臨空面對(duì)TBM楔刀貫入破巖效果影響試驗(yàn)研究

湯勝旗　曾亞武　葉陽(yáng)

摘要：為提高深部地下高地應(yīng)力硬巖掘進(jìn)效率，對(duì)有、無中間臨空面的板狀花崗巖試樣進(jìn)行了楔刀垂直貫入破巖試驗(yàn)，以探究臨空面輔助作用下不同圍壓、不同楔刀與臨空面的距離、不同臨空面深度等對(duì)楔刀破巖效果的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：臨空面輔助破巖可大幅降低破巖比能耗;在臨空面輔助作用下，楔刀下主裂紋向下延伸后朝向臨空面發(fā)展貫通，形成三角形大粒徑塊體巖渣，減小了巖屑的產(chǎn)生;圍壓對(duì)破巖效率具有重要影響，在最優(yōu)圍壓時(shí)破巖比能耗最低;主裂紋貫通至臨空面底部時(shí)，伴隨楔刀與臨空面的距離增大，破巖比能耗呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng);臨空面深度控制主裂紋朝向臨空面發(fā)展貫穿，從而影響破巖比能耗。研究結(jié)果為TBM高效破巖提供了新思路。

關(guān)鍵詞：臨空面; 楔刀破巖; 超前導(dǎo)洞; TBM; 圍壓; 破巖比能耗

中圖法分類號(hào)： TV39

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.029

0引 言

在深部地下圍巖開挖掘進(jìn)中，高地應(yīng)力硬巖會(huì)顯著加劇全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)TBM（Tunnel Boring Machine）刀具的磨損量，降低滾刀破巖效率，增加工程造價(jià)[1-4]。超前開挖導(dǎo)洞TBM擴(kuò)挖成孔能有效改善這種缺陷[5]，該工法開挖面沿導(dǎo)洞軸線呈對(duì)稱狀態(tài)，導(dǎo)洞邊緣在掌子面待掘進(jìn)巖體中形成臨空面，使臨近巖體產(chǎn)生卸壓效應(yīng)，顯著降低破巖力，提高破巖效率[6]。目前，關(guān)于該方面的研究還較少。因此，開展深地高地應(yīng)力硬巖中TBM掘進(jìn)時(shí)臨空面輔助破巖效果研究，對(duì)提高深地高地應(yīng)力硬巖TBM掘進(jìn)效率、降低造價(jià)具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

Zhang等[7]研究表明側(cè)向臨空面的存在能夠顯著提高滾刀破巖效率。陳昊博[8]研究液壓破碎錘破巖證明了臨空面輔助作用能提升破巖效率。莫振澤等[9-10]的數(shù)值模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)破碎坑臨空面有助于裂紋擴(kuò)展并提高滾刀破巖效率。Geng等[6]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在臨空面輔助作用下，巖石破壞以張拉破壞為主，并可顯著提升破巖效率。上述研究中，臨空面對(duì)提升破巖效率具有顯著促進(jìn)作用，但是研究中沒有考慮圍壓的影響，且其臨空面存在形式與開挖導(dǎo)洞形成的臨空面差異較大。

夏毅敏等[11]研究發(fā)現(xiàn)：低圍壓時(shí)，裂紋垂直方向的發(fā)展受到抑制，而向水平方向和自由面擴(kuò)展;圍壓較大時(shí)（>20 MPa），裂紋各向發(fā)展均受到抑制。Liu等[12-13]通過數(shù)值模擬和室內(nèi)試驗(yàn)得到類似結(jié)論。翟淑芳等[14]和劉琪[15]的數(shù)值模擬試驗(yàn)表明：巖體圍壓一方面抑制滾刀下中央主裂紋向下擴(kuò)展，同時(shí)導(dǎo)致裂紋趨向于水平方向發(fā)展;另一方面，地應(yīng)力足夠高（20 MPa）時(shí)，巖體表面的板裂化現(xiàn)象有助于巖石破碎。綜上，合理圍壓條件對(duì)滾刀破巖有一定促進(jìn)作用。

Roxborough等[16]、閆長(zhǎng)斌等[17]統(tǒng)計(jì)TBM破巖巖渣發(fā)現(xiàn)大粒徑巖渣比例越大，即粗糙度指數(shù)越大，破巖效率越高。龔秋明等[18]統(tǒng)計(jì)了滾刀切割試驗(yàn)中的巖渣粒徑分布，也具有相同規(guī)律。可見，破巖時(shí)提高大粒徑巖渣比例有利于高效破巖。

