TBM多刀不同切削順序破巖過程的數(shù)值研究

譚季秋,譚 青,夏毅敏,徐孜軍

(1.湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,湘潭 411101;2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,長沙410083)

0 引 言

近年來,隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和建設(shè)需求的持續(xù)增長,將會有大量的鐵路、公路以及水電等大型隧道工程項(xiàng)目,這些項(xiàng)目的完成均離不開掘進(jìn)機(jī)械的使用[1].刀具是TBM(隧道掘進(jìn)機(jī))的關(guān)鍵破巖部件,而作為主要掘進(jìn)刀具的滾刀,其破巖效率直接影響了掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)速度[2].研究滾刀作用下巖石裂紋的生成與擴(kuò)展規(guī)律,對提高滾刀的使用壽命,優(yōu)化滾刀在刀盤上的布置,從而實(shí)現(xiàn)高效、低能耗的隧道掘進(jìn)具有重要的意義[3].

國內(nèi)外學(xué)者從理論、實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真等手段對滾刀破巖特性開展了大量的工作.其中有代表性的研究如切列巴諾夫[4]將刀具破巖分為壓縮變形、赫茲裂紋發(fā)生和擴(kuò)展、徑向裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展以及破碎塊形成四個階段;Kou S.Q.[5]將典型裂紋系統(tǒng)分為側(cè)向裂紋、中間裂紋和破碎區(qū);Liu H.Y.[6]對單個和多個壓頭侵入并破碎巖石進(jìn)行了數(shù)值仿真,得到了巖石應(yīng)力分布和破碎情況;Gong Q.M.[7,8]利用二維離散元軟件對巖石裂紋生成和擴(kuò)展過程進(jìn)行了模擬.

但是,盾構(gòu)刀具在刀盤上的布置通常呈螺旋線模式[9,10],也就是說相鄰滾刀之間存在著一定的相位角,這就說明多把滾刀在破巖過程中滾過同一截面時必定存在著某一先后順序,不同的滾壓次序?qū)ζ茙r的效果必然有所影響,本文正是基于這一思想,并借助于二維離散單元軟件在模擬巖石裂紋方面的巨大優(yōu)勢,對多把滾刀按不同次序切削節(jié)理不發(fā)育巖石進(jìn)行了模擬,并對仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析.

1 模型的建立及參數(shù)的選取

TBM在施工中常遇到各種復(fù)雜的地質(zhì)條件,建立全因素模型是不現(xiàn)實(shí)的,因此須對實(shí)際問題進(jìn)行必要的簡化.本文對破巖過程進(jìn)行適當(dāng)簡化,假定TBM在特定單一的地層下掘進(jìn),忽略地下水、溫度場、圍壓及巖石裂隙、節(jié)理等因素的耦合作用,僅考慮TBM刀具破巖時的先后順序?qū)ζ茙r機(jī)理的影響.由于仿真軟件的限制,本文暫不涉及相位角度的影響,因此模擬的順次加載僅為前一把滾刀產(chǎn)生的裂紋相對穩(wěn)定后,再加載后一把滾刀的情況.

模型示意圖如圖1所示,巖石尺寸為600 mm×600 mm,比例為1∶1.TBM刀具與巖石接觸面的厚度為15 mm,刀具對巖石的作用等效成均布應(yīng)力載荷P(P1表示前刀,P2表示后刀);Q為原巖圍壓,S為刀間距.巖石底邊界約束y向速度自由度,巖石塊劃分成單元尺寸為5 mm的精細(xì)無限差分網(wǎng)格.設(shè)置局部阻尼系數(shù)為0.1,考慮重力的影響.

圖1 計(jì)算模型示意圖

巖石采用Mohr-Clulomb[11]模型,其破壞準(zhǔn)則如圖2所示:

圖2 Mohr-Culomb準(zhǔn)則

A到B線段由下式來描述:

B到C段由下式描述:

當(dāng)巖體內(nèi)某一點(diǎn)應(yīng)力滿足 fs＞0時,發(fā)生剪切破壞;當(dāng)滿足 f t＞0時,發(fā)生拉伸破壞.

根據(jù)工程地質(zhì)勘察報告和室內(nèi)巖體力學(xué)實(shí)驗(yàn),確定某砂巖的巖石特性參數(shù)如表1所示.

表1 砂巖的材料參數(shù)

為考察同時切削與順次切削時巖石的破碎機(jī)理,測試條件作如下變化:刀間距S為80 mm;Q=0 MPa,即無圍壓狀態(tài).

