān)鍵難題之一，也是制約當(dāng)前TBM 結(jié)構(gòu)形式提升綜合破巖效率的瓶頸問(wèn)題。

基于此，本文通過(guò)開(kāi)展國(guó)內(nèi)外已建/在建隧道/洞工程TBM 的刀盤(pán)施工參數(shù)調(diào)研，模擬并分析刀盤(pán)不同位置安裝水射流噴嘴的運(yùn)行規(guī)律和線速度，開(kāi)展不同噴嘴移動(dòng)速度的水射流切割試驗(yàn)，研究噴嘴移動(dòng)速度對(duì)水射流切割能力和熱量集聚的影響，探討提高TBM 刀盤(pán)邊緣高壓水射流切割能力的措施，以期為高壓水射流輔助TBM 破巖的裝備升級(jí)和技術(shù)創(chuàng)新提供參考。

1 TBM刀盤(pán)邊緣水射流噴嘴運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析

傳統(tǒng)TBM 裝備的破巖效率難以繼續(xù)提升，而結(jié)合水射流輔助的破巖技術(shù)可知，高壓水射流噴嘴需采用一定的布設(shè)原則和布局方式，以取得最優(yōu)破巖效果，以龍巖號(hào)刀盤(pán)布局(圖1[20,36])為例，高壓水射流噴嘴通常沿TBM 刀盤(pán)徑向均勻分布，對(duì)于不同位置處的水射流噴嘴，其運(yùn)動(dòng)規(guī)律和破巖深度不盡相同。

對(duì)于不同位置處的水射流噴嘴：

1) 當(dāng)R=0(R為水射流噴嘴到刀盤(pán)中心的距離)，TBM 旋轉(zhuǎn)破巖時(shí)，高壓水射流連續(xù)沖擊掌子面固定點(diǎn)，并隨著TBM 推進(jìn)以水力鉆孔的形式進(jìn)行破巖；

2) 當(dāng)R＞0，TBM 旋轉(zhuǎn)破巖時(shí)，高壓水射流噴嘴以刀盤(pán)中心為圓心做圓周運(yùn)動(dòng)，高壓水射流在掌子面上進(jìn)行回轉(zhuǎn)切割作業(yè)；不同半徑處噴嘴水射流在巖石表面切割形成具有一定深度的同心圓切割槽。

由于高壓水射流噴嘴隨刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)做圓周運(yùn)動(dòng)，不同位置處噴嘴的回轉(zhuǎn)切割速度隨所處半徑增大而逐漸增大(R1＜R2＜R3＜R4，見(jiàn)圖1(a))。為充分了解工程TBM 運(yùn)行參數(shù)以及模擬安裝高壓水射流噴嘴的移動(dòng)線速度范圍，對(duì)國(guó)內(nèi)外部分已建/在建隧道/洞工程TBM 的刀盤(pán)直徑數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)速參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算其刀盤(pán)邊緣的線速度，見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外已建/在建隧道/洞TBM刀盤(pán)直徑及轉(zhuǎn)速參數(shù)Table 1 Diameters and rotating speeds of TBM cutter heads in built/under-construction tunnel projects

圖1 高壓水射流噴嘴刀盤(pán)布設(shè)位置Fig.1 Arrangement layout of high pressure water jet nozzles in cutter head

對(duì)比不同工程項(xiàng)目中TBM 相關(guān)參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，刀盤(pán)邊緣的線速度范圍為2.6～4.0 m/s，且與刀盤(pán)直徑呈正相關(guān)，刀盤(pán)中心噴嘴的線速度為0.3～0.6 m/s，二者具有明顯差別，尤其對(duì)于大直徑TBM 刀盤(pán)這一差距更加顯著。噴嘴移動(dòng)瞬時(shí)線速度的差異直接導(dǎo)致水射流切割能力在刀盤(pán)內(nèi)外圈的不協(xié)調(diào)，外圈噴嘴移動(dòng)速度過(guò)快，切割槽深度較淺[34]，對(duì)機(jī)械刀具破巖的促進(jìn)作用會(huì)降低甚至完全消失[17,27]，對(duì)高壓水射流輔助TBM 破巖刀盤(pán)的磨損和整體破巖效率帶來(lái)不利影響。為了提高水力聯(lián)合TBM的整體破巖能力，有必要開(kāi)展TBM刀盤(pán)上高壓水射流噴嘴位于不同安裝位置處移動(dòng)速度和切割能力匹配問(wèn)題的研究。

