0 引言
21世纪是人类开发利用地下空间的世纪[1],习近平总书记指出“向地球深部进军是我们必须解决的战略科技问题”,向地下开发空间、勘探资源,目前已成为发展的必然阶段[2]。竖井作为地下矿藏开采、地下空间开发的主要通道,是一个国家进行深地资源开采与地下空间开发的关键技术保障。全断面竖井掘进机是一种结合隧道掘进机技术、渣料垂直提升技术的新兴高端装备,是竖井施工技术的重要发展方向[3-5]。
竖井掘进机在大直径、全断面掘进工况下,井底必然会产生巨量渣料。在盲孔开挖条件下,随掘进深度的增加,向上输送渣料的难度呈几何级增长,制约着装备效率的提升[6]。在多种上出渣形式中,水力提升法可在刀盘空间内将渣料与水混合成渣浆后,采用泵送的形式排至地面,该种方法能够同时满足干、湿式地层的出渣要求,系统效率可达70%[7],是实现超深竖井掘进机高效连续排渣的重要研究方向之一[8]。为此,刀盘在水力上出渣系统中起着储存渣料和混合渣料的关键作用,传统盾构机所使用的平面刀盘在垂直方向掘进时会存在渣料收集困难、导向性差等问题。与平面刀盘不同,锥形结构刀盘具有良好的渣料自聚性,在纠偏施工中具有良好的导向性,对主机姿态的稳定有十分积极的作用,且抵抗变形和破坏的能力更强[9],在竖井掘进机中具有较好的结构优势。
锥形刀盘的锥度设计和刀具排布参数对刀盘破岩效果有着决定性的影响[10],是决定刀盘能否顺利掘进的关键因素。因此,锥形刀盘在设计中需要考虑上述参数对破岩机理的影响,以提高破岩效率和整机水平。目前,大部分刀盘结构设计与刀具破岩机理的研究成果多以盾构刀盘为研究对象:张照煌等[11]通过建立出发和掘进作业中的极限荷载模型求解发现,锥形刀盘在锥顶角为90°时存在最小推力,对地层适应强等优点;翁子才[12]通过有限元仿真分析的方法,分析得到锥形刀盘有利于改善刀盘的刚度和强度特性,有更好的地层适应性;Cho等[13]构建了滚刀线性切削岩石的有限元模型,分析了刀间距对岩石破碎效果和破岩比能耗的影响;谭青等[14]基于剪切与张拉破岩机制和离散元仿真方法,推导出了适应性广范的滚刀最优刀间距理论公式,并通过滚刀切削试验验证了推导的最优刀间距理论公式的正确性;有研究通过实验对比了平面上滚刀线性切割与旋转切割的差异,结果表明,旋转切割过程中滚刀受到的侧向力较大,侧向力加快了切槽间裂纹横向扩张,同时为维持滚刀的旋转切割,旋转切割需要提供比线性切割更大的滚动力[15-17]。综上,现有研究多集中在对盾构平面刀盘的研究上,由于掘进方向、工况、刀盘结构的差异,这些结论与规律较难直接应用于竖井掘进机锥形刀盘设计中。为此,需探明锥形刀盘的锥度以及刀间距参数对岩石破碎的影响机理,为全断面竖井掘进机锥形刀盘的设计提供合理的理论依据。
针对上述问题,以课题组前期开发的全断面竖井掘进机(原理样机)为基础,基于有限元仿真方法,开展不同刀盘锥度、滚刀刀间距下对破岩机理与刀具受力的影响研究,探明相关参数对滚刀破岩的影响规律,为锥形刀盘设计及刀间距设计提供理论指导,可为竖井掘进机锥形刀盘设计提供理论依据,有效提高竖井掘进机破岩效率和整机研制水平。
1 全断面竖井掘进机刀盘模型
课题组前期开发的原理样机包括刀盘系统、主驱动及推进系统、撑靴系统、上出渣系统、支护系统、主体框架和其他辅助系统。所设计的全断面竖井掘进机原理样机如图1所示。
图1 全断面竖井掘进机原理样机
Fig.1 Full face shaft boring machine principle prototype
设计的刀盘呈正锥形,如图2所示,刀盘开口贯通,能保证渣土流动通畅,实现储渣功能。刀盘内置有渣浆泵及射流系统,射流系统包括射流增压泵和内、外部射流口,刀盘破岩后岩石从岩体上剥离与渣浆混合,射流系统加速井底渣浆流动,加速渣浆向刀盘锥顶处汇聚混合,实现混渣功能,混渣后再由水力上出渣系统将渣浆泵送至地面。锥形刀盘预留了适应多种地质情况工作的刀具安装位置,可以根据实际工作地质情况选择刀具的配合和装配,提高破岩效率,适用范围更广。
图2 全断面竖井掘进机刀盘模型
Fig.2 Full face shaft boring machine cutterhead model
2 锥形刀盘滚刀破岩有限元模型
2.1 滚刀模型的建立
盘形滚刀被广泛应用于隧道破岩施工中,常用的尺寸有17寸、19寸和20寸,研究表明,当刀盘直径增大时,刀圈最大允许磨损量增加,整个滚刀模块的承载能力也增大。Robbins公司设计的盘形滚刀,滚刀刀圈使用合金材料,硬度在HRC52-53,能够承受较大的冲击,具有较高的耐磨性,适用地层范围广。研究中采用Robbins公司设计的等截面形状的19寸盘形滚刀,刀圈作为滚刀的主要工作部分,在仿真模拟中使用刀圈代替滚刀进行仿真分析,刀圈模型如图3(a)所示,刀圈具体结构参数如图3(b)和表1所示,刀圈的材料参数如表2所示。