滾刀破巖時(shí)的各分力中，垂直作用力最大并主導(dǎo)巖石的破壞以及內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展。Innaurato等[19]認(rèn)為將滾刀破巖簡(jiǎn)化為二維的侵入破巖進(jìn)行試驗(yàn)研究是可行的。開挖超前導(dǎo)洞TBM擴(kuò)挖成孔，導(dǎo)洞形成的臨空面邊緣巖石徑向破壞呈現(xiàn)軸對(duì)稱性，以二維楔刀破巖研究臨空面對(duì)于滾刀破巖效果的影響是便捷可行的。

基于上述研究和理論，本文將超前導(dǎo)洞形成的臨空面輔助滾刀破巖三維模型簡(jiǎn)化為二維應(yīng)力模型進(jìn)行試驗(yàn)研究。采用堅(jiān)硬花崗巖制作巖石板狀試樣，中間預(yù)制縫隙形成臨空面，在兩側(cè)垂直臨空面處施加圍壓，利用楔刀垂直貫入破巖探究臨空面對(duì)滾刀破巖效果的影響。

1試驗(yàn)設(shè)置

1.1試驗(yàn)裝置

本次研究采用的試驗(yàn)裝置是劉琪[15]自行設(shè)計(jì)加工的巖石二維楔刀貫入試驗(yàn)裝置，該裝置可以對(duì)試樣施加橫向約束以模擬圍壓。如圖1（a）所示，主要構(gòu)件包括凹形側(cè)向約束框架，內(nèi)部放置矩形巖石試樣，試樣兩側(cè)和下側(cè)置承壓板，利用橫向液壓千斤頂水平加載來施加圍壓。本次試驗(yàn)采用90°刃角的楔形刀頭，該楔刀寬度和刃角長(zhǎng)度均為40 mm，楔形刀頭洛氏硬度[20]為HRC64，相對(duì)于巖石材料可視作剛體。

采用RMT-301電液伺服剛性試驗(yàn)機(jī)作為本次試驗(yàn)的加載系統(tǒng)進(jìn)行豎向貫入試驗(yàn)。試驗(yàn)控制方式為垂直行程控制，位移加載速率為0.005 mm/s，可視為準(zhǔn)靜態(tài)加載過程。試驗(yàn)中貫入荷載和貫入度由內(nèi)置傳感器進(jìn)行測(cè)量和采集，并可以實(shí)時(shí)記錄和顯示。該試驗(yàn)機(jī)采集數(shù)據(jù)精度較高，可自動(dòng)記錄荷載曲線峰值前后的加載全過程。

1.2試樣準(zhǔn)備

本次試驗(yàn)采用的是芝麻白堅(jiān)硬花崗巖，產(chǎn)地為湖北省。試樣從同一花崗巖巖塊上利用巖石切割機(jī)進(jìn)行切割，如圖1（b）所示，加工成尺寸為190 mm×150 mm×23 mm（長(zhǎng)×高×厚）的板狀，試樣厚度誤差控制在0.5 mm以內(nèi)，采用磨石機(jī)對(duì)試樣側(cè)面和兩底面進(jìn)行打磨，平整度在0.05 mm以下。在巖石試樣中間預(yù)制一定深度縫隙，寬度為3 mm。試樣正面設(shè)置輔助線和分組標(biāo)號(hào)等，便于后續(xù)精準(zhǔn)放置刀頭等操作。制作完成后的試樣表面平整光滑，無任何節(jié)理和裂隙等缺陷。

按照國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)推薦的試驗(yàn)方法進(jìn)行了單軸壓縮試驗(yàn)和巴西劈裂試驗(yàn)，測(cè)定了試驗(yàn)用花崗巖的主要力學(xué)參數(shù)，如表1所列?？芍摶◢弾r彈性模量和單軸抗壓強(qiáng)度均較高，且壓拉強(qiáng)度比較大，為典型的高強(qiáng)度脆性巖石。

1.3試驗(yàn)及測(cè)試方案

本次試驗(yàn)主要針對(duì)圍壓、臨空面深度、刀頭與臨空面的距離等影響楔刀破巖效果的因素，設(shè)置了若干試驗(yàn)變量，設(shè)置情況如表2所列。

主要試驗(yàn)步驟：將試樣置于承壓板中心位置，并使試樣中心與橫向液壓千斤頂中心位于同一平面上;利用橫向液壓千斤頂施加設(shè)定圍壓;裝置刀頭并設(shè)定好刀刃方向，平移凹型側(cè)向約束框架，使刀頭精確定位;啟動(dòng)豎向加載，靜托刀頭與試樣接觸時(shí)松開。試驗(yàn)過程中觀察記錄主要破巖試驗(yàn)現(xiàn)象。單次試樣貫入試驗(yàn)停止后，取下刀頭，釋放千斤頂油壓，收集巖渣至塑封袋內(nèi)，并貼好標(biāo)簽。清理場(chǎng)地后進(jìn)行下次試驗(yàn)。