在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展巖石試樣的高壓水射流切割試驗(yàn)，是研究高水射流切割能力的常用手段之一。本文通過(guò)對(duì)目前已有水射流切割巖石的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)研，得到不同水射流試驗(yàn)中噴嘴的移動(dòng)速度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，如表2所示。

表2 不同水射流試驗(yàn)中切割巖土材料的噴嘴最大移動(dòng)速度Table 2 The maximum moving velocity of nozzles during cutting process of geotechnical materials in different water jet tests

調(diào)研結(jié)果表明，試驗(yàn)條件下水射流切割時(shí)的噴嘴移動(dòng)速度最大值為1.5 m/s，多數(shù)集中在0.5 m/s以下，遠(yuǎn)未達(dá)到實(shí)際工程中TBM 刀盤(pán)邊緣的瞬時(shí)線速度，可見(jiàn)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)于提高水力聯(lián)合TBM 刀盤(pán)邊緣位置高壓水射流噴嘴的實(shí)際破巖效率仍有較大的局限性。此外，高壓水射流切割巖石時(shí)會(huì)在刀盤(pán)附近的狹小工作空間內(nèi)產(chǎn)生熱量集聚，可能會(huì)危害設(shè)備安全運(yùn)行及施工人員生命健康，但目前的水射流切割試驗(yàn)往往忽略這一問(wèn)題，因而有必要對(duì)水射流切割過(guò)程中的熱量釋放進(jìn)行分析，進(jìn)而提出改進(jìn)建議，助力TBM 施工作業(yè)的環(huán)保及可持續(xù)性。

2 高壓水射流切割能力試驗(yàn)驗(yàn)證及探索

2.1 高壓水射流切割試驗(yàn)準(zhǔn)備

為了進(jìn)一步驗(yàn)證高壓水射流噴嘴移動(dòng)速度與切割能力的關(guān)系，選用HZ37G 型后混磨料高壓水射流切割系統(tǒng)開(kāi)展巖石切割試驗(yàn)，如圖2所示，系統(tǒng)主要由高壓泵、控制臺(tái)、水射流裝置及其配套結(jié)構(gòu)組成。高壓泵可以提供的最大壓力為420 MPa，最大流量為3.7 L/min。

圖2 高壓水射流切割試驗(yàn)Fig.2 High pressure water jet cutting tests

水流噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。水射流切割試驗(yàn)采用口徑為0.3 mm 的寶石噴嘴以及口徑為1.0 mm的砂管?chē)娮欤チ喜捎昧綖?78 μm石榴砂。水泵產(chǎn)生的高壓水經(jīng)高壓水噴管通過(guò)極細(xì)口徑的寶石噴嘴進(jìn)入混合腔，利用高速水射流的虹吸原理，與來(lái)自引砂管的磨料在混合腔中混合，之后由砂管?chē)娮靽姵觯瑢?duì)試樣進(jìn)行切割。切割水壓為400 MPa，噴嘴距試樣靶距離為4 mm。試驗(yàn)分別針對(duì)中等強(qiáng)度砂巖和高強(qiáng)度花崗巖試樣進(jìn)行切割，試樣的基本力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。水射流試驗(yàn)過(guò)程中只改變噴嘴的移動(dòng)速度，采用2，3，4，5 和6 m/min這5個(gè)速度等級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)，其他控制參數(shù)均保持一致。為了與TBM 刀盤(pán)邊緣線速度單位保持一致，噴嘴移動(dòng)速度換算為0.033，0.050，0.067，0.083和0.100 m/s。

表3 巖石試樣基本力學(xué)參數(shù)Table 3 Basic mechanical parameters of rock samples

圖3 水射流噴嘴結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of water jet nozzle structure

