不同地质工况条件下TBM刀具破岩模式研究

张魁, 夏毅敏, 朱宗铭, 兰浩, 林赉贶, 暨智勇

(1.中南大学 现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室，湖南 长沙 410083; 2.School of Engineering, University of Hull,

不同地质工况条件下TBM刀具破岩模式研究

张魁1,2, 夏毅敏1, 朱宗铭1, 兰浩1, 林赉贶1, 暨智勇1

(1.中南大学 现代复杂装备设计与极端制造教育部重点实验室，湖南 长沙 410083; 2.School of Engineering, University of Hull,

Hull, HU6 7RX, UK)

为了提高TBM刀具在不同地质工况下的适应能力以及破岩效率，针对岩土介质在刀具载荷作用下呈现的复杂应力场，考虑岩土介质的裂隙、节理及围压的耦合作用，基于离散元法，依次建立了单一特定地层下单刀切割含倾斜节理岩石、双刀切割节理不发育岩石以及含水平节理岩石的2D离散单元模型，观察到岩石在不同围压、节理参数、刀间距和切割顺序下微裂纹的演化过程，并根据裂纹扩展方向和破碎块的形成规则的不同，归纳出TBM刀具切割岩土时12种不同典型破碎形式，最终获得了破碎模式与具体工况的对应关系。通过分析比较可知，大部分破碎形态与文献试验观察到的宏观破碎现象具有良好的一致性。

TBM刀具；破岩模式；裂纹扩展；工况；围压

Changsha 410083, China; 2. School of Engineering, University of Hull, Hull, HU6 7RX, UK)

随着隧道掘进机制造技术的不断发展，隧道掘进机(TBM)被广泛应用到隧道开挖的工程实践中去[1]。TBM刀具是TBM掘进施工的主要部件，它在掘进过程中常常会遇到各种各样的地质工况，如淤泥、软土、软岩和微风化硬岩等组成的复合地层以及差异巨大的岩石节理等。同时TBM所处的掘进地层受到自重应力、构造应力、岩石遇水后物理化学变化引起的膨胀应力、温度引起的热应力等综合作用，这使得岩体处于原岩应力状态。数值仿真与实验室数据[2-5]以及现场施工数据[6]无不表明岩石的可钻性、岩石裂纹的演化及破碎模式、TBM性能以及TBM刀具的损耗均与围压、地质条件，节理等存在着极为密切的关系。为了研究不同地质工况下刀具的适应性，提高刀具的破岩效率，本文采用离散元法[7]，依次建立了单刀切割含倾斜节理岩石、双刀切割节理不发育岩石以及含水平节理岩石的UDEC[8]数值模型，通过改变围压、节理间距、节理角度、刀间距和切割顺序这几个重要参数，模拟TBM在单一地层中掘进的地质工况，系统地研究了TBM刀具作用下岩石的破碎模式及特点。

1 计算模型及参数选取

1.1 计算模型

对于含倾斜节理的岩石来说，单刀加载便可以产生较大的破碎块，而对于节理不发育以及含水平节理的岩石而言，则需要至少两把刀具切割岩石才能形成较大的破碎区。为了便于研究不同地质工况条件下的破碎模式，设计了3组数值模型，模型示意图如图1所示。

(a) 单刀切割倾斜节理模型

(b) 双刀切割节理不发育模型

(c) 双刀切割水平节理模型图1 仿真模型示意图Fig. 1 Numerical simulation models

模型尺寸的选取应尽量降低岩石的尺寸效应并节省计算时间，参考文献[4]中的尺寸参数，岩石尺寸设定为600 mm × 600 mm，比例为1∶1。TBM刀具与岩石接触面的厚度为15 mm，刀具对岩石的作用等效成均布应力载荷P(P1表示前刀，P2表示后刀)；Q为原岩围压，S为刀间距，js为节理间距，θ为节理夹角，尺寸b为节理位置尺寸。岩石底面边界约束y向速度自由度，岩石块划分成单元尺寸为5mm的精细无限差分网格。设置局部阻尼系数为0.1，考虑重力的影响。

