临空面对TBM楔刀贯入破岩效果影响试验研究

汤胜旗　曾亚武　叶阳

摘要：为提高深部地下高地应力硬岩掘进效率，对有、无中间临空面的板状花岗岩试样进行了楔刀垂直贯入破岩试验，以探究临空面辅助作用下不同围压、不同楔刀与临空面的距离、不同临空面深度等对楔刀破岩效果的影响。试验结果表明：临空面辅助破岩可大幅降低破岩比能耗;在临空面辅助作用下，楔刀下主裂纹向下延伸后朝向临空面发展贯通，形成三角形大粒径块体岩渣，减小了岩屑的产生;围压对破岩效率具有重要影响，在最优围压时破岩比能耗最低;主裂纹贯通至临空面底部时，伴随楔刀与临空面的距离增大，破岩比能耗呈现非线性增长;临空面深度控制主裂纹朝向临空面发展贯穿，从而影响破岩比能耗。研究结果为TBM高效破岩提供了新思路。

关键词：临空面; 楔刀破岩; 超前导洞; TBM; 围压; 破岩比能耗

中图法分类号： TV39

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.029

0引 言

在深部地下围岩开挖掘进中，高地应力硬岩会显著加剧全断面隧道掘进机TBM（Tunnel Boring Machine）刀具的磨损量，降低滚刀破岩效率，增加工程造价[1-4]。超前开挖导洞TBM扩挖成孔能有效改善这种缺陷[5]，该工法开挖面沿导洞轴线呈对称状态，导洞边缘在掌子面待掘进岩体中形成临空面，使临近岩体产生卸压效应，显著降低破岩力，提高破岩效率[6]。目前，关于该方面的研究还较少。因此，开展深地高地应力硬岩中TBM掘进时临空面辅助破岩效果研究，对提高深地高地应力硬岩TBM掘进效率、降低造价具有重要的工程实用价值。

Zhang等[7]研究表明侧向临空面的存在能够显著提高滚刀破岩效率。陈昊博[8]研究液压破碎锤破岩证明了临空面辅助作用能提升破岩效率。莫振泽等[9-10]的数值模拟试验发现破碎坑临空面有助于裂纹扩展并提高滚刀破岩效率。Geng等[6]通过试验发现在临空面辅助作用下，岩石破坏以张拉破坏为主，并可显著提升破岩效率。上述研究中，临空面对提升破岩效率具有显著促进作用，但是研究中没有考虑围压的影响，且其临空面存在形式与开挖导洞形成的临空面差异较大。

夏毅敏等[11]研究发现：低围压时，裂纹垂直方向的发展受到抑制，而向水平方向和自由面扩展;围压较大时（>20 MPa），裂纹各向发展均受到抑制。Liu等[12-13]通过数值模拟和室内试验得到类似结论。翟淑芳等[14]和刘琪[15]的数值模拟试验表明：岩体围压一方面抑制滚刀下中央主裂纹向下扩展，同时导致裂纹趋向于水平方向发展;另一方面，地应力足够高（20 MPa）时，岩体表面的板裂化现象有助于岩石破碎。综上，合理围压条件对滚刀破岩有一定促进作用。

Roxborough等[16]、闫长斌等[17]统计TBM破岩岩渣发现大粒径岩渣比例越大，即粗糙度指数越大，破岩效率越高。龚秋明等[18]统计了滚刀切割试验中的岩渣粒径分布，也具有相同规律。可见，破岩时提高大粒径岩渣比例有利于高效破岩。

滚刀破岩时的各分力中，垂直作用力最大并主导岩石的破坏以及内部裂纹的扩展。Innaurato等[19]认为将滚刀破岩简化为二维的侵入破岩进行试验研究是可行的。开挖超前导洞TBM扩挖成孔，导洞形成的临空面边缘岩石径向破坏呈现轴对称性，以二维楔刀破岩研究临空面对于滚刀破岩效果的影响是便捷可行的。