單次試樣貫入試驗(yàn)停止判別標(biāo)準(zhǔn)為：當(dāng)出現(xiàn)主裂紋發(fā)展造成巖塊劈裂;或者在較大貫入度下貫入力達(dá)到峰值后以較低貫入力平穩(wěn)波動(dòng)，對(duì)應(yīng)破巖現(xiàn)象為有細(xì)碎巖渣生成但是無主裂紋形成時(shí)停止試驗(yàn);取大粒徑巖渣形成時(shí)貫入度為單次試樣試驗(yàn)總貫入度。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)試樣在試驗(yàn)前后稱重，以質(zhì)量變化計(jì)算巖渣總體積，以大粒徑巖渣的質(zhì)量換算其體積。采集楔刀貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)后，繪制貫入力-貫入度變化曲線，并獲得從試驗(yàn)開始到停止時(shí)的貫入力峰值，計(jì)算貫入力均值（曲線x軸所圍成面積/底邊）[21]和破巖比能耗等參數(shù)。破巖比能耗定義為刀具貫入破壞單位體積巖石所消耗的能量[22]，參見式（1）。根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)象和參數(shù)值定性定量評(píng)價(jià)各因素對(duì)臨空面輔助條件下楔刀破巖的影響。

比能耗=貫入力均值×總貫入度巖渣總體積

2.1無臨空面條件下楔刀劈裂試驗(yàn)

為比較臨空面對(duì)楔刀破巖效率的影響，本文首先進(jìn)行了無臨空面情況下楔刀劈裂巖石的對(duì)照試驗(yàn)，即楔刀從試樣中間貫入無預(yù)制縫隙巖石試樣試驗(yàn)。

圍壓為0.1 MPa時(shí)，楔刀貫入試驗(yàn)中，楔刀下部出現(xiàn)縱向主裂紋并迅速貫通至巖石試樣底部，如圖2（a）所示。由于側(cè)向圍壓較小，側(cè)邊緣仍可以產(chǎn)生一定變形，可近似認(rèn)為存在一側(cè)臨空面，且脆性巖石的縱向裂紋擴(kuò)展能力較強(qiáng)[23]，楔刀貫入一定深度后劈裂作用造成楔刀下部巖石出現(xiàn)拉裂破壞并迅速形成主裂紋貫通至試樣底部;隨著側(cè)向圍壓逐步增大（10，20 MPa和30 MPa），楔刀下僅局部巖石被擠壓崩裂，造成少量巖石粉碎和巖屑產(chǎn)生，整體破壞形態(tài)呈現(xiàn)長(zhǎng)軸水平的半橢圓形，沒有縱向主裂紋產(chǎn)生，如圖2（b）～（d）所示。這是由于施加了圍壓，楔刀下裂紋向下發(fā)展受到抑制，橫向裂紋萌生、發(fā)展并延伸至上表面，故試樣表面呈現(xiàn)長(zhǎng)軸水平的半橢圓破壞區(qū)域，這與圍壓限制縱向主裂紋擴(kuò)展的結(jié)論相一致[14]。楔刀下部為密實(shí)平整狀態(tài)，這也與滾刀下部密實(shí)核現(xiàn)象一致[10]。試驗(yàn)中楔刀下巖石出現(xiàn)崩裂，響聲較大，這與巖石試樣為脆性巖石、強(qiáng)度較高的特點(diǎn)也相一致。

圖3繪制了無臨空面存在時(shí)楔刀貫入力-貫入度變化曲線。圖4繪制了貫入力峰值和均值隨圍壓變化的曲線。由圖3可以看出，貫入力隨貫入度增加呈現(xiàn)鋸齒狀波動(dòng)并間斷性“躍進(jìn)”上升，這與實(shí)際工程TBM掘進(jìn)時(shí)推力曲線變化特征相似，說明本文試驗(yàn)裝置能夠模擬滾刀破巖的受力特征。伴隨圍壓增高，貫入力波動(dòng)幅度明顯增大，說明高圍壓下滾刀磨損更嚴(yán)重，與相關(guān)文獻(xiàn)研究結(jié)果一致[2]。由圖4可以看出，隨著圍壓增大，貫入力峰值和均值兩者均呈現(xiàn)先增大、后一定程度減小的趨勢(shì)，且0.1 MPa圍壓下二者均最小。圍壓為20 MPa時(shí)貫入力峰值和平均值均達(dá)到最大，約為0.1 MPa圍壓條件下相應(yīng)結(jié)果的2倍，這與翟淑芳等[14]研究結(jié)果是一致的。