切割深度與切割寬度是表征水射流切割能力的兩項(xiàng)重要指標(biāo)，試驗(yàn)后，對(duì)試樣表面進(jìn)行清洗，并采用塞尺和游標(biāo)卡尺分別測(cè)量切槽的深度和寬度，切割寬度為水射流切槽開(kāi)口處的寬度。為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，每道切槽在10 個(gè)不同位置進(jìn)行測(cè)量，并取其測(cè)量結(jié)果的平均值。切槽過(guò)程中，由于水射流的沖擊作用，在試樣表面產(chǎn)生大量熱量，造成水汽蒸發(fā)。為評(píng)價(jià)水射流沖擊產(chǎn)熱導(dǎo)致升溫的現(xiàn)象，采用工業(yè)測(cè)溫儀測(cè)量切割后試樣的表面溫度，每次水射流切割后，利用空氣噴槍清理試樣表面污水，隨后立即采用手持式紅外測(cè)溫儀在水射流切割路徑的多個(gè)位置進(jìn)行測(cè)量，取平均值，并統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

2.2 水射流噴嘴高速移動(dòng)切割能力驗(yàn)證

圖4所示為高壓水射流切割砂巖和花崗巖試驗(yàn)后，切割深度、切割寬度與試樣表面溫度隨噴嘴移動(dòng)速度的變化曲線。

對(duì)比砂巖和花崗巖試樣的試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著噴嘴移動(dòng)速度增加，切割寬度減小。其中，砂巖試樣切割寬度隨噴嘴移動(dòng)速度增加呈線性減小，潘俊鋒等[26]針對(duì)水射流切割砂巖試樣(單軸抗壓強(qiáng)度為68 MPa)開(kāi)展試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)噴嘴移動(dòng)速度進(jìn)一步增大時(shí)，切割寬度的降低趨勢(shì)趨于平緩。對(duì)應(yīng)地，花崗巖切割寬度的變化趨勢(shì)為先快速降低后趨于平緩，這與朱團(tuán)輝等[40]采用口徑為0.74 mm的噴嘴在280 MPa水壓時(shí)切割花崗巖試樣所得到的結(jié)論一致。切割過(guò)程中，由于過(guò)快的噴嘴移動(dòng)速度縮短了水射流破裂巖石的作用時(shí)間，射流外側(cè)的水束受到外界阻力，速度逐漸衰減[41]，難以切割出更寬的開(kāi)口。在本次試驗(yàn)中，砂巖試樣的切割寬度未出現(xiàn)拐點(diǎn)，而花崗巖試樣在噴嘴移動(dòng)速度為0.050 m/s 時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，說(shuō)明提高噴嘴移動(dòng)速度更不利于硬巖切割。

由圖4(a)和(b)可見(jiàn)，兩類(lèi)巖石試樣的切割深度存在較大差異，砂巖切割深度明顯比花崗巖的大，可見(jiàn)水射流對(duì)強(qiáng)度較低的砂巖具有更高的切割能力。砂巖與花崗巖切割深度隨噴嘴移動(dòng)速度的變化規(guī)律基本一致，即隨著噴嘴移動(dòng)速度增加，水射流與試樣接觸的切割時(shí)間減少，切割深度逐漸減小。特別是對(duì)于強(qiáng)度較高的花崗巖，當(dāng)速度由0.033 m/s 到0.100 m/s 時(shí)，切割深度由11 mm 降低到4 mm，降低了63.6%。由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨噴嘴移動(dòng)速度增大，水射流切割能力顯著降低。并且，試驗(yàn)中噴嘴移動(dòng)速度遠(yuǎn)低于實(shí)際大直徑水力聯(lián)合TBM 刀盤(pán)邊緣的線速度，表明當(dāng)水力聯(lián)合TBM刀盤(pán)邊緣安裝水射流噴嘴切割巖石掌子面時(shí)，高速移動(dòng)狀態(tài)下的水射流噴嘴破巖能力非常有限，因此，進(jìn)一步提升噴嘴高速移動(dòng)狀態(tài)下的破巖效率是發(fā)展新型水力聯(lián)合TBM的關(guān)鍵要素之一。