基于上述研究和理论，本文将超前导洞形成的临空面辅助滚刀破岩三维模型简化为二维应力模型进行试验研究。采用坚硬花岗岩制作岩石板状试样，中间预制缝隙形成临空面，在两侧垂直临空面处施加围压，利用楔刀垂直贯入破岩探究临空面对滚刀破岩效果的影响。

1试验设置

1.1试验装置

本次研究采用的试验装置是刘琪[15]自行设计加工的岩石二维楔刀贯入试验装置，该装置可以对试样施加横向约束以模拟围压。如图1（a）所示，主要构件包括凹形侧向约束框架，内部放置矩形巖石试样，试样两侧和下侧置承压板，利用横向液压千斤顶水平加载来施加围压。本次试验采用90°刃角的楔形刀头，该楔刀宽度和刃角长度均为40 mm，楔形刀头洛氏硬度[20]为HRC64，相对于岩石材料可视作刚体。

采用RMT-301电液伺服刚性试验机作为本次试验的加载系统进行竖向贯入试验。试验控制方式为垂直行程控制，位移加载速率为0.005 mm/s，可视为准静态加载过程。试验中贯入荷载和贯入度由内置传感器进行测量和采集，并可以实时记录和显示。该试验机采集数据精度较高，可自动记录荷载曲线峰值前后的加载全过程。

1.2试样准备

本次试验采用的是芝麻白坚硬花岗岩，产地为湖北省。试样从同一花岗岩岩块上利用岩石切割机进行切割，如图1（b）所示，加工成尺寸为190 mm×150 mm×23 mm（长×高×厚）的板状，试样厚度误差控制在0.5 mm以内，采用磨石机对试样侧面和两底面进行打磨，平整度在0.05 mm以下。在岩石试样中间预制一定深度缝隙，宽度为3 mm。试样正面设置辅助线和分组标号等，便于后续精准放置刀头等操作。制作完成后的试样表面平整光滑，无任何节理和裂隙等缺陷。

按照国际岩石力学学会推荐的试验方法进行了单轴压缩试验和巴西劈裂试验，测定了试验用花岗岩的主要力学参数，如表1所列。可知该花岗岩弹性模量和单轴抗压强度均较高，且压拉强度比较大，为典型的高强度脆性岩石。

1.3试验及测试方案

本次试验主要针对围压、临空面深度、刀头与临空面的距离等影响楔刀破岩效果的因素，设置了若干试验变量，设置情况如表2所列。

主要试验步骤：将试样置于承压板中心位置，并使试样中心与横向液压千斤顶中心位于同一平面上;利用横向液压千斤顶施加设定围压;装置刀头并设定好刀刃方向，平移凹型侧向约束框架，使刀头精确定位;启动竖向加载，静托刀头与试样接触时松开。试验过程中观察记录主要破岩试验现象。单次试样贯入试验停止后，取下刀头，释放千斤顶油压，收集岩渣至塑封袋内，并贴好标签。清理场地后进行下次试验。

单次试样贯入试验停止判别标准为：当出现主裂纹发展造成岩块劈裂;或者在较大贯入度下贯入力达到峰值后以较低贯入力平稳波动，对应破岩现象为有细碎岩渣生成但是无主裂纹形成时停止试验;取大粒径岩渣形成时贯入度为单次试样试验总贯入度。

2试验结果分析

对试样在试验前后称重，以质量变化计算岩渣总体积，以大粒径岩渣的质量换算其体积。采集楔刀贯入试验数据后，绘制贯入力-贯入度变化曲线，并获得从试验开始到停止时的贯入力峰值，计算贯入力均值（曲线x轴所围成面积/底边）[21]和破岩比能耗等参数。破岩比能耗定义为刀具贯入破坏单位体积岩石所消耗的能量[22]，参见式（1）。根据试验现象和参数值定性定量评价各因素对临空面辅助条件下楔刀破岩的影响。