當(dāng)施加圍壓時(shí)，由于圍壓的限制作用，楔刀下局部壓縮區(qū)域巖石變形能力變?nèi)?，崩裂前比無圍壓條件下儲(chǔ)存了更多的應(yīng)變能，當(dāng)楔刀下巖石應(yīng)變達(dá)到臨界點(diǎn)時(shí)巖石突然崩裂應(yīng)變能劇烈釋放，從而出現(xiàn)了較大的貫入力波動(dòng)。達(dá)到一定貫入度時(shí)楔刀下局部巖石由于被擠壓致密積累到最高能量，對(duì)應(yīng)此時(shí)應(yīng)變能釋放貫入力達(dá)到峰值。之后大量微裂紋生成和巖石損傷累積，伴隨楔刀進(jìn)一步貫入，楔刀下巖石僅積累較小應(yīng)變能并不斷釋放，出現(xiàn)遠(yuǎn)低于峰值的貫入力穩(wěn)定波動(dòng)現(xiàn)象（見圖3，30 MPa圍壓下后續(xù)貫入力穩(wěn)定波動(dòng)）。

貫入力均值呈現(xiàn)的是整體貫入力變化情況，能夠有效反映楔刀貫入破巖時(shí)貫入阻力。相對(duì)于無圍壓情況，施加圍壓后，楔刀下縱向裂紋和水平裂紋擴(kuò)展均受到抑制，圍壓越大這種抑制作用越強(qiáng)，故貫入力均值隨圍壓增大逐步增大。當(dāng)圍壓增大到一定值時(shí)，如本文中的圍壓超過20 MPa時(shí)，楔刀的貫入力均值開始逐步降低，即貫入阻力逐步減小，分析認(rèn)為這與巖石在高圍壓下的板裂化有關(guān)，文獻(xiàn)[14]開展的數(shù)值模擬也得到了類似的結(jié)論。

2.2臨空面條件下楔刀貫入試驗(yàn)

臨空面的存在會(huì)改變臨空面附近的應(yīng)力分布，從而對(duì)破巖效果產(chǎn)生影響。圖5為典型的具有臨空面的試樣在楔刀作用下的破巖效果。由圖5可以看出，試樣正反面裂紋貫通形狀一致，即試樣內(nèi)部主裂紋貫通情況與試樣表面一致，這便于直觀觀察楔刀作用下巖石中主裂紋的擴(kuò)展和貫通情況。楔刀下形成致密平整的接觸面，楔刀與臨空面間試樣破裂巖塊形態(tài)近似為三角形。在楔刀貫入作用下，主裂紋首先向下擴(kuò)展并很快向臨空面延伸，最后在臨空面底部匯合，形成三角形塊體的巖渣。分析原因，在圍壓作用下，臨空面底部存在應(yīng)力集中，主裂紋擴(kuò)展時(shí)從刀頭下到臨空面底端的擴(kuò)展路徑最短，相應(yīng)破巖能耗最小。試驗(yàn)獲得的三角形塊體巖渣粒徑較大，試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表明其體積占巖渣總體積的90%以上，而細(xì)碎巖渣體積占比很小，這一結(jié)果有利于顯著降低破巖比能耗[17]。

與無臨空面試樣的試驗(yàn)結(jié)果相比，臨空面的存在大大提高了破碎巖渣的體積，從而提高了破巖效率。圖6展示了不同圍壓條件下無臨空面試樣和有臨空面試樣進(jìn)行楔刀貫入試驗(yàn)獲得的貫入力均值、總貫入度、破巖比能耗的對(duì)比，其中有臨空面試樣的臨空面深度為30 mm，楔刀與臨空面的距離為20 mm。

從圖6可以看出，施加圍壓時(shí)，有臨空面試樣貫入力均值相比無臨空面試樣大大降低，前者僅為后者的25%～50%，這說明前者的破巖阻力小得多;楔刀總貫入度也呈現(xiàn)類似情形，但差距更大，有臨空面試樣楔刀總貫入度僅為無臨空面試樣結(jié)果的10%左右。而破巖比能耗相差更懸殊，有臨空面時(shí)的破巖比能耗僅為無臨空面時(shí)的2%。分析原因：① 臨空面的存在大大改變了巖石內(nèi)部應(yīng)力分布，臨空面上法向應(yīng)力為零，有利于張拉裂紋朝向臨空面發(fā)展，表現(xiàn)為楔刀破巖時(shí)貫入力均值和總貫入度大大降低，此時(shí)有大粒徑巖渣形成，破巖體積較大;② 因?yàn)闊o臨空面時(shí)楔刀下部裂紋起裂和擴(kuò)展受到抑制，僅出現(xiàn)局部巖石被擠壓破碎，破巖體積很有限。上述分析表明有、無臨空面時(shí)由于貫入力均值、破巖體積等差異較大導(dǎo)致破巖比能耗存在巨大差別。試驗(yàn)結(jié)果證明，臨空面輔助破巖可以顯著降低破巖比能耗，提高破巖效率。

