基于新表面理论的TBM破岩效率评价指标

作者：闫长斌; 李高留; 陈健; 李严; 杨延栋; 杨风威; 杨继华

来源：岩土力学, 2023, 44(04): 1153-1164.

DOI：10.16285/j.rsm.2022.0634

• 隧道掘进机(TBM)
• 岩碴
• 能量转化
• 新表面理论
• 粗糙度指数
• 比能
• 掘进推力
• 刀间距与贯入度的比值(s/p)

岩碴是岩-机作用的直接产物，也是评价隧道掘进机（TBM）破岩效率和优化TBM掘进参数的有效指标。依托兰州水源地建设工程和龙岩万安溪引水工程，开展不同岩性条件下TBM岩碴筛分试验，得到了岩碴粒径分布规律。基于新表面理论，从滚刀破岩能量转化角度出发，提出了一种新的TBM破岩效率评价指标。基于岩碴粒径分布规律和TBM掘进参数统计，探讨了新表面理论指标与比能、岩碴粗糙度指数之间的关系，指出了新表面理论指标在反映岩碴破碎程度和评价TBM破岩效率方面的优势。对新表面理论指标与TBM掘进推力以及刀间距s与贯入度p的比值进行回归分析，得到了硬岩（围岩等级为Ⅱ级）和软岩（围岩等级为III级）掘进条件下的TBM最优掘进推力和s/p取值区间。研究表明：（1）新表面理论指标符合岩石破碎学原理，可准确评价TBM破岩效率。岩碴越是破碎，新表面理论指标越大，掘进能耗越高，此时TBM破岩效率相对较低。（2）新表面理论指标与比能、岩碴粗糙度指数均具有良好的线性相关关系。岩碴越是破碎，破碎单位体积岩石的能量消耗越大，新表面理论指标越大，对应的粗糙度指数越小。软岩掘进条件下TBM掘进比能低于硬岩，而岩碴破碎程度高于硬岩。（3）新表面理论指标随着TBM掘进推力和s/p的增加先减小后增大，在硬岩和软岩条件下，当TBM最优掘进推力区间和s/p区间分别为7 400～7 700 kN、13.9～14.4和1 000～1 500 kN、8.0～8.5时，新表面理论指标较小，TBM破岩效率较高。

• 单位
  土木工程学院; 盾构及掘进技术国家重点实验室; 郑州大学