岩石采用Mohr-Clulomb[9]模型，其破坏准则如图2所示。

图2 Mohr-Culomb准则Fig. 2 Yield criterion of Mohr-Culomb

A到B线段由下式来描述：

(1)

B到C段由下式描述：

ft=σt-σ3

(2)

当岩体内某一点应力满足fs>0时，发生剪切破坏；当满足ft>0时，发生拉伸破坏。

图1(a)、(c)中，两相邻块体之间存在着岩石节理。定义块体接触边上的所有网格点作为接触点，以弹簧-滑移系统来模拟节理面。节理面的力学模型相关介绍参考文献[8]。

1.2 岩体物理力学指标

根据工程地质勘察报告和室内岩体力学实验，砂岩物理力学参数及节理参数由工程地质勘察报告和室内岩体力学实验获得，具体参见文献 [5]。

2 典型破岩模式

2.1 单刀切割含倾斜节理岩石

如图3所示，单刀切割含倾斜节理岩石时具有5种典型破碎模式。其中，模式i、j与文献[10]观测到的现象基本一致。

(a) 破碎模式h

(b) 破碎模式i

(c) 破碎模式j

(d) 破碎模式k

(e) 破碎模式l图3 单刀切割含倾斜节理岩石Fig. 3 A single cutter breaks rock with inclined joints

破碎模式h：刀尖下对应节理面上产生微裂纹，并向上扩展并与中间裂纹交汇，形成三角形破碎块。破碎模式i：刀尖下对应节理面处产生裂纹，并向上扩展并与侧向裂纹交汇，形成三角形破碎块。破碎模式j：侧向裂纹直接扩展至节理面，形成三角形破碎块。破碎模式k：刀尖下节理面上产生两处拉应力失效区，上部区域产生裂纹并水平扩展，下部区域产生裂纹以一定角度与侧向裂纹相向扩展，三条裂纹交汇于一点形成三角形与梯形破碎块。破碎模式l：刀尖下节理面上产生拉应力失效区，并引发裂纹扩展，该裂纹以一定角度与侧向裂纹相向扩展，交汇形成单个梯形破碎区。

2.2 双刀切割节理不发育岩石

如图4所示，双刀切割节理不发育岩石时具有6种典型破岩模式。其中，模式a与Lindqvist等人[11-12]在实验室观测到的破碎现象基本一致。

(a) 破碎模式a

(b) 破碎模式b

(c) 破碎模式c

(d) 破碎模式d

(e) 破碎模式e

(f) 破碎模式f图4 双刀切割节理不发育岩石Fig. 4 Double cutters break rock without joints

在破碎模式a中，侧向裂纹逐渐扩展，某时刻改变原有方向，趋于交汇并发生破坏。破碎模式b中，中间应力失效区产生裂纹，并向下扩展，与刀具两侧产生的侧向裂纹交汇并形成两个近似对称的破碎区。破碎模式c为两侧向裂纹与中间区域下部相应的裂纹交汇，岩石破碎。破碎模式d在侧向裂纹发生贯穿之前，中间区域表里层的微裂纹已经与侧向裂纹发生交汇，岩石破碎。破碎模式e前刀产生的侧向裂纹以某角度扩展至一定深度后停止运动，后刀生成新的侧向裂纹，并以一定角度与前刀产生的侧向裂纹交汇。破碎模式f前刀产生的侧向裂纹以某角度扩展至一定深度后停止运动，后刀生成新的侧向裂纹，某时刻突然改变其扩展方向，并与前刀产生的侧向裂纹交汇。

2.3 双刀切割含水平节理岩石

双刀同时切割含水平节理岩石时存在如图5所示3种破碎模式，其中d，b模式的裂纹扩展过程与文献[13]中的描述一致。

破碎模式g为不对称的裂纹扩展模式，形成两个破碎区。一个破碎区是刀具的侧向裂纹与中间应力失效区裂纹交汇形成的，另一个破碎区为侧向裂纹，中间区域表里层的微裂纹共同形成。