仿真過程中記錄的數(shù)據(jù)項(xiàng)目如下:巖石的裂紋擴(kuò)展過程;巖石破碎發(fā)生時刀具的臨界應(yīng)力值σα;破碎塊面積A;破碎塊的寬度ω和厚度h;巖石的最大中間裂紋長度lmax與側(cè)向裂紋的長度l′max;巖石的主應(yīng)力云圖等.

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

由實(shí)驗(yàn)得到數(shù)據(jù)如表2所示.

表2 仿真數(shù)據(jù)表

2.1 刀具的破巖效率

不同切削次序下,刀具的臨界應(yīng)力隨加載方式的變化如下圖3(a)所示.顯然,順次加載所需要的臨界應(yīng)力高于同時加載方式.這就意味著在相同的貫入度下,順次加載得到的臨界應(yīng)力值更接近TBM刀具破碎巖石時的推進(jìn)力.

圖3 加載方式與臨界應(yīng)力及破巖效率的關(guān)系圖

圖3 (b)為加載方式與破巖效率的關(guān)系圖.縱坐標(biāo)為切入率,橫坐標(biāo)為刀間距.由于切入率不僅與臨界應(yīng)力值有關(guān),還與破碎塊的面積有關(guān),上述兩個因素的影響使得這三種加載方式下破巖效率的變化規(guī)律不太明顯.我們初步確定順次加載方式a的破巖效率比較高.

2.2 刀具的破巖模式

圖4 為同時加載方式下巖石裂紋的演化過程示意圖.加載開始時,如圖4(a)所示,在與刀具相接觸的巖石自由面產(chǎn)生了細(xì)微的拉應(yīng)力破壞區(qū).加載前期,兩個錐形壓應(yīng)力失效單元區(qū)域在刀刃下一定深度巖層處逐漸形成,而該深度以上至自由面處的巖體由于處在高圍壓條件下,尚未發(fā)生失效破壞,如圖4(b).隨著侵深的增加,赫茲裂紋在錐形失效區(qū)前端產(chǎn)生,如圖4(c)所示.同時在錐形失效區(qū)內(nèi)部,由于壓應(yīng)力過大產(chǎn)生了局部粉碎或顯著塑性變形,開始在刀具下方出現(xiàn)一個袋狀或球狀的密實(shí)核.錐形失效區(qū)的邊緣由于拉應(yīng)力產(chǎn)生更多的微裂紋,并有向外擴(kuò)散的趨勢.刀刃繼續(xù)侵入巖石,多條擴(kuò)展速度相對較快的微裂紋形成了若干主要裂紋,即側(cè)向裂紋和中間裂紋.同時兩把刀刃之間的巖石表面出現(xiàn)了拉應(yīng)力失效區(qū)域,如圖4(d)所示.側(cè)向裂紋與中間裂紋繼續(xù)擴(kuò)展,但最為重要的是刀刃之間的側(cè)向裂紋卻在刀具的相互作用下改變了它們原來獨(dú)立的擴(kuò)展方向,趨于交匯,如圖4(e).巖石破碎于它們交匯的那一刻,破碎區(qū)域呈多邊形狀,圖4(f)所示為其最終狀態(tài).

圖4 刀間距為80 mm,同時切削時巖石裂紋的演化

順次加載方式a巖石裂紋的擴(kuò)展過程如圖5所示.第一把刀單獨(dú)加載時巖石裂紋演化過程與上圖一致.當(dāng)巖石裂紋趨于平衡時,第二把刀接著作用巖石,并產(chǎn)生了相似的錐形失效區(qū),同時側(cè)向與中間裂紋在拉應(yīng)力作用下進(jìn)一步擴(kuò)展,如圖5(c).隨著后刀切深的增加,其應(yīng)力影響范圍進(jìn)一步加大,后刀加載的應(yīng)力不僅促使自身側(cè)向與中間裂紋的擴(kuò)展,同時會對第一把刀形成的已有裂紋區(qū)域起到激活作用,表現(xiàn)為該區(qū)域部分裂紋分支重新產(chǎn)生拉應(yīng)力失效區(qū),并繼續(xù)推動裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展,如圖5(d).當(dāng)前兩把刀的破碎區(qū)形成并趨于穩(wěn)定之后,開始作用第三把刀,其裂紋的形成過程與第二把刀類似,如圖5(e).可以看出,巖石裂紋的長度有逐漸減小的趨勢,且其獲得的破碎區(qū)域形狀與同時加載方式有明顯的不同,呈三角形狀,最終的裂紋演化狀態(tài)如圖5(f)所示.順次加載方式b可以獲得類似的規(guī)律,如圖6所示.

