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岩石隧道掘进机盘型滚刀破岩发展现状及趋势

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2021/2/20 11:45:20 / 浏览:22次

作者:贾智皓
机构南京工业大学18级,徐州,江苏 邮编:221000
摘要:本文概述了岩石隧道掘进机(TBM)盘型滚刀破岩掘进的原理以及发展现状,总结性的讲述了与传统钻爆法破岩相比TBM盘型滚刀破岩所具有的优点,讲述了新型破岩技术在滚刀破岩时的辅助作用,展望了未来TBM盘型滚刀破岩技术在各个工程领域的应用与发展。
关键词:TBM;盘型滚刀破岩;破岩原理;破岩现状;新型破岩技术
1 引言
我国经济的高速发展以及城镇化水平的不断提高,使得原有的生存空间不能满足人类在交通运输方面的巨大要求,因此加大对地下空间的开发和利用显得愈发重要。目前我国常用的破岩方法可以分为两类,分别是钻爆法破岩和机械式滚刀破岩。在隧道和一些地下工程的施工中,TBM滚刀破岩与传统钻爆法破岩相比可以在超长隧道中连续作业,这代表了当代隧道技术的发展方向[6]。这种机械式滚刀破岩方法的不断应用和发展,对我国经济建设有重要的战略意义。
TBM掘进的最大优点是能够实现一次成洞、施工 效率高,其施工速度一般高于新奥法施工速度2倍以上[1]。盘型滚刀是TBM破岩的核心部件,所以滚刀的使用寿命、破岩性能都会影响TBM的破岩效率。近年来,随着高压水射流、微波、电脉冲和激光等诸多高效破岩技术的相继问世,使得滚刀在破岩性能和工作寿命方面尚有巨大的优化提升空间[2]。通过采用新型破岩技术辅助滚刀破岩,可以有效地减少滚刀的磨损、增加滚刀的使用寿命、提高滚刀破岩的效率。
2 TBM滚刀破岩技术原理
掘进过程中,在垂直推力的作用下,盘型滚刀会侵入岩石,产生一定的贯入度,当盘型滚刀侵入岩石后,盘型滚刀会在掌子面上形成一系列同心圆形状的沟槽[4] ,在岩石内部,由于滚刀上力和扭矩的存在,会将岩石内部的微裂隙压实。当滚刀上的应力大于岩石强度时,岩石就会失效,从而产生破坏。
如图1所示,滚刀在岩石内部会产生不同的裂纹,按照裂纹的扩展路径可以分为中间裂纹、侧向裂纹、径向裂纹等[4]。侧向裂纹可以直接扩展到自由面从而使岩石剥落,径向裂纹和中间裂纹则会引起岩石更深部分的失效破裂[5]。控制好两个盘型滚刀之间的间距,可以使岩石内部的侧向裂纹、中间裂纹等相互贯通,从而达到破岩的目的。

图1:滚刀作用下岩石失效示意图
3 滚刀破岩研究现状
近些年,大量的学者通过仿真、实验台实验等手段对滚刀破岩进行研究,不断完善我们对滚刀破岩机理的认识,推动了滚刀破岩这项技术的发展。
国内外学者通过实验开展了对滚刀破岩切削力的研究。楔形滚刀: 秋三藤三郎认同 Evans的剪切破岩机理,并在 Evans建立的滚刀垂直力预测模型基础上,结合挤压破岩理论提出滚刀侧向力模型[2]。吴启星[2]运用量纲对楔形滚刀破岩进行分析,再运用多元线性回归的方法最终建立了楔形滚刀的破岩模型。常截面滚刀:美国科罗拉多矿业学院通过常截面滚刀的切削实验建立了CSM受力预测模型[3]。孙学铭在CMS模型的基础上,通过进一步的实验完善,提出了RCC受力预测模型[6]。刘泉声[2]等人通过分析并经过实验验证了上述力学模型的有效性。
目前,TBM滚刀破岩的方法在地铁的建设方面已经得到了广泛的应用,未来采用滚刀破岩去掘进隧道已经是一个不可避免的大趋势。
4 滚刀破岩技术发展趋势
随着新型破岩技术的产生,不少学者开始研究将新型技术与传统的滚刀破岩技术相结合,从而优化滚刀破岩技术。传统的滚刀破岩,在滚刀破岩的过程中,由于滚刀与岩体之间的摩擦会导致温度的升高,在高温条件下,滚刀极易产生磨损,经过与新型破岩技术相结合,滚刀的破岩效率会大大提升。
4.1激光辅助滚刀破岩
激光技术拥有成本低、精度高、效率快等优点,现在被广泛应用于各个领域,采用激光来辅助滚刀进行破岩,其工作过程为先通过激光对岩体进行照射,在激光的作用下,使岩体迅速升温,当温度达到一定程度时,一部分岩石会熔化或者气态蒸发形成熔洞,未熔化的岩石也在高温的作用下膨胀,当岩石膨胀的热应力超过岩石最大的变形屈服强度时,岩石会出现破碎脱落形成裂纹[2]。岩石本身的强度会大大降低,此时我们再利用盘型滚刀对岩石进行破碎。这样我们可以最大限度的提高破岩效率,同时会降低滚刀的磨损。如图2所示为激光破岩原理图:

图2:激光破岩原理图
4.2高压水辅助滚刀破岩
高压水射流技术相比其他新型破岩技术更具潜力、更易实现。高压水射流接触到岩石后,水射流的流速会迅速降低,流体本身的动能会转化为应力在岩体内部传播,流体还会通过岩石的裂隙进行渗透[7]。滚刀和高压水射流同时作用于岩石,滚刀破岩产生裂纹,高压水射流进行冲击,将裂纹扩展同时可以降低岩体的强度[8],从而达到破碎岩石的目的。如图3所示为高压水射流冲击破碎岩石示意图。

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