2.2.1圍壓的影響

本組試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置參見表2。其中楔刀與臨空面距離為20 mm，臨空面深度設(shè)置為30 mm，圍壓分別為0.1，10 ，20 MPa和40 MPa。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，統(tǒng)計(jì)計(jì)算各試樣的貫入力峰值、貫入力均值和破巖比能耗。試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，貫入力峰值、均值和破巖比能耗均隨圍壓的增大先減小后增大，在一定圍壓下存在最小值。分析可知，貫入力峰值、貫入力均值在10 MPa圍壓下達(dá)到最小值，分別比0.1 MPa圍壓下數(shù)值降低了14%，22%。其中貫入力均值在40 MPa下達(dá)到11.8 kN，比0.1 MPa下數(shù)值提高了近60%，這表明一定的圍壓條件有利于楔刀貫入破巖，但過高的圍壓條件反而會(huì)使楔刀貫入破巖阻力增大，不利于貫入破巖。破巖比能耗在20 MPa下達(dá)到最小值，其值比0.1 MPa圍壓下降低了32%，而在40 MPa圍壓條件下的破巖比能耗又上升到略大于0.1 MPa圍壓條件下的值，這也反映出一定的圍壓條件可提高破巖效率，但圍壓過高時(shí)破巖效率反而降低。

由此可見，當(dāng)試樣中存在臨空面時(shí)，存在一個(gè)最優(yōu)圍壓范圍使得滾刀破巖比能耗最低，破巖效率最高。分析原因：臨空面表面法向應(yīng)力為零，施加一定圍壓時(shí)試樣內(nèi)部應(yīng)力分布更有利于裂紋朝臨空面方向擴(kuò)展，且臨空面與裂紋組合形成較大的破裂巖塊，增大了破巖體積，降低了破巖比能耗;而過大的圍壓，使巖石中的應(yīng)力增大，楔刀貫入阻力增大，反而使破巖比能耗上升，破巖效率降低。

2.2.2楔刀與臨空面距離的影響

楔刀與臨空面的距離將會(huì)大大影響楔刀下裂紋的形成和擴(kuò)展。本文設(shè)計(jì)了多組圍壓下的試驗(yàn)探究不同楔刀與臨空面的距離時(shí)對(duì)破巖效果的影響，其中臨空面深度為30 mm。

圖8為不同的楔刀與臨空面距離情況下楔刀貫入力-貫入度典型變化曲線（圍壓為20 MPa）。從圖中可以看出，楔刀與臨空面的距離增大時(shí)，貫入力達(dá)到峰值前的波動(dòng)幅度隨之增大，這表明楔刀距離臨空面越遠(yuǎn)，破巖時(shí)對(duì)刀頭的磨損將會(huì)越嚴(yán)重。

圖9～11分別繪制了貫入力均值、總貫入度、破巖體積隨楔刀與臨空面間距離的變化曲線。從圖9可以看出，貫入力均值隨楔刀與臨空面間的距離增大而增大，這與貫入力波動(dòng)幅度的變化規(guī)律一致，表明楔刀受到的阻力隨著楔刀與臨空面間距離的增大而增大。而此時(shí)的最大貫入力均值（23 kN）仍小于無臨空面條件下的貫入力均值（見圖4，20 MPa下均值為27 kN），這也體現(xiàn)了臨空面對(duì)降低楔刀貫入阻力的有利作用。值得注意的是，楔刀與臨空面間距離為60 mm的破巖試驗(yàn)中，多次試驗(yàn)結(jié)果僅出現(xiàn)一次主裂紋朝向臨空面發(fā)展貫通，表明針對(duì)中間預(yù)制30 mm縫深的試樣，若要楔刀下主裂紋貫通至臨空面，60 mm已經(jīng)是楔刀與臨空面間的極限距離，故后續(xù)并未對(duì)該條件下試驗(yàn)進(jìn)行分析。