比能耗=贯入力均值×总贯入度岩渣总体积

2.1无临空面条件下楔刀劈裂试验

为比较临空面对楔刀破岩效率的影响，本文首先进行了无临空面情况下楔刀劈裂岩石的对照试验，即楔刀从试样中间贯入无预制缝隙岩石试样试验。

围压为0.1 MPa时，楔刀贯入试验中，楔刀下部出现纵向主裂纹并迅速贯通至岩石试样底部，如图2（a）所示。由于侧向围压较小，侧边缘仍可以产生一定变形，可近似认为存在一侧临空面，且脆性岩石的纵向裂纹扩展能力较强[23]，楔刀贯入一定深度后劈裂作用造成楔刀下部岩石出现拉裂破坏并迅速形成主裂纹贯通至试样底部;随着侧向围压逐步增大（10，20 MPa和30 MPa），楔刀下仅局部岩石被挤压崩裂，造成少量岩石粉碎和岩屑产生，整体破坏形态呈现长轴水平的半椭圆形，没有纵向主裂纹产生，如图2（b）～（d）所示。这是由于施加了围压，楔刀下裂纹向下发展受到抑制，横向裂纹萌生、发展并延伸至上表面，故试样表面呈现长轴水平的半椭圆破坏区域，这与围压限制纵向主裂纹扩展的结论相一致[14]。楔刀下部为密实平整状态，这也与滚刀下部密实核现象一致[10]。试验中楔刀下岩石出现崩裂，响声较大，这与岩石试样为脆性岩石、强度较高的特点也相一致。

图3绘制了无临空面存在时楔刀贯入力-贯入度变化曲线。图4绘制了贯入力峰值和均值随围压变化的曲线。由图3可以看出，贯入力随贯入度增加呈现锯齿状波动并间断性“跃进”上升，这与实际工程TBM掘进时推力曲线变化特征相似，说明本文试验装置能够模拟滚刀破岩的受力特征。伴随围压增高，贯入力波动幅度明显增大，说明高围压下滚刀磨损更严重，与相关文献研究结果一致[2]。由图4可以看出，随着围压增大，贯入力峰值和均值两者均呈现先增大、后一定程度减小的趋势，且0.1 MPa围压下二者均最小。围压为20 MPa时贯入力峰值和平均值均达到最大，约为0.1 MPa围压条件下相应结果的2倍，这与翟淑芳等[14]研究结果是一致的。

当施加围压时，由于围压的限制作用，楔刀下局部压缩区域岩石变形能力变弱，崩裂前比无围压条件下储存了更多的应变能，当楔刀下岩石应变达到临界点时岩石突然崩裂应变能剧烈释放，从而出现了较大的贯入力波动。达到一定贯入度时楔刀下局部岩石由于被挤压致密积累到最高能量，对应此时应变能释放贯入力达到峰值。之后大量微裂纹生成和岩石损伤累积，伴随楔刀进一步贯入，楔刀下岩石仅积累较小应变能并不断释放，出现远低于峰值的贯入力稳定波动现象（见图3，30 MPa围压下后续贯入力稳定波动）。

贯入力均值呈现的是整体贯入力变化情况，能够有效反映楔刀贯入破岩时贯入阻力。相对于无围压情况，施加围压后，楔刀下纵向裂纹和水平裂纹扩展均受到抑制，围压越大这种抑制作用越强，故贯入力均值随围压增大逐步增大。当围压增大到一定值时，如本文中的围压超过20 MPa时，楔刀的贯入力均值开始逐步降低，即贯入阻力逐步减小，分析认为这与岩石在高围压下的板裂化有关，文献[14]开展的数值模拟也得到了类似的结论。