综上，仿真共观测到12种典型的破碎模式。分析发现：中间裂纹仅在破碎模式h中参与生成破碎块，其他破碎模式中均有侧向裂纹参与形成。破碎模式a～g下，破碎块的生成与相邻刀具间侧向裂纹的相互作用密切相关。另一方面，原岩围压以及刀间距的大小，决定了中间表/里层应力失效区对侧向裂纹扩展影响程度以及影响方式。当中间表/里层均参与破碎块的形成时，最多能生成三块主要的破碎区。模式a～g中除g模式外，其他均为对称模式。破碎模式h～l出现在节理发育的岩层，由于非水平节理的存在，单刀就能够产生加大的破碎区。除了模式k、l产生梯形破碎块外，其他的模式的破碎块均为三角形。

(a) 破碎模式g

(b) 破碎模式d

(c) 破碎模式b图5 双刀切割水平节理岩石Fig. 5 Double cutter break rock with horizontal joints

值得注意的是，上述捕捉到的不同裂纹扩展模式中存在2个共性，即在刀具作用边缘的岩石自由面上，形成了封闭的拉伸失效单元区，由于考虑到该失效区域岩石的抗拉强度会骤然降低且内部应力释放迫使岩体弹性势能降低，根据能量守恒定律，减少的能量一部分变成表面能用于形成新的碎块表面，另一部分转化为动能会使之崩裂脱离母岩，因此数值分析认为在TBM刀具作用下，岩石会在刃侧不可避免地产生较为剧烈的岩石崩裂现象。这种现象随后被TBM刀具破岩试验中架设的高速摄像仪捕捉证实[14]。另外，在刀具侵入过程中，刀刃底部产生锥形失效区，且在锥形失效区内部，由于压应力过大产生了局部粉碎或显著塑性变形，开始在刃底出现一个袋状或球状的密实核。在双刃TBM球齿滚刀切割无节理砂岩实验[14]中，同样捕捉到了相似形状的密实核。

3 不同地质工况对应的破碎模式

进一步研究表明，不同的刀间距、围压、切割顺序、加载应力，节理间距及节理夹角等均能引发不同的破碎模式。含倾斜节理的岩石破碎模式与工况的对应关系如下表1所示。

表1 含倾斜节理的岩石破碎模式

表中可以看出：节理夹角为15°时，无论何种围压下仅以h模式破碎。当角度大于15°时，节理角度与围压共同决定了岩石的破碎模式。结合2.1节对裂纹扩展形态的描述可知，节理面上形成的裂纹与刃底右侧向裂纹及中间裂纹之间组合交汇的方式，决定了岩石破碎块的形状。结合表3可知，当节理夹角较小时(如15°)，左侧向裂纹扩展至节理面，以h模式破碎。当左侧向裂纹扩展能力足够时，沿节理面方向扩展至岩样边界面时，以i、 j或k模式破碎。马洪素等人[15]配置了2种不同强度的混凝土试块，并利用波纹状钢片制备出节理面，随后借助岩石三轴试验机进行了TBM刀具(用平底钢块替代)侵岩试验。对比图4和文献[15] 捕捉到的两种侵入载荷F下岩石宏观破碎现象可知，相似工况下本文获得的破碎模式i(j)及模式l分别与该试验观察到的宏观破碎现象一致。

无论是仿真研究还是试验观察获得的裂纹扩展过程，均表明节理对裂纹的进一步扩展有阻隔作用。文献[16]利用岩石应力波理论解释了该现象，即节理的存在改变了岩体中应力波的传播模式。一方面，节理面反射的拉伸应力波加剧了节理与刀具间岩体的碎裂；另一方面，软弱节理面破坏吸收了应力波能量，阻碍了应力波向下的传播，减弱了下部岩体的破坏程度。