圖4 試樣切割能力及表面溫度隨噴嘴移動(dòng)速度的變化Fig.4 Changes of cutting capacity and surface temperature of samples with nozzle moving velocity

對(duì)比砂巖和花崗巖試樣表面溫度隨噴嘴移動(dòng)速度的變化規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，兩類(lèi)巖石的熱交換能力存在差異，砂巖試樣的表面溫度隨噴嘴移動(dòng)速度增加先平緩降低后快速下降，而花崗巖試樣恰好相反，先快速下降后緩慢降低。本次水射流切割試驗(yàn)為室內(nèi)試驗(yàn)(室溫為20 ℃)，砂巖試樣表面溫度變化區(qū)間為33.0～44.6 ℃，溫差為11.6 ℃；而花崗巖試樣的表面溫度變化區(qū)間為22.6～41.5 ℃，溫差為18.9 ℃。由此可見(jiàn)，單次切割時(shí)，較高強(qiáng)度的花崗巖試樣溫度下降更快，貢獻(xiàn)了更多熱量。此外，本次試驗(yàn)中試樣表面溫度最高達(dá)44.6 ℃，可以預(yù)見(jiàn)，對(duì)于通風(fēng)條件較差的TBM 刀盤(pán)，由于其前方空間狹小，熱量積聚，容易影響施工安全和環(huán)保。

2.3 重復(fù)切割條件下水射流切割能力試驗(yàn)分析

由2.2節(jié)可知，水射流切割深度隨噴嘴移動(dòng)速度的增大而減小，對(duì)水力聯(lián)合TBM 的破巖效率產(chǎn)生不利影響。為探究重復(fù)切割增加水射流切槽深度的可行性，開(kāi)展2種巖石試樣在不同噴嘴移動(dòng)速度下的重復(fù)切割試驗(yàn)，每次切割均在前一次切割測(cè)量完成后開(kāi)展，重復(fù)切割3 次。統(tǒng)計(jì)切割深度、切割寬度和表面溫度數(shù)據(jù)，繪制重復(fù)切割條件下，切割能力和試樣表面溫度隨噴嘴移動(dòng)速度的變化曲線，分別如圖5和圖6所示。

圖5 砂巖切割參數(shù)隨噴嘴移動(dòng)速度的變化Fig.5 Changes of cutting parameters of sandstone sample with nozzle moving velocity

圖6 花崗巖切割參數(shù)隨噴嘴移動(dòng)速度的變化Fig.6 Changes of cutting parameters of granite sample with nozzle moving velocity

由圖5 和圖6 可見(jiàn)，在多次重復(fù)切割條件下，砂巖和花崗巖切割寬度隨噴嘴移動(dòng)速度的變化趨勢(shì)與單次切割時(shí)的規(guī)律一致。砂巖試樣切割寬度近似呈線性減小，而花崗巖切割寬度的變化趨勢(shì)為先快速降低后平緩下降。重復(fù)切割時(shí)，兩類(lèi)試樣的切割寬度均增加。隨噴嘴移動(dòng)速度增加，砂巖試樣三次重復(fù)切割的變化曲線逐漸靠攏，切割寬度增量減少，如圖5(b)所示?；◢弾r試樣重復(fù)切割后，切割寬度變化趨勢(shì)的拐點(diǎn)向噴嘴移動(dòng)速度增加的方向移動(dòng)，表明通過(guò)增加切割次數(shù)，可以改善噴嘴移動(dòng)速度較快時(shí)單次切割硬巖的效果。

由圖5和圖6還可知：砂巖和花崗巖切割深度隨噴嘴移動(dòng)速度增大而減小，降低趨勢(shì)為先快速降低后逐漸平緩下降，與廖勇等[35]重復(fù)切割花崗巖的試驗(yàn)結(jié)果一致。試樣重復(fù)切割時(shí)，后續(xù)水射流可以在已有切槽的基礎(chǔ)上繼續(xù)切割，切槽深度逐漸增加，射流靶距增大，切割深度增量呈減小趨勢(shì)，如圖7所示。圖7中，Δ1為第二次與第一次切槽深度的差值；Δ2為第三次與第二次切槽深度的差值。可見(jiàn)，隨噴嘴移動(dòng)速度增加，重復(fù)切割深度增量逐漸減小，即當(dāng)重復(fù)切割次數(shù)增加到一定程度，切槽深度增幅變緩[24]。