圖5 刀間距為80 mm,順次切削方式a時巖石裂紋的演化

圖6 刀間距為80 mm,順次切削方式b時巖石裂紋的演化

綜上所述,無圍壓條件下,三把TBM 刀具按不同方式切割節(jié)理不發(fā)育巖石時存在兩種典型的裂紋演化過程:第一種(即同時加載時)如圖5(f)所示,第二種(順次加載時)如圖6(f)所示.兩種模式下其破碎區(qū)域均由相鄰兩把刀具之間的側(cè)向裂紋交匯形成,但是破碎塊的形狀有所不同,如圖7所示.

圖7 兩種典型的破碎模式

2.3 巖石的主應(yīng)力云圖

圖8 為順次加載方式b最終穩(wěn)定狀態(tài)時刻的主應(yīng)力云圖,由于三種加載方式產(chǎn)生的云圖類似,故僅選取一張進(jìn)行討論.可以看出,巖石應(yīng)力場基本沿中心刀對稱.在刀具的正下方應(yīng)力較高,距自由面越遠(yuǎn),應(yīng)力降低直至為0;距離刀刃中心越遠(yuǎn),應(yīng)力值越低.這一結(jié)論符合彈塑性力學(xué)中關(guān)于載荷作用于無限半平面上的應(yīng)力分布規(guī)律特點(diǎn).

圖8 巖石的主應(yīng)力云圖

3 結(jié) 論

本文基于2D離散單元法,建立了無圍壓條件下,三把TBM刀具按不同切削次序侵入砂巖的數(shù)值模型.通過設(shè)計(jì)一組數(shù)值試驗(yàn),成功地模擬出了三種不同加載方式下巖石裂紋生成、擴(kuò)展及至巖石破碎塊形成的全過程.分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),可得到如下的結(jié)論:

(1)破碎同樣厚度的巖石,不同時加載時需要更大的刀具推進(jìn)力;

(2)同時加載和順次加載時存在兩種不同的破碎模式,雖然破碎區(qū)都由側(cè)向裂紋交匯而成,但破碎塊的形狀有所不同;

(3)三種加載方式下,應(yīng)力的分布規(guī)律較相似.巖石應(yīng)力場沿中心刀基本對稱.

由于仿真軟件的限制,本文模擬的順次加載僅為前刀產(chǎn)生的裂紋相對穩(wěn)定后,再加載后刀的情況.各種巖石參數(shù),如圍壓、節(jié)理方向和間距對破巖過程的影響有待進(jìn)一步研究.

[1]吳慶鳴,周小宏,陳 東,等.推進(jìn)TBM在我國的應(yīng)用及產(chǎn)業(yè)化[J].建筑機(jī)械,2004,12:69-71.

[2]王夢恕.盾構(gòu)機(jī)國產(chǎn)化迫在眉睫[J].建筑機(jī)械化,2007,28(2):23-24.

[3]Lawn B R.Partial Cone Crack Formation in a Brittle Material Loaded with a Sliding Indenter[C].Proc.Roy.Soc.,1967,A299:307.

[4]陳 丹,袁大軍,張 彌.盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2005,(5):25-29.

[5]Kou S Q,Huang Y,Tan X C,Lindqvist P A.Identi Fication of the Governing Parameters Related to Rock indentation Depth by Using Similarity Analysis[J].Engineering Geology,1998,49:261-269.

[6]Liu H Y,SQ Kou,P a Lindqvist,Ca Tang.Numerical Simulation of the Rock Fragmentation Process Induced by Indenters[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2002,39(4):491-505.

[7]Gong Q M,Y Y Jiao,JZhao.Numerical Modelling of the Effects of Joint Spacing on Rock Fragmentation by TBM Cutters[J].Tunnelling and Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research,2006,21(1):46-55.

[8]Gong Q M,JZhao,Y Y Jiao.Numerical Modeling of the Effects of Joint Orientation on Rock Fragmentation by TBM Cutters[J].Tunnelling and Underground Space Technology Incorporating Trenchless Technology Research,2005,20(2):183-191.

[9]紀(jì)昌明,張照煌.全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)刀盤上刀具布置規(guī)律研究[J].建設(shè)機(jī)械技術(shù)與管理,2008(4):99-102.

[10]宋克志,王本福.常見盾構(gòu)刀盤型式及選用[J].隧道機(jī)械與施工技術(shù),2007,(6):44-46.

[11]Wawersik W R,Fairhurst C A.A Study of Brittle Rock Failure in Laboratory Compression Experiments[J].Int.J.Rock.Mech.Min Sci Geomech.Abstr,1970,7(4):561-575.