表1 滚刀刀圈结构参数
Table 1 Structural parameters of the cutter ring
参数数值参数数值外径D/mm432刀刃半径r/mm8内径d/mm302刀刃角α/(°)10角度β/(°)60刀圈宽H/mm80
表2 滚刀刀圈材料与力学参数
Table 2 Material and mechanical parameters of the cutter ring
参数密度/(kg·m-3)弹性模量/GPa泊松比数值7 8302270.3
图3 滚刀模型与结构参数
Fig.3 Cutter model and structural parameters
2.2 岩石模型的建立
众多研究表明,ABAQUS软件中的Drucker-Prager模型,非常适合分析岩石破碎情况,可以使用此模型研究滚刀破岩。ABAQUS软件帮助文档中讲明Drucker-Prager模型适用于研究抗压屈服强度大于拉伸屈服强度的场合,适合用于研究岩石或混凝土等材料的破坏研究[18]。ABAQUS中的Drucker-Prager模型对经典Drucker-Prager模型进行了修正,分别使用线性函数、双曲线函数以及指数函数在子午面上拟出屈服面,得到了扩展的D-P模型。基于花岗岩的结构特征和力学特性,使用了扩展的Drucker-Prager塑性本构模型,以模拟屈服后岩石材料的应力-应变关系,线性Drucker-Prager模型如图4所示。
图4 D-P屈服准则子午线平面及其曲线
Fig.4 Meridian plane and its curve of D-P Yield guideline
屈服函数和塑性势面函数分别为
F=t-ptanβ-d=0
(1)
(2)
当给定岩石的单轴抗压强度σc时,有
(3)
当给定岩石的单轴抗拉强度σt时,有
(4)
当给定岩石的剪切强度τ时,有
(5)
其中: F为屈服应力;t为偏应力;p为等效应力; β为摩擦角;q为Mises等效应力;k为三轴拉伸强度与三轴压缩强度之比,其值反映了屈服面与主应力之间的关系(0.778≤k≤1);r为第三应力不变量与应力不变量之比;d为屈服面在应力空间t轴上截距。滚刀破岩以花岗岩为研究对象,Drucker-Prager模型需要的岩石材料参数如表3所示[19]。
表3 岩石本构模型参数
Table 3 Petrographic constitutive model parameters
参数数值密度/(kg·m-3)2 645弹性模量/GPa58.27单轴抗压强度/MPa97.84泊松比0.152单轴抗拉强度/MPa7.05内摩擦角/(°)10
2.3 滚刀破岩仿真模型设置
为了更加真实的还原竖井掘进机锥形刀盘滚刀的破岩情况,和更准确的对比不同锥度同一安装半径下滚刀破岩时的滚刀实际破岩情况,仿真采用3组不同的滚刀安装半径,3组滚刀安装半径分别为2 000、3 000、4 000 mm。竖井掘进机开挖竖井井底锥面的锥度为θ,由刀盘锥度决定。建立刀盘滚刀破岩模型如图5所示。
图5 刀盘滚刀破岩模型
Fig.5 Rock breaking model with cutter
由于单把滚刀破岩时对岩石的影响范围有限,同时为了减少仿真计算量,将滚刀破岩情况进行简化,如图6所示。
图6 滚刀破岩优化模型
Fig.6 Optimised model for rock breaking with cutter
在对单把滚刀破岩情况进行简化时,为使不同锥度及不同安装半径下滚刀破岩的对比更有参考价值,所建立的岩石模型的三角形底边长S均为500 mm,截面三角形底角γ由刀盘锥度决定,岩石模型在与滚刀刀圈接触部分进行网格细化,且网格细化部分的尺寸参数均相同。优化后的岩石模型底部和侧面采用完全约束,模拟岩石的围压。岩石主体采用C3D8R单元,采用可反映材料硬化阶段和断裂失效的扩展Druker-Prager本构模型,并引入材料累计破坏失效准则,通过单元删除功能实现模拟滚刀破岩过程中岩渣的破坏剥落,更方便于结果分析。
在滚刀破岩时,根据全断面竖井掘进机设计参数,每小时掘进深度为1.2 m,刀盘转速为每分钟8圈,即滚刀贯入度为2.5 mm,即滚刀绕刀盘轴心公转速度为0.79 rad/s。假设滚刀破岩时刀圈与岩石只发生滚动摩擦,不发生滑动摩擦,则在相同安装半径下的滚刀自转角速度相同。滚刀安装半径越大,滚刀的角速度越大。
3 有限元仿真结果及分析