2.2临空面条件下楔刀贯入试验

临空面的存在会改变临空面附近的应力分布，从而对破岩效果产生影响。图5为典型的具有临空面的试样在楔刀作用下的破岩效果。由图5可以看出，试样正反面裂纹贯通形状一致，即试样内部主裂纹贯通情况与试样表面一致，这便于直观观察楔刀作用下岩石中主裂纹的扩展和贯通情况。楔刀下形成致密平整的接触面，楔刀与临空面间试样破裂岩块形态近似为三角形。在楔刀贯入作用下，主裂纹首先向下扩展并很快向临空面延伸，最后在临空面底部汇合，形成三角形块体的岩渣。分析原因，在围压作用下，临空面底部存在应力集中，主裂纹扩展时从刀头下到临空面底端的扩展路径最短，相应破岩能耗最小。试验获得的三角形块体岩渣粒径较大，试验结果统计表明其体积占岩渣总体积的90%以上，而细碎岩渣体积占比很小，这一结果有利于显著降低破岩比能耗[17]。

与无临空面试样的试验结果相比，临空面的存在大大提高了破碎岩渣的体积，从而提高了破岩效率。图6展示了不同围压条件下无临空面试样和有临空面试样进行楔刀贯入试验获得的贯入力均值、总贯入度、破岩比能耗的对比，其中有临空面试样的临空面深度为30 mm，楔刀与临空面的距离为20 mm。

從图6可以看出，施加围压时，有临空面试样贯入力均值相比无临空面试样大大降低，前者仅为后者的25%～50%，这说明前者的破岩阻力小得多;楔刀总贯入度也呈现类似情形，但差距更大，有临空面试样楔刀总贯入度仅为无临空面试样结果的10%左右。而破岩比能耗相差更悬殊，有临空面时的破岩比能耗仅为无临空面时的2%。分析原因：① 临空面的存在大大改变了岩石内部应力分布，临空面上法向应力为零，有利于张拉裂纹朝向临空面发展，表现为楔刀破岩时贯入力均值和总贯入度大大降低，此时有大粒径岩渣形成，破岩体积较大;② 因为无临空面时楔刀下部裂纹起裂和扩展受到抑制，仅出现局部岩石被挤压破碎，破岩体积很有限。上述分析表明有、无临空面时由于贯入力均值、破岩体积等差异较大导致破岩比能耗存在巨大差别。试验结果证明，临空面辅助破岩可以显著降低破岩比能耗，提高破岩效率。

2.2.1围压的影响

本组试验参数设置参见表2。其中楔刀与临空面距离为20 mm，临空面深度设置为30 mm，围压分别为0.1，10 ，20 MPa和40 MPa。根据试验结果，统计计算各试样的贯入力峰值、贯入力均值和破岩比能耗。试验结果如图7所示，贯入力峰值、均值和破岩比能耗均随围压的增大先减小后增大，在一定围压下存在最小值。分析可知，贯入力峰值、贯入力均值在10 MPa围压下达到最小值，分别比0.1 MPa围压下数值降低了14%，22%。其中贯入力均值在40 MPa下达到11.8 kN，比0.1 MPa下数值提高了近60%，这表明一定的围压条件有利于楔刀贯入破岩，但过高的围压条件反而会使楔刀贯入破岩阻力增大，不利于贯入破岩。破岩比能耗在20 MPa下达到最小值，其值比0.1 MPa围压下降低了32%，而在40 MPa围压条件下的破岩比能耗又上升到略大于0.1 MPa围压条件下的值，这也反映出一定的围压条件可提高破岩效率，但围压过高时破岩效率反而降低。

由此可见，当试样中存在临空面时，存在一个最优围压范围使得滚刀破岩比能耗最低，破岩效率最高。分析原因：临空面表面法向应力为零，施加一定围压时试样内部应力分布更有利于裂纹朝临空面方向扩展，且临空面與裂纹组合形成较大的破裂岩块，增大了破岩体积，降低了破岩比能耗;而过大的围压，使岩石中的应力增大，楔刀贯入阻力增大，反而使破岩比能耗上升，破岩效率降低。

2.2.2楔刀与临空面距离的影响

楔刀与临空面的距离将会大大影响楔刀下裂纹的形成和扩展。本文设计了多组围压下的试验探究不同楔刀与临空面的距离时对破岩效果的影响，其中临空面深度为30 mm。

图8为不同的楔刀与临空面距离情况下楔刀贯入力-贯入度典型变化曲线（围压为20 MPa）。从图中可以看出，楔刀与临空面的距离增大时，贯入力达到峰值前的波动幅度随之增大，这表明楔刀距离临空面越远，破岩时对刀头的磨损将会越严重。

