复合岩层中隧道轴线和岩层走向平行、垂直时TBM滚刀破岩机理研究

复合岩层中隧道轴线和岩层走向平行、垂直时TBM滚刀破岩机理研究
刘予会/中国水利水电第十一工程局有限公司
【摘要】TBM在我国交通、水利及采矿工程的隧道中大量应用，在掘进中经常遇到复合岩层.有必要研究复合岩层中TBM滚刀破岩机理。

本文采用PFC3D（Partical Flow Code in3Dimension）探讨复合岩层中隧道轴线和岩层走向平行、垂直时TBM滚刀破岩机理，得出相关结论。

【关键词】复合岩层TBM滚刀岩层倾角滚刀间距破岩效率
1引言
硬岩隧道掘进机（Tunnel Boring Machine,简称TBM）是用于隧道施工的现代化大型复杂掘进装备.不仅施工效率高，而且安全稳定性好，因此得到广泛应用。

在日常研究中由于试验成本较高，数值模拟受到国内外学者的青睐。

数值模拟方法主要有有限单元法、边界元法、离散单元法、有限差分法。

离散单元法特别适用于解决岩体方面的问题，在滚刀与围岩相互作用研究中得到了一定的应用。

张魁等在围压、滚刀切削顺序不同的工况下，选用离散单元软件构建双滚刀切削节理不发育岩石的数值模型，从滚刀破岩效率、裂纹扩展机制以及岩石破裂块度等三个方面进行了考虑。

彭琦利用理论分析和UDEC数值模拟相结合的方法，分析了围压对滚刀破岩的影响・进而表明围压对TBM滚刀破岩有一定的促进作用。

蒋詰基于室内试验平台和PFC颗粒流数值模拟软件相结合的方法，分别从宏观和细观方面探讨围压对滚刀破岩的影响，研究最优刀间距随围压的变化情况。

秦鹏伟基于离散单元法建立滚刀破岩模型，探究节理参数、围压和岩体强度对滚刀破岩模式、滚刀受力特征、裂纹扩展机制、破岩效率和最优刀间距的影响。

Potyondy等基于PFC颗粒流软件，研究岩石压裂、声发射、损伤累积产生材料各向异性以及滞后性、膨胀、峰后软化等特征。

Gong等基于PFC颗粒流二维软件模拟了单滚刀及双滚刀的破岩过程和滚刀间距优化。

Moon等基于PFC颗粒流软件构建数值模型，研究了滚刀间距和岩石特征等对破岩效率的影响规律。

上述学者主要研究单一岩层滚刀破岩，而对于复合岩层滚刀破岩的研究相对较少，因此本文基于PFC3D 数值模拟软件进行复合岩层中隧道轴线和岩层走向平行、垂宜时TBM滚刀破岩机理的研究，进而分析出滚刀最优刀间距及破岩机理。

为了确保和CCS滚刀近似的破岩效果，建模时要求相同贯入度下V形模型与岩体的接触宽度等同于CCS刀具（图1）。

图1液刀倚化模型（单位：mm）
为了研究复合岩层中岩层走向与倾角对破岩效率的影响，采用比能进行对比分析。

是指切削单位体积的岩石所需要的功率。

比能是权衡TBM破岩和掘进效率的一个重要指标，比能越小，破裂单位体积岩石所损耗的
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地下工程
能量越小，破岩以及掘进效率越高。

比能是指切削单位体积的岩石所需要的功率，记作SE,可采用下式计算：
cp=F h P+F』=W
QQ_v~v
式中F”——滚刀所受平均法向力；
P----滚刀的贯入度；
V——滚刀破岩所得到的破碎块单位体积，在
PFC3D软件中，当所有产生裂纹的颗粒
接触点之间的接触键达到零时，用检测消
除的颗粒数来计算破碎块单位体积V。