圖7 切割深度增量隨噴嘴移動(dòng)速度的變化Fig.7 Changes of incremental depth with nozzle moving velocity

文獻(xiàn)[17,27]表明，當(dāng)切割深度較淺時(shí)，水射流切槽對(duì)破巖的輔助作用逐漸降低，甚至無(wú)法降低機(jī)械刀具的破巖力，進(jìn)而提高TBM的破巖效率。以強(qiáng)度較高的花崗巖試樣為例，在噴嘴移動(dòng)速度為0.100 m/s 時(shí)，第1 次切割深度為4 mm，當(dāng)噴嘴移動(dòng)速度更快(接近TBM 刀盤(pán)邊緣的線速度)時(shí)，高壓水射流的破巖能力急劇降低，對(duì)強(qiáng)度較大的巖石，無(wú)法形成有效切割輔助破巖?；◢弾r重復(fù)切割試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)對(duì)試樣進(jìn)行多次切割，當(dāng)切割深度增加到6.2 mm 時(shí)，較第1 次切割深度提高了55%(中等強(qiáng)度砂巖在試驗(yàn)最大速度下切割深度增加100%)，可見(jiàn)，重復(fù)切割對(duì)增加噴嘴高速移動(dòng)狀態(tài)下的水射流切割深度具有重要作用，可以在噴嘴高速移動(dòng)時(shí)形成有效切槽輔助滾刀破巖。

對(duì)比砂巖和花崗巖試樣在不同切割次數(shù)下表面溫度隨噴嘴移動(dòng)速度的變化規(guī)律可知，隨噴嘴移動(dòng)速度增加，兩類(lèi)試樣表面溫度的下降趨勢(shì)由單次切割時(shí)的非線性減小轉(zhuǎn)變?yōu)榻凭€性減小。砂巖多次切割后，表面溫度最大值由單次切割時(shí)的44.6 ℃增大至53.0 ℃，不同噴嘴移動(dòng)速度下表面溫度增幅為2.6～8.4 ℃，最大增幅為8.4 ℃(噴嘴移動(dòng)速度0.033 m/s)；而花崗巖的表面溫度最大值由單次切割時(shí)的41.5 ℃增大至48.1 ℃，不同噴嘴移動(dòng)速度下表面溫度增幅為1.2 ℃～6.6 ℃，最大增幅為6.6 ℃(噴嘴移動(dòng)速度0.033 m/s)。相比之下，砂巖的溫度增幅更大。由圖5(c)和圖6(c)可知，重復(fù)切割時(shí)，兩類(lèi)試樣表面溫度的變化曲線隨噴嘴移動(dòng)速度增加逐漸靠攏，溫度增幅降低。

砂巖和花崗巖三次重復(fù)切割后，在試驗(yàn)最高噴嘴移動(dòng)速度0.1 m/s 條件下，表面溫度分別達(dá)到35.6 ℃和30.1 ℃。雖然提高噴嘴移動(dòng)速度會(huì)降低重復(fù)切割時(shí)表面溫度的增長(zhǎng)趨勢(shì)，但重復(fù)切割導(dǎo)致試樣表面熱量積聚，造成試樣溫度上升，遠(yuǎn)超試驗(yàn)環(huán)境溫度(室溫20 ℃)，巖石表面熱量與密閉環(huán)境的熱交換會(huì)造成潛在的熱害威脅。因此，在水力聯(lián)合TBM 施工過(guò)程中，保證充分合理的通風(fēng)散熱條件以及采用新型水射流材料和工藝來(lái)降低工作空間溫度是安全環(huán)保施工的必然選擇。目前，該問(wèn)題無(wú)法通過(guò)常規(guī)純水射流和磨料水射流的方式解決，但可采用硬質(zhì)冰粒替代傳統(tǒng)石榴砂磨料，通過(guò)冰粒水射流的方式切割巖石，利用冰粒融化吸熱降溫的原理，吸收水射流切割積聚的熱量，有助于改善隧道工程施工環(huán)境，提高射流切割能力，保障水力聯(lián)合TBM的安全環(huán)保施工。