双刀切割节理不发育岩石可能出现的破碎模式与工况对应的关系如下表2所示。可以看出：无围压条件下，同时加载时机理不发育岩石仅以a模式破碎；顺序加载时岩石仅以e模式破碎，随着围压的增加，转化成独有的f模式。同时加载时，在一定刀间距下，随着围压的增加，逐渐向b、c模式转化；d模式仅出现于高围压、较大刀间距的场合。

表2 无节理岩石可能出现的破碎模式

图6为广州地铁3号线北延段同和站-永泰站施工段现场采集到的普通岩石破碎块，该段为浅层掘进，岩石节理尚未发育。分析岩样发现，破碎块的表面宽度基本一致，为70 mm左右，与滚刀最优刀间距相接近。破碎块左右边缘呈现弧形或直线形，底部窄，截面形状与破碎模式a、e、f产生的块体一致。这表明：破碎块的形成与侧向裂纹的交汇贯穿密切相关，仿真得到的部分破碎模式与浅地层现场施工所观测的现象基本一致。

图6 施工现场采集到的破碎块岩样Fig. 6 The sample of rock fragment collected in the construction situ

表3 含水平节理的岩石破碎模式

80 mm刀间距、含水平节理岩石、刀具同时加载时，不同工况对应的破碎模式如表3所示。从上表中可以看出：含水平节理的岩石主要有3种破碎模式。无围压条件下仅以b模式出现；15 MPa围压下仅以d模式下出现；g模式仅出现在中低围压下。

4 结束语

本研究探明了TBM刀具切割岩石时可能存在的12种破碎模式，且通过分析比较可知，大部分破碎形态与文献试验及仿真研究观察到的宏、微观破碎现象具有良好的一致性。鉴于掘进地层下的地质参数(如岩石节理、围压)和工作参数(如刀间距、加载顺序)对岩石裂纹衍生及岩石破碎模式具有的影响，如何应对不同地质工况下可能出现的典型破碎模式以满足TBM高效高地质适应性要求是未来进一步研究的重点。

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Rock-breaking modes of TBM cutters under different working conditions

ZHANG Kui1,2, XIA Yimin1, ZHU Zongming1, LAN Hao1, LIN Laikuang1, JI Zhiyong1

(1. Key Laboratory of Modern Complex Equipment Design and Extreme Manufacturing, Ministry of Education, Central South University,

In order to improve the adaptability and efficiency of a TBM cutter under different working conditions, simulation models were established, based on the 2-D discrete element method, of a single cutter breaking rock with inclined joints, and double cutters breaking rock without joints or with horizontal joints under a certain single formation. Factors included the complicated stress fields of rock and soil media under the load of a TBM cutter, with the coupling effect between rock cracks, joints, and various confining pressures. Microcrack propagation under different confining pressures, parameters of joints, cutter spacing, and cutting orders, was observed. Based on the propagation direction of cracks and the formation pattern of fragments, 12 typical types of breaking modes were established. Finally, the relationship between breaking modes and working conditions was obtained. Most of the modes obtained from this test are in good agreement with the macroscopic fragment phenomena captured by experimental observation in other literature.

TBM cutter; rock-breaking mode; crack propagation; working condition; confined pressure

2014-04-15.

时间：2015-07-27.

国家自然科学基金资助项目(51074180)；国家973基金资助项目(2013CB035401)；国家863基金资助项目(2012AA041801)；湖南省科技计划基金资助项目(2013GK3003)；湖南省战略新兴产业重大科技攻关项目(2012GK4068)；湖南省研究生科研创新项目(CX2011B089)；中南大学贵重仪器设备开放共享基金资助项目(CSUZC2013013).

张魁(1985-), 男,博士研究生； 夏毅敏(1967-), 男, 教授, 博士生导师.

张魁, E-mail:csukui@163.com.

10.3969/jheu.201404047

TP391.9；U455.31

A

1006-7043(2015)09-1240-06

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.U.20150727.1256.004.html