2隧道轴线和岩层走向
滚刀间距的确定主要取决于开挖岩层的地质分布、岩石的种类、岩石的强度和岩层倾角等。

通常情况下,最优刀间距同时也是根据滚刀贯入度进行设置的，在给 定的滚刀贯入度下来设定一个最优刀间距。

如果设定的滚刀贯入度减小了，而相应的最优刀间距也将减小；如果设定的滚刀贯入度增大了，而相应的最优刀间距也将增大。

对模型中的硬岩和软岩通过“试错法”不断调整细观参数并不断计算，细观参数标定结果见表1。

表1标定后得到的主要细观参数
参数
数值
较硬岩较软岩颗粒最小半径/m m22
颗粒粒径比11
颗粒刚度比11颗粒密/(kg/mm3)20211811
颗粒接触模量/GPa&67.2
颗粒摩擦系数0.50.5平行黏结半径因子0.50.5
平行黏结刚度比11
平行黏结模量/GPa&67.2
法向黏结强度/MPa37±1029±10
切向黏结强度/MPa351±1088±10
加载速率/(m/s)0.050.05随着滚刀间距的不断增大，比能也会相应变化。

为了探讨不同掘进方向下最优刀间距，可用s/p(s—
—滚刀间距；P—贯入度)与比能的定量关系来确定滚刀的最佳切割条件。

当隧道轴线和岩层走向平行时，利用建立的PFC数值模拟进行计算分析，分析探讨隧道轴线和岩层走向平行时的最优刀间距。

不同s/p下贯入度和滚刀间距s计算组合列举如表2所示,s"分别取值5.0、7.5、10.0、12.5、15.0、17.5及20.0等7个值。

计算组合表
表2不同s/p下贯入度p和滚刀间距s
贯入度
/mm
s/p
5.07.510.012.515.017.520.0
420304*********
63045607590105120
8406080100120140160
采用PFC3D数值模型对滚刀破岩过程进行了数值模拟分析，分析研究滚刀最优刀间距，数值模拟方法不仅能够真实地反映滚刀的破岩机制，而且还可以用于确定滚刀的最优刀间距。

图2描述了不同s"下的SE/SE”.变化规律。

由图2可以看出，不同s/p下滚刀破岩SE/SE mi…的变化规律接近，都是随着s/p的增大，而SE/SE”m呈现先减小后增大的趋势。

当滚刀贯入度是4mm时，随着s/ P的增大，SE/SE”®呈现先减小后增大的规律，所以就会呈现一个波谷，而波谷处就是比能最小的点，此是5/p=10.0左右，也就是说当滚刀贯入度为4mm以及s/p=10.0时是最佳切割条件，利于滚刀破岩；当滚刀贯入度是6mm时，随着s/p的增大，SE/SE”；”也是呈现先减小后增大的规律，同理，此时s/p=10.0左右，也就说当滚刀贯入度为6mm以及s/p=10.0时是最佳切割条件，利于滚刀破岩；当滚刀贯入度是8mm时，随着s/p的增大，SE/SE罰同样也是呈现先减小后增大的规律，同理，此时s/p=7.5左右，也就说当滚刀贯入度为8mm以及s"=7.5时是最佳切割条件，利于滚刀破岩。

图2隧道轴线和岩层走向夹角0°
由上述分析可知，当滚刀贯入度为4mm、6mm和s//>=10.0,以及当滚刀贯入度为8mm和s//>=7.5时，是最佳切割条件。

由不同s/p下贯入度和滚刀间距s计算组合列举表可知，当滚刀贯入度为4mm、s//>=10.0时，滚刀最优刀间距是40mm;当滚刀贯入度为6mm、s/p=W.Q时，滚刀最优刀间距是60mm；当滚刀贯入度为8mm、s/p=7.5时，滚刀最优刀间距是60mm。

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复合岩层中隧道轴线和岩层走向平行、垂直时TBM滚刀破岩机理研究
3隧道轴线和岩层走向垂直
当隧道轴线和岩层走向垂直时，滚刀破岩的掌子面上的岩石有两种情况：第一种是破岩掌子面上的岩石是较硬的岩石，第二种是破岩掌子面上的岩石是较软的岩石。

因此就要分别，分析这两种情况下的破岩效率。

（1）隧道轴线和岩层走向垂直时，滚刀破岩掌子面是较硬岩时，由图3可知，当滚刀贯入度为4mm、6mm 和8mm时，不同s/p下的SE/SE””都是随着s/p的增大，而SE/SE m”呈现先减小后增大的趋势，因此可以知道这种曲线规律下有波谷，也就是说有最优滚刀间距。