從圖10可以看出，楔刀破巖總貫入度呈現(xiàn)隨著楔刀與臨空面距離的增大而增大的趨勢(shì)。分析原因：從能量角度來說，由于楔刀刀刃很窄，貫入度較大時(shí)楔刀下部才能積聚較大的能量，而貫入力不斷波動(dòng)意味著能量不斷釋放和聚集，即造成楔刀下部微裂紋不斷產(chǎn)生和發(fā)展，直至最終最大能量積聚后釋放形成主裂紋貫通。當(dāng)楔刀與臨空面距離增大時(shí)，楔刀下主裂紋貫通至臨空面的路徑變長(zhǎng)，形成主裂紋需要的能量變大，故需要增大貫入度形成微裂紋和積累能量。

從圖11可以看出，伴隨楔刀與臨空面的距離增大，破巖體積呈近線性增長(zhǎng)，這表明較大的楔刀與臨空面的距離更有助于形成大粒徑巖渣，但從試驗(yàn)結(jié)果來看，這取決于楔刀下主裂紋能否貫穿至臨空面底部。

為直觀分析臨空面對(duì)楔刀下主裂紋發(fā)展的影響，圖12給出了臨空面深度為30 mm時(shí)，楔刀與臨空面間距離分別為10，20，40，50 mm的典型裂紋擴(kuò)展形式。從圖中可以看出，主裂紋均貫穿至臨空面底部形成大粒徑巖渣。伴隨楔刀與臨空面間的距離增大（臨空面深度不變），主裂紋破裂角逐步減小至45°左右，即主裂紋逐步向臨空面傾斜發(fā)展，這與Geng等[6]試驗(yàn)結(jié)果相似，也充分表現(xiàn)了臨空面能夠改變裂紋的擴(kuò)展方向。從主裂紋貫穿路徑來看，楔刀與臨空面的距離小于臨空面深度時(shí)，破裂面呈現(xiàn)弧形，楔刀與臨空面的距離大于臨空面深度時(shí)，破裂面呈現(xiàn)線性，這與楔刀下的張拉-剪切破壞模式相關(guān)。

破巖比能耗是評(píng)價(jià)破巖效果的核心指標(biāo)。如圖13所示，破巖比能耗伴隨楔刀與臨空面間距離的增大呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，這與貫入阻力增大、主裂紋擴(kuò)展路徑變長(zhǎng)的試驗(yàn)結(jié)果相一致，但是由于破巖體積也有一定程度增長(zhǎng)，因此破巖比能耗隨楔刀與臨空面間距離的增大呈現(xiàn)非線性增長(zhǎng)?？梢灶A(yù)測(cè)的是，楔刀與臨空面的距離大于一定數(shù)值后，破巖比能耗增長(zhǎng)迅速，綜合分析楔刀破巖時(shí)貫入力波動(dòng)情況、貫入力均值、總貫入度和破巖比能耗，在提升破巖效率的同時(shí)應(yīng)避免較大的貫入力波動(dòng)以減輕刀頭磨損，對(duì)于30 mm深度的臨空面，楔刀與臨空面間的距離以不超過50 mm為宜。

2.2.3臨空面深度的影響

探究臨空面深度對(duì)破巖效果的影響時(shí)，設(shè)置楔刀與臨空面的距離為50 mm，圍壓為20 MPa，而臨空面深度分別取30，40，50，60 mm進(jìn)行試驗(yàn)。圖14為貫入力峰值、均值和總貫入度隨臨空面深度增加的變化曲線?？梢钥闯觯殡S臨空面深度增大，相應(yīng)的貫入力峰值和均值整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，60 mm深度下的數(shù)值比30 mm深度下的值分別減小了50%，28%;而總貫入度呈現(xiàn)凹形變化，在臨空面深度為50 mm左右達(dá)到最小值，且僅為30 mm深度時(shí)的35%左右。分析原因：隨臨空面深度增加，臨空面附近應(yīng)力釋放就越明顯，圍壓對(duì)臨空面周邊的作用越小，破巖阻力越小，故貫入力峰值和均值均呈現(xiàn)下降趨勢(shì);而總貫入度與三角形塊體巖渣的生成相關(guān)，一定程度上表征了破巖的效果。

圖15為破巖體積和破巖比能耗隨臨空面深度增加的變化曲線。從中可以看出伴隨臨空面深度增加，破巖體積曲線呈現(xiàn)凸形變化，而破巖比能耗曲線呈現(xiàn)凹形變化，在臨空面深度為50 mm左右破巖體積達(dá)到最大值而破巖比能耗達(dá)到最小值。其中臨空面深度為50 mm時(shí)破巖比能耗比30 mm時(shí)低65%，比40 mm時(shí)低57%，比60 mm時(shí)低46%。分析原因，貫入力均值隨臨空面深度變化較小，在臨空面深度為50 mm左右時(shí)總貫入度最小而破巖體積最大，故此時(shí)破巖比能耗最小。