3.1 不同刀盘锥度下滚刀破岩应力分析
由于岩石属于硬脆性材料,滚刀破岩过程中滚刀与岩石属于非线性接触,滚刀破岩时受到的力也为非线性的,呈锯齿状。滚刀破岩时,岩石受到滚刀的挤压、剪切和张拉后被破坏,导致岩石内部产生裂纹,使岩渣从岩体上剥落下来,依次反复,完成破岩工作。图7—图10为4种刀盘锥度下不同安装半径滚刀破岩应力云图,由应力云图可知,由于刀盘锥度的存在,滚刀受到的侧向力并不相等,滚刀受到侧向力向心侧偏大。图7、图10(a)(c)所示的为90°、120°、150°和180°锥度下安装半径为2 000 mm的滚刀破岩时的应力云图,由图可知随着刀盘锥度的增大,相同安装半径下的滚刀破岩时受到的不对称侧向力逐渐减小,其中刀盘锥度为90°时滚刀破岩受到的不对称侧向力最大。
图7 90°刀盘锥度下不同安装半径滚刀破岩应力云图
Fig.7 Stress cloud diagram for rock breaking with different installation radius of the cutter at 90° cutter taper
图8 120°刀盘锥度下不同安装半径滚刀破岩应力云图
Fig.8 Stress cloud diagram for rock breaking with different installation radius of the cutter at 120° cutter taper
图9 150°刀盘锥度下不同安装半径滚刀破岩应力云图
Fig.9 Stress cloud diagram for rock breaking with different installation radius of the cutter at 150° cutter taper
图10 180°刀盘锥度下不同安装半径滚刀破岩应力云图
Fig.10 Stress cloud diagram for rock breaking with different installation radius of the cutter at 180° cutter taper
图7、图10(a)(c)所示分别为90°、120°、150°、180°锥度下安装半径为2 000、3 000、4 000 mm时的滚刀破岩时的应力云图,各图中云图标尺刻度均相同。由图7可知在同一刀盘锥度下,滚刀破岩时滚刀受到的侧向力随着滚刀安装半径的增大而减小,滚刀安装半径为3 000 mm和4 000 mm时侧向力相差不大。而滚刀受到的非对称的侧向力会参与到破岩活动中,并且会加据滚刀的非正常磨损。
3.2 不同刀盘锥度对滚刀破岩效率的影响
在滚刀破岩研究中,研究者常用破岩比能来衡量滚刀破岩的效率。破岩比能越小则表示滚刀切削单位体积岩石所消耗的能量越少,破岩效率越高。
其计算公式为
(6)
式(6)中: SE为破岩比能,MJ/m3; Fr为滚刀破岩过程中受到的平均滚动力, kN;L为滚刀破岩滚过的线距离,mm;V为滚刀破岩破碎岩石的体积,m3。
在上述仿真中完成不同锥度和不同安装半径下的滚刀破岩仿真模拟,并对不同参数下的滚刀破岩数据进行整合处理,得到不同参数下滚刀破岩时滚刀受到的的平均滚动力如表4所示。
表4 滚刀破岩受到的滚动力
Table 4 Rolling force of cutter rock breaking N
半径/mm刀盘锥度/(°)901201501802 0001 776.1014 685.0534 245.7648 235.183 0006 505.9319 506.3139 267.7468 415.554 0007 833.7320 029.2542 902.7353 435.17
滚刀破岩时滚刀滚过的线距离L可以在ABAQUS中直接测得或者由滚刀滚过的角度进行计算;滚刀破岩破碎岩石的体积V使用ABAQUS在软件内通过测量破岩前后岩石的体积进行计算。
由式(6)和表4数据计算的不同参数下滚刀破岩比能对比如图11所示。由图11可知滚刀破岩比能受到刀盘锥度和滚刀安装半径的共同影响,滚刀破岩比能随着刀盘锥度的增大而减小,对应的滚刀破岩的效率越高;滚刀破岩比能随着滚刀安装半径的增大而增大,对应的滚刀破岩的效率越低。
图11 不同参数下滚刀破岩比能
Fig.11 Rock breaking energy ratio of the cutter at different parameters