3 討論

3.1 水射流重復(fù)切割破巖

由圖1可知，相同半徑的射流噴嘴會(huì)隨刀盤(pán)的回轉(zhuǎn)而對(duì)巖體重復(fù)切割，但是刀盤(pán)轉(zhuǎn)速較低或噴嘴間距較大時(shí)，無(wú)法保證水射流重復(fù)切割的連續(xù)性，水射流切槽對(duì)滾刀破巖的促進(jìn)作用降低。根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)論，為提高TBM 刀盤(pán)邊緣高壓水射流噴嘴在高速移動(dòng)狀態(tài)下的切割能力，可以通過(guò)減小射流靶距和噴嘴間距、重復(fù)切割等方式，使巖體在較短時(shí)間內(nèi)受到多次水射流不間斷切割。重復(fù)切割可以保證相同位置巖體受到水射流沖擊的連續(xù)性，增加切槽深度，且射流過(guò)程中產(chǎn)生的水錘壓力和滯止壓力會(huì)導(dǎo)致巖體破碎坑的形成，并誘發(fā)巖體內(nèi)部的裂紋擴(kuò)展[42]，進(jìn)一步提高水力聯(lián)合TBM的破巖效果。

3.2 水射流切割試驗(yàn)裝置優(yōu)化

通過(guò)對(duì)砂巖和花崗巖試樣開(kāi)展高壓水射流在不同噴嘴移動(dòng)速度下的切割試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了噴嘴移動(dòng)速度對(duì)切割能力的影響。值得注意的是，包括本文試驗(yàn)裝置在內(nèi)，受限于高壓水泵的工作能力和電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，絕大多數(shù)試驗(yàn)設(shè)備無(wú)法達(dá)到實(shí)際工程TBM 刀盤(pán)邊緣線速度所匹配的噴嘴移動(dòng)速度。這是因?yàn)椋?) 常規(guī)水射流切割平臺(tái)噴嘴多采用線性移動(dòng)方式，由于設(shè)備尺寸限制，噴嘴移動(dòng)時(shí)提速階段距離過(guò)長(zhǎng)，實(shí)際有效切割距離過(guò)短且要求試樣的尺寸較大；此外，超高壓柔性管路設(shè)計(jì)難度巨大，無(wú)法滿(mǎn)足噴嘴高速移動(dòng)過(guò)程中的高壓需求。2) 對(duì)于高壓水射流回轉(zhuǎn)切割裝置，電機(jī)與高壓旋轉(zhuǎn)動(dòng)密封接頭同軸，由電機(jī)帶動(dòng)圓形回轉(zhuǎn)裝置上與旋轉(zhuǎn)接頭相連接的水射流噴嘴進(jìn)行切割，電機(jī)轉(zhuǎn)速以及噴嘴與回轉(zhuǎn)裝置中心軸之間的距離直接決定了噴嘴移動(dòng)線速度，而電機(jī)的額定功率往往難以滿(mǎn)足長(zhǎng)時(shí)間高速旋轉(zhuǎn)的切割工況。因此，高壓水射流切割系統(tǒng)有待改進(jìn)。

CICCU 等[23]設(shè)計(jì)的回轉(zhuǎn)水射流切割裝置采用固定水射流噴嘴，將試樣放置在可以旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上進(jìn)行切割，但受到試驗(yàn)安裝平臺(tái)半徑的限制，切割速度最高為2 m/s，距離TBM刀盤(pán)邊緣的線速度仍存在一定差距，但該方案合理規(guī)避了上述兩個(gè)問(wèn)題，也為在實(shí)驗(yàn)室條件下實(shí)現(xiàn)水射流噴嘴高速移動(dòng)提供了新的思路。此外，重慶大學(xué)相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了包括回轉(zhuǎn)水射流切割裝置在內(nèi)的一系列設(shè)備，為噴嘴高速移動(dòng)狀態(tài)下的巖石切割提供了重要支撐。因而，可以通過(guò)將水射流噴嘴固定，提高試樣旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的半徑和轉(zhuǎn)速，使其匹配TBM 刀盤(pán)邊緣線速度，保證試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證的準(zhǔn)確性。另一方面，將試樣固定，設(shè)計(jì)研制可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)切割的大半徑水射流回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，并解決水射流管路的高壓動(dòng)密封問(wèn)題，同樣是水射流高速切割試驗(yàn)裝置的發(fā)展方向。