如圖16所示為不同臨空面深度下的破巖效果，從圖中可以直觀地看出破巖體積的變化。楔刀下主裂紋均是朝向臨空面方向發(fā)展貫通形成大粒徑巖渣。值得注意的是，在臨空面深度達(dá)到60 mm時(shí)，主裂紋并沒有從臨空面底部貫通而是從臨空面中部貫通，破裂角接近45°，破巖體積相對(duì)臨空面深度為50 mm時(shí)大大減小，這表明存在臨界臨空面深度使主裂紋貫通深度達(dá)到最大值，即不能無限制增大臨空面深度使主裂紋貫通至臨空面底部從而提高破巖體積。

圖11～12和圖16都表明破巖體積隨楔刀與臨空面的距離、臨空面深度的變化而呈現(xiàn)一定規(guī)律變化。臨空面深度相同時(shí)，破巖體積與楔刀-臨空面的距離增大呈線性增長(zhǎng);保持楔刀與臨空面的距離不變，當(dāng)臨空面深度小于臨界臨空面深度時(shí)，破巖體積隨臨空面深度增大呈線性增長(zhǎng)。

結(jié)合本次試驗(yàn)情況，在楔刀與臨空面距離為50 mm時(shí)，為高效破巖，臨空面的深度取值50 mm為宜。應(yīng)用推廣時(shí)，應(yīng)考慮以下因素：① 由于試樣尺寸限制，試樣臨空面設(shè)置與實(shí)際開挖超前導(dǎo)洞形成的臨空面情況有一定差別;② 滾刀滾壓破巖與楔刀貫入破巖有所不同;③ 深部地層巖體的賦存條件一般較復(fù)雜。結(jié)合上述因素等，可以酌情調(diào)整臨空面的深度進(jìn)行高效破巖。

3結(jié) 論

本文分別對(duì)有、無臨空面的板狀花崗巖試樣進(jìn)行楔刀垂直貫入試驗(yàn)，研究了圍壓、楔刀與臨空面的距離、臨空面深度等主要影響因素對(duì)破巖效果的影響，得出以下主要結(jié)論：

（1） 在施加圍壓的條件下，臨空面的存在有助于減小楔刀破巖比能耗，能夠顯著提高破巖效率。這表明開挖超前導(dǎo)洞TBM擴(kuò)挖成孔的掘進(jìn)方式確實(shí)能夠提高破巖效率。

（2） 對(duì)具有臨空面的試樣，楔刀下主裂紋垂直發(fā)展一定深度后便朝向臨空面擴(kuò)展，并最終從臨空面貫通，形成大塊巖渣，產(chǎn)生的細(xì)碎巖屑極少，使破巖能耗顯著降低。

（3） 圍壓對(duì)楔刀破巖效果具有重要影響，一定圍壓條件能夠降低破巖比能耗（本文為20 MPa左右）。

（4） 對(duì)于相同臨空面深度的試樣，主裂紋貫通至臨空面底部時(shí)，楔刀與臨空面的距離越大，破巖體積越大，但相應(yīng)的貫入力均值和裂紋擴(kuò)展路徑也增大，破巖比能耗呈非線性增長(zhǎng)。因此，楔刀與臨空面間距離的確定應(yīng)綜合考慮破巖效率和滾刀磨損情況。

（5） 楔刀與臨空面間的距離一定時(shí)，隨臨空面深度增加，楔刀破巖的貫入力均值和總貫入度均隨之降低，破巖比能耗也隨之降低，但存在一個(gè)臨界深度。當(dāng)臨空面深度大于該值時(shí)，貫入力均值、總貫入度和破巖比能耗反而增大，且破巖體積也開始減小。

參考文獻(xiàn)：

[1]宮鳳強(qiáng)，閆景一，李夕兵.基于線性儲(chǔ)能規(guī)律和剩余彈性能指數(shù)的巖爆傾向性判據(jù)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2018，37（9）：1993-2014.

[2]龔秋明，盧建煒，魏軍政，等.基于巖體分級(jí)系統(tǒng)（RMR）評(píng)估預(yù)測(cè)TBM利用率研究[J].施工技術(shù)，2018，47（5）：92-98.

[3]劉泉聲，劉建平，潘玉叢，等.硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)性能預(yù)測(cè)模型研究進(jìn)展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，35（增1）：2766-2786.

[4]周輝，徐榮超，盧景景，等.深埋隧洞板裂屈曲巖爆機(jī)制及物理模擬試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015，34（增2）：3658-3666.

