灰岩地层悬臂掘进机镐形截齿破岩机理研究.docxVIP

随着我国轨道交通迅速发展，悬臂掘进机被越来越多地应用于隧道掘进施工中，掘进施工面临的环境更为复杂。基于此背景，针对各种形式的截齿破岩作用研究越来越多，截齿的破岩作用机理就显得越发重要。镐形截齿破岩的裂缝开展和破坏形式的研究对悬臂掘进机工作效率有极为重要的实际意义，探究其多截齿耦合破岩下的裂缝开展和破岩规律，可提升悬臂掘进机的施工作业效率。

针对此问题，调研悬臂掘进机的施工案例，依托实际工程，通过离散元数值模拟，研究镐形截齿破岩的裂缝开展规律，探究多截齿耦合破岩作用机理，为研究悬臂掘进机的破岩机理提供借鉴。

1?工程概况

济南轨道交通4号线一期工程洪山路站至历下广场站区间场地勘探深度范围内揭露地层如下：第四系全新统人工堆积物杂填土；第四系更新统冲洪积层粉质粘土，下伏基岩为古生界奥陶系石灰岩。各岩土层分布如图1所示。拟建场地位于剥蚀残丘区，地层类别比较单一，且基岩面埋深较浅，隧道主体结构底板位于稳定地下水位以上。隧道穿越区为中风化石灰岩，岩体较破碎，单轴抗压强度为38.40~70.60?MPa，平均为59.60?MPa，标准值为51.31?MPa。岩石坚硬程度整体属坚硬岩；围岩等级为V级。全面考虑施工措施及配置机械设备，形成边掘进边初期支护、二次衬砌作业的流水施工，或根据围岩稳定情况、支护情况以及施工监测情况综合确定信息化施工。

图1?横通道地质纵剖面示意

在监测情况允许的条件下，开挖至如图2所示位置，立即组织清理衬砌施工，本区间采用2台衬砌台车进行二次衬砌施工，衬砌步序及顺序如图2所示。

图2?二次衬砌步序示意

区间范围内受影响的管线主要有区间下穿污水管、天然气，区间侧穿雨水管，侧穿天然气，区间两处下穿电缆沟。复杂的管线铺设情况要求严格控制施工时地层稳定性，以降低施工风险。

2?单个截齿破岩机理

2.1?数值模型

2.1.1?岩体模型

离散元岩体模型不同于有限元模型，离散元模型的参数标定需要根据岩体的破坏试验调整颗粒间的微观接触模型。综合对比后采用考虑胶结尺寸的微观接触模型，该模型能有效模拟岩石微观颗粒之间的粘结作用，依此种接触模型进行数值模拟，其不仅能重复出室内试验测得的岩石强度，并可在极大程度上还原岩体破坏时裂缝的长度和开展形式。

依据现场的工程地质勘察报告，在施工现场主要为中风化石灰岩，其宏观力学参数如下，岩单轴抗压强度标准值为59.6?MPa，弹性模量为2.61GPa，泊松比为0.3。依据现场提取的岩石样本，在室内实验室进行筛分析实验，得到岩石样本的粒度和颗粒级配曲线，再依据胶结尺寸的微观接触模型和颗粒级配进行单轴压缩试验、巴西劈裂试验以及常规三轴试验的数值模拟，标定微观接触模型的相关参数，见表1。

表1?岩石微观力学参数

模拟自然状态下成岩作用，在生成的岩石颗粒上表面生成1道全覆盖岩体上表面的墙体，同时生成三面墙体约束岩石颗粒的位移，上表面的墙体施加40.25?MPa均布荷载，对施加重力作用以促进岩石颗粒快速固结成岩，待岩体内部的颗粒位移与内力稳定后，删除荷载和岩体上表面的墙体，进行应力释放，防止在截齿侵入过程中因岩体内部不平衡应力影响岩体破坏特征。

2.1.2?截齿模型

假设截齿固定在旋挖钻头中不发生松动，截齿整体为刚性，忽略岩体颗粒与截齿的摩擦，截齿垂直入侵岩体忽略对岩体的冲击作用。

截齿模型在PFC2D内用墙命令生成截齿，先在AutoCAD内使用Polyline命令绘制成截齿模型再导入PFC2D内生成墙体，如图3所示。

图3?截齿模型

墙体的法向刚度和切向刚度要大于岩体颗粒的法向和切向刚度，墙体表面的摩擦系数为0。

2.2?计算结果

2.2.1?单截齿下岩体破碎

单截齿侵入模型为独立破岩状态，如图4所示。

图4?单截齿岩体破碎示意

（a）1?mm；（b）2?mm；（c）3?mm；（d）4?mm

如图4（a）所示，当贯入度为1?mm时，岩体并未出现破坏，岩体变形为小变形适用弹性本构，此种弹性状态仅从截齿接触岩体开始至岩体开始出现破坏结束。如图4（b）所示，当贯入度为2?mm时，岩体出现小块破碎，并未出现裂缝，岩体破坏属于塑性破坏，此时的岩体适用摩尔库伦本构。如图4（c）所示，当贯入度为3?mm时，岩体开始出现裂缝，根据裂缝开展的方向可分为纵向裂缝和横向裂缝且横向裂缝开展速度大于纵向裂缝。如图4（d）所示，当贯入度为4?mm时，裂缝已完全贯通于岩体表面，破坏的岩块整体相对于母岩有沿着裂缝方向的滑移，说明此时发生破坏的岩块已经完全脱离母岩。

2.2.2?单截齿下岩体颗粒接触内力

如图5（a）所示，当贯入度为1?mm时，岩体并未出现破坏且截齿对岩体有作用力，此时岩体处于弹性状态。图5（b）所示，当贯入度为2?mm时，其岩石颗粒间的不平衡内力更集中于截齿与岩体的接触处，此时岩石颗粒间的胶结力在抵抗截齿侵入并限制裂缝开展。