图9～11分别绘制了贯入力均值、总贯入度、破岩体积随楔刀与临空面间距离的变化曲线。从图9可以看出，贯入力均值随楔刀与临空面间的距离增大而增大，这与贯入力波动幅度的变化规律一致，表明楔刀受到的阻力随着楔刀与临空面间距离的增大而增大。而此时的最大贯入力均值（23 kN）仍小于无临空面条件下的贯入力均值（见图4，20 MPa下均值为27 kN），这也体现了临空面对降低楔刀贯入阻力的有利作用。值得注意的是，楔刀与临空面间距离为60 mm的破岩试验中，多次试验结果仅出现一次主裂纹朝向临空面发展贯通，表明针对中间预制30 mm缝深的试样，若要楔刀下主裂纹贯通至临空面，60 mm已经是楔刀与临空面间的极限距离，故后续并未对该条件下试验进行分析。

从图10可以看出，楔刀破岩总贯入度呈现随着楔刀与临空面距离的增大而增大的趋势。分析原因：从能量角度来说，由于楔刀刀刃很窄，贯入度较大时楔刀下部才能积聚较大的能量，而贯入力不断波动意味着能量不断释放和聚集，即造成楔刀下部微裂纹不断产生和发展，直至最终最大能量积聚后释放形成主裂纹贯通。当楔刀与临空面距离增大时，楔刀下主裂纹贯通至临空面的路径变长，形成主裂纹需要的能量变大，故需要增大贯入度形成微裂纹和积累能量。

从图11可以看出，伴随楔刀与临空面的距离增大，破岩体积呈近线性增长，这表明较大的楔刀与临空面的距离更有助于形成大粒径岩渣，但从试验结果来看，这取决于楔刀下主裂纹能否贯穿至临空面底部。

为直观分析临空面对楔刀下主裂纹发展的影响，图12给出了临空面深度为30 mm时，楔刀与临空面间距离分别为10，20，40，50 mm的典型裂纹扩展形式。从图中可以看出，主裂纹均贯穿至临空面底部形成大粒径岩渣。伴随楔刀与临空面间的距离增大（临空面深度不变），主裂纹破裂角逐步减小至45°左右，即主裂纹逐步向临空面倾斜发展，这与Geng等[6]试验结果相似，也充分表现了临空面能够改变裂纹的扩展方向。从主裂纹贯穿路径来看，楔刀与临空面的距离小于临空面深度时，破裂面呈现弧形，楔刀与临空面的距离大于临空面深度时，破裂面呈现线性，这与楔刀下的张拉-剪切破坏模式相关。

破岩比能耗是评价破岩效果的核心指标。如图13所示，破岩比能耗伴随楔刀与临空面间距离的增大呈现增长趋势，这与贯入阻力增大、主裂纹扩展路径变长的试验结果相一致，但是由于破岩体积也有一定程度增长，因此破岩比能耗随楔刀与临空面间距离的增大呈现非线性增长。可以预测的是，楔刀与临空面的距离大于一定数值后，破岩比能耗增长迅速，综合分析楔刀破岩时贯入力波动情况、贯入力均值、总贯入度和破岩比能耗，在提升破岩效率的同时应避免较大的贯入力波动以减轻刀头磨损，对于30 mm深度的临空面，楔刀与临空面间的距离以不超过50 mm为宜。