[5]肖亞勛，馮夏庭，陳炳瑞，等.深埋隧洞極強(qiáng)巖爆段隧道掘進(jìn)機(jī)半導(dǎo)洞掘進(jìn)巖爆風(fēng)險(xiǎn)研究[J].巖土力學(xué)，2011，32（10）：3111-3118.

[6]GENG Q，WEI Z，MENG H，et al.Free-face-assisted rock breaking method based on the multi-stage tunnel boring machine（TBM） cutterhead[J].Rock Mechanics and Rock Engineering，2016，49（11）：4459-4472.

[7]ZHANG X，XIA Y，ZENG G，et al.Numerical and experimental investigation of rock breaking method under free surface by TBM disc cutter[J].Journal of Central South University，2018，25（9）：2107-2118.

[8]陳昊博.液壓破碎錘破巖機(jī)理研究[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2014.

[9]莫振澤.自由面對(duì)滾刀破巖機(jī)制影響的數(shù)值模擬研究[J].土工基礎(chǔ)，2013，27（6）：102-104.

[10]莫振澤，李海波，周青春，等.楔刀作用下巖石微觀劣化的試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2012，33（5）：1333-1340.

[11]夏毅敏，張旭輝，譚青，等.不同圍壓下刀寬對(duì)滾刀破巖特性的影響規(guī)律[J].應(yīng)用基礎(chǔ)與工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2017，25（3）：636-645.

[12]LIU J，CAO P.Study on rock fracture with TBM cutter under different confining stresses[J].Indian Geotechnical Journal，2016，46（1）：104-114.

[13]LIU J，CAO P，LI K.A Study on isotropic rock breaking with TBM cutters under different confining stresses[J].Geotechnical and Geological Engineering，2015，33（6）：1379-1394.

[14]翟淑芳，曹世豪，周小平，等.圍壓對(duì)TBM滾刀破巖影響的數(shù)值模擬研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2019，41（1）：154-160.

[15]劉琪.TBM盤形滾刀破巖過程巖石損傷破裂監(jiān)測(cè)及FDEM模擬研究[D].武漢：武漢大學(xué)，2018.

[16]ROXBOROUGH F R A.The mechanical cutting characteristics of the lower chalk[J].Tunnels，1973，5（1）：45-67.

[17]閆長(zhǎng)斌，姜曉迪，劉章恒，等.基于巖碴粒徑分布規(guī)律的TBM破巖效率分析[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2019，41（3）：466-474.

[18]龔秋明，周小雄，殷麗君，等.基于線性切割試驗(yàn)碴片分析的滾刀破巖效率研究[J].隧道建設(shè)，2017，37（3）：363-368.

[19]INNAURATO N，OGGERI C，ORESTE P P，et al Experimental and numerical studies on rock breaking with TBM tools under high stress confinement[J].Rock Mechanics and Rock Engineering，2007，40（5）：429-451.

[20]黃曉艷.洛氏硬度的表示及其試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[J].模具制造，2020，20（1）：69-71.

[21]馬洪素，龔秋明，王駒，等.圍壓對(duì)TBM滾刀破巖影響規(guī)律的線性切割試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2016，35（2）：346-355.

[22]ACAROGLU O，OZDEMIR L，ASBURY B.A fuzzy logic model to predict specific energy requirement for TBM performance prediction[J].Tunnelling and Underground Space Technology，2008，23（5）：600-608.

[23]田園，薛亞東，趙豐.圍壓條件下不同脆性巖石滾刀侵入破巖機(jī)制研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2018，55（增2）：48-56.

（編輯：鄭 毅）

Abstract：To improve the boring efficiency of hard rock with high geostress in deep ground，vertical penetration test by wedge cutter was carried out on plate granite samples with and without intermediate free surface.The influences of confining pressure，the distance between wedge cutter and free surface，and the depth of free surface on rock breaking by wedge cutter were studied respectively.The results showed that the specific energy consumption of rock breaking was greatly reduced with the assistance of the free surface.The main crack under the wedge cutter extended downward and tended to penetrate to the free surface，forming a large-sized triangular rock chip with little rock fragments.The specific energy consumption of rock breaking was greatly affected by confining pressure，and reached the lowest at the optimal confining pressure.When the main crack penetrated to the bottom of the free surface，the specific energy consumption of rock breaking showed a non-linear increase with the distance from the free surface.The depth of the free surface controlled the development of the main crack toward the free surface，which affected the specific energy consumption of rock breaking.The results provide a new idea for efficient rock breaking of TBM.

Key words：free surface;rock breaking by wedge cutter;pilot tunnel;TBM;confining pressure;specific energy consumption of rock breaking