3.3 特殊射流提高切割能力探討

由于高壓水射流通過(guò)射流沖擊巖石破巖[8]，因此可以通過(guò)改進(jìn)射流材料以提高水射流切割能力，為此，人們提出了一系列特殊水射流形式：磨料水射流、脈沖射流、空化射流等，但考慮到特殊水射流形式的配套設(shè)備需求，目前仍以高壓純水射流的形式輔助TBM滾刀破巖[17]為主。

針對(duì)磨料射流破巖效率，ZENG等[43]提出了關(guān)于高壓磨料水射流切割深度與其他控制參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

式中：h為最大切割深度，mm；fa為磨料材料系數(shù)，對(duì)于石榴石，fa=1；Nm為材料的加工性能系數(shù)；qw為水射流流量，kg/s；qa為磨料流量，kg/s；da為磨料噴嘴直徑，mm；v為噴嘴移動(dòng)速度，m/s；C為常數(shù)。

由式(1)可知，水射流的切割深度與噴嘴移動(dòng)速度呈負(fù)相關(guān)，與磨料流量呈正相關(guān)。由此可見(jiàn)，研發(fā)以高壓磨料水射流為代表的特殊射流系統(tǒng)，精簡(jiǎn)優(yōu)化其配套設(shè)備的功能需求和空間需求，可以有效提升純水射流的切割能力，對(duì)于提高TBM刀盤(pán)邊緣高線速度條件下的水射流切割深度同樣具有重大意義。

4 結(jié)論

1) 統(tǒng)計(jì)國(guó)內(nèi)外多條已建/在建隧道TBM的刀盤(pán)直徑和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，計(jì)算TBM 刀盤(pán)邊緣的瞬時(shí)線速度，并與當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室中水射流巖石切割試驗(yàn)射流噴嘴移動(dòng)速度對(duì)比，揭示當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室水射流切割試驗(yàn)噴嘴移動(dòng)速度無(wú)法滿(mǎn)足工程需要的問(wèn)題。

2) 通過(guò)開(kāi)展不同噴嘴移動(dòng)速度條件下砂巖和花崗巖的水射流重復(fù)切割試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)噴嘴移動(dòng)速度提高會(huì)降低切割深度和表面溫度，重復(fù)切割有助于提高水射流的切割深度，噴嘴移動(dòng)速度對(duì)切割寬度影響不大，切割深度更能反映水射流的切割能力。

3) 采用多次重復(fù)切割的方式能夠有效提高高壓水射流噴嘴高速移動(dòng)狀態(tài)下的切割能力，但隨著重復(fù)切割次數(shù)增加到一定程度，切槽深度增幅變緩。針對(duì)水力聯(lián)合TBM 破巖過(guò)程中熱量積聚的問(wèn)題，提出冰粒射流的解決思路，即利用冰粒融化吸熱降溫吸收水射流切割積聚的熱量。

4) 根據(jù)射流試驗(yàn)存在的實(shí)際問(wèn)題，提出了通過(guò)減小射流靶距和噴嘴間距、重復(fù)切割等方式，使巖體在較短時(shí)間內(nèi)受到多次水射流不間斷切割以提高水射流破巖效果的方法；提出了實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展高速水射流切割試驗(yàn)裝備的優(yōu)化方向，即采用增大試驗(yàn)臺(tái)半徑和提高試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)速的方式以及研制大半徑水射流回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可以獲得匹配TBM 刀盤(pán)邊緣線速度的試驗(yàn)條件；以磨料水射流為代表的特殊水射流破巖系統(tǒng)的研發(fā)，有助于提升水力聯(lián)合TBM裝備的破巖能力。