当滚刀贯入度为4mm时，不同s/p下的SE/SE””是随着$/；>的增大，SE/SEm”呈现先减小后增大的趋势，在s/p=10.0左右处是波谷，比能是最小值，也就说当滚刀贯入度为4mm以及s/p=10.0时是最佳切割条件，利于滚刀破岩；当滚刀贯入度为6mm时，不同$/p下的SE/SEe”也是随着s/p的增大，SE/SE mi…也是呈现先减小后增大的趋势，在5//）=10.0左右处是波谷，比能是最小值，也就说当滚刀贯人度为6mm以及5//,=10.0时是最佳切割条件，利于滚刀破岩；当滚刀贯入度为8mm时，不同s/p下的SE/SE min也是随着s/p的增大，SE/SE”；”也是呈现先减小后增大的趋势，在s/p=7.5左右处是波谷，比能是最小值，也就说当滚刀贯入度为8mm以及5//.=7.5时是最佳切割条件，利于滚刀破岩。

图3（上为较硬岩下为较软岩）隧道轴线和岩层走向夹角90°
由上述分析可知，当滚刀贯入度为4mm和6mm和s/p=10.0时是最佳切割条件，当滚刀贯入度为8mm和s/p=7.5时是最佳切割条件。

由不同s/p下贯入度和滚刀间距s计算组合列举表可知，当滚刀贯入度为4mm 时，s/p=10.0时滚刀最优刀间距是40mm；当滚刀贯入度为6mm时，s/p=10.0时滚刀最优刀间距是60mm;当滚刀贯入度为8mm时，s/p=7.5时滚刀最优刀间距是60mm。

（2）隧道轴线和岩层走向垂直，滚刀破岩掌子面是较软岩，由图4可知，当滚刀贯入度为4mm、6mm和8mm时，不同s/p下的SE/SE””都是随着s/p的增大，而SE/SE””呈现先减小后增大的趋势，因此就可以知道这种曲线规律下有波谷，也就是说有最优滚刀间距。

当滚刀贯入度为4mm和6mm时，不同s/p下的SE/SE””是随着的增大，SE/SE””呈现先减小后增大的趋势.在s/p=10.0左右处是波谷，比能是最小值，也就说当滚刀贯入度为4mm和6mm以及s/p=10.0时是最佳切割条件.利于滚刀破岩；当滚刀贯入度为8mm时，不同s/p下的SE/SE”；”也是随着s/p的增大，SE/SE””也是呈现先减小后增大的趋势，在s/p=7.5左右处是波谷，比能是最小值，也就说当滚刀贯入度为8mm以及$//>=7.5时是最佳切割条件，利于滚刀破岩。

图4（上为较软岩下为较硬岩）隧道轴线和岩层走向夹角90。

由上述分析可知，当滚刀贯入度为4mm和6mm和s/p=l0.0时是最佳切割条件，当滚刀贯入度为8mm和s/p=7.5时是最佳切割条件。

由不同s/p下贯入度和滚刀间距s计算组合列举表可知，当滚刀贯入度为4mm 时，s"=10.0时滚刀最优刀间距是40mm；当滚刀贯入度为6mm时，s/p=10.0时滚刀最优刀间距是60mm；当滚刀贯入度为8mm时，s"=7.5时滚刀最优刀间距是60mm。

4结语
（1）隧道轴线和岩层轴向平行时，当滚刀贯入度为4mm和$//>=10.0时是最佳切割条件，最优刀间距为40mm；当滚刀贯入度为6mm和s/p=10.0时是最佳切割条件，最优刀间距为60mm；当滚刀贯入度为8mm 和s/p=7.5时是最佳切割条件，最优刀间距为60mm。

（2）隧道轴线和岩层轴向垂直（上为较软岩下为较硬岩、上为较硬岩下为较软岩）时，当滚刀贯入度为4mm和s/p=10.0时是最佳切割条件，最优刀间距为40mm；当滚刀贯入度为6mm和s/p=10.0时是最佳切割条件，最优刀间距为60mm；当滚刀贯入度为8mm 和5//,=7.5时是最佳切割条件，最优刀间距为60mm。

（3）岩石的强度对破岩效率有影响.岩石强度越高越不利于破岩，岩石强度越低越利于破岩。

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