2.2.3临空面深度的影响

探究临空面深度对破岩效果的影响时，设置楔刀与临空面的距离为50 mm，围压为20 MPa，而临空面深度分别取30，40，50，60 mm进行试验。图14为贯入力峰值、均值和总贯入度随临空面深度增加的变化曲线。可以看出，伴随临空面深度增大，相应的贯入力峰值和均值整体呈现减小趋势，60 mm深度下的数值比30 mm深度下的值分别减小了50%，28%;而总贯入度呈现凹形变化，在临空面深度为50 mm左右达到最小值，且仅为30 mm深度时的35%左右。分析原因：随临空面深度增加，临空面附近应力释放就越明显，围压对临空面周边的作用越小，破岩阻力越小，故贯入力峰值和均值均呈现下降趋势;而总贯入度与三角形块体岩渣的生成相关，一定程度上表征了破岩的效果。

图15为破岩体积和破岩比能耗随临空面深度增加的变化曲线。从中可以看出伴随临空面深度增加，破岩体积曲线呈现凸形变化，而破岩比能耗曲线呈现凹形变化，在临空面深度为50 mm左右破岩体积达到最大值而破岩比能耗达到最小值。其中临空面深度为50 mm时破岩比能耗比30 mm时低65%，比40 mm时低57%，比60 mm时低46%。分析原因，贯入力均值随临空面深度变化较小，在临空面深度为50 mm左右时总贯入度最小而破岩体积最大，故此时破岩比能耗最小。

如图16所示为不同临空面深度下的破岩效果，从图中可以直观地看出破岩体积的变化。楔刀下主裂纹均是朝向临空面方向发展贯通形成大粒径岩渣。值得注意的是，在临空面深度达到60 mm时，主裂纹并没有从临空面底部贯通而是从临空面中部贯通，破裂角接近45°，破岩体积相对临空面深度为50 mm时大大减小，这表明存在临界临空面深度使主裂纹贯通深度达到最大值，即不能无限制增大临空面深度使主裂纹贯通至临空面底部从而提高破岩体积。

图11～12和图16都表明破岩体积随楔刀与临空面的距离、临空面深度的变化而呈现一定规律变化。临空面深度相同时，破岩体积与楔刀-临空面的距离增大呈线性增长;保持楔刀与临空面的距离不变，当临空面深度小于临界临空面深度时，破岩体积随临空面深度增大呈线性增长。

结合本次试验情况，在楔刀与临空面距离为50 mm时，为高效破岩，临空面的深度取值50 mm为宜。应用推广时，应考虑以下因素：① 由于试样尺寸限制，试样临空面设置与实际开挖超前导洞形成的临空面情况有一定差别;② 滚刀滚压破岩与楔刀贯入破岩有所不同;③ 深部地层岩体的赋存条件一般较复杂。结合上述因素等，可以酌情调整临空面的深度进行高效破岩。

3结 论

本文分别对有、无临空面的板状花岗岩试样进行楔刀垂直贯入试验，研究了围压、楔刀与临空面的距离、临空面深度等主要影响因素对破岩效果的影响，得出以下主要结论：

（1） 在施加围压的条件下，临空面的存在有助于减小楔刀破岩比能耗，能够显著提高破岩效率。这表明开挖超前导洞TBM扩挖成孔的掘进方式确实能够提高破岩效率。

（2） 对具有临空面的试样，楔刀下主裂纹垂直发展一定深度后便朝向临空面扩展，并最终从临空面贯通，形成大块岩渣，产生的细碎岩屑极少，使破岩能耗显著降低。

（3） 围压对楔刀破岩效果具有重要影响，一定围压条件能够降低破岩比能耗（本文为20 MPa左右）。

（4） 对于相同临空面深度的试样，主裂纹贯通至临空面底部时，楔刀与临空面的距离越大，破岩体积越大，但相应的贯入力均值和裂纹扩展路径也增大，破岩比能耗呈非线性增长。因此，楔刀与临空面间距离的确定应综合考虑破岩效率和滚刀磨损情况。

（5） 楔刀与临空面间的距离一定时，随临空面深度增加，楔刀破岩的贯入力均值和总贯入度均随之降低，破岩比能耗也随之降低，但存在一个临界深度。当临空面深度大于该值时，贯入力均值、总贯入度和破岩比能耗反而增大，且破岩体积也开始减小。

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（编辑：郑 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