由图11中不同参数下滚刀破岩比能可知,刀盘锥度在90°时,半径越小滚刀破岩比能越小,破岩效率越高,这可能是由于滚刀运动时产生的侧向力参与到破岩活动中,在破岩时使更多的岩渣从岩体上脱落下来,导致计算的破岩比能较小,这也与3.1部分的分析相符合。在实际滚刀破岩时应减少滚刀受非对称受力的情况出现,结合研究是基于全断面竖井掘进机项目,需配合泵吸式上排渣系统,刀盘锥度过大不能达到岩渣向井底汇聚的目的,综合考虑滚刀受力情况及井底岩渣堆积情况,暂定刀盘锥度为120°,并在下文中以120°锥度为基础,研究不同刀间距对滚刀破岩效率的影响。
3.3 不同刀间距对滚刀破岩效率的影响
为了得到在指定刀盘锥度和贯入度下滚刀刀间距对滚刀破岩效率的影响,在滚刀刀间距为60、50、40、30 mm,安装半径为2 000 mm的条件下研究滚刀破岩情况。图12所示为不同刀间距下滚刀破岩的等效塑性应变图。由图12可知,当刀间距为60 mm时滚刀滚过产生的2条切痕之间形成完整的整条岩脊,刀间距为50 mm时形成的岩脊仍为完整的条状,当刀间距缩小到40 mm时,滚刀破岩形成的岩脊不再完整,此时可以达到预期的破岩效果,刀盘上所有滚刀破岩后可以形成有效的破岩面。当刀间距缩小到30 mm时,滚刀滚过后无岩脊产生,此时虽能达到预期效果,但破岩效率要低于刀间距为40 mm时的情况,属于过切现象。
图12 不同刀间距滚刀破岩等效塑性应变图
Fig.12 Equivalent plastic strain of rock breaking at different cutter spacing
通过分析刀间距为60、50、40、30 mm时滚刀破岩的滚刀平均滚动力数据,并测得破岩体积V,计算得到不同刀间距下滚刀破岩的比能曲线,如图13所示。由图13可知当刀间距为40 mm时,滚刀破岩比能要低于其他3种刀间距的破岩情况,即破岩效率在4种刀间距中最优。
图13 不同参数滚刀破岩比能曲线
Fig.13 Rock breaking energy ratio curve of the cutter at different parameters
4 结论
刀盘刀具系统作为全断面竖井掘进机的关键组成部分,直接决定了竖井掘进机破岩效率。基于有限元仿真方法,开展了不同刀盘锥度、滚刀刀间距下对破岩机理与刀具受力的影响研究,探明了相关参数对滚刀破岩的影响规律,为锥形刀盘设计及刀具排布提供理论指导,得到以下结论:
1) 滚刀破岩比能受到刀盘锥度和滚刀安装半径的共同影响,滚刀破岩效率随着刀盘锥度的增大而减小,滚刀破岩效率随着滚刀安装半径的增大而减小。
2) 对比不同刀盘锥度相同安装半径下的滚刀破岩应力云图,发现滚刀受到的侧向力随着刀盘锥度的增大而减小;刀盘锥度一定时,滚刀受到的侧向力随着安装半径的增大而减小。
3) 不同刀间距对滚刀的破岩效率影响较大,综合滚刀受力、破岩效率和实际工况,得到刀盘锥度为120°、滚刀刀间距为40 mm时,滚刀破岩效率最高。
[1] 雷升祥,申艳军,肖清华,等.城市地下空间开发利用现状及未来发展理念[J].地下空间与工程学报,2019,15(4):965-979.LEI Shengxiang,SHEN Yanjun,XIAO Qinghua,et al.Present situations of development and utilization for underground space in cities and new viewpoints for future development[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2019,15(4):965-979.
[2] 谭飞,汪君,焦玉勇,等.城市地下空间适宜性评价研究国内外现状及趋势[J].地球科学,2021,46(5):1896-1908.TAN Fei,WANG Jun,JIAO Yuyong,et al.Current situation and development of urban underground space suitability evaluation[J].Earth Science,2021,46(5):1896-1908.
[3] 贾连辉,吕旦,郑康泰,等.全断面竖井掘进机上排渣关键技术研究与试验[J].隧道建设(中英文),2020,40(11):1657-1663.JIA Lianhui,LYU Dan,ZHENG Kangtai,et al.Research and test on vertical discharge of full-face shaft boring machine[J].Tunnel Construction,2020,40(11):1657-1663.
[4] 荆国业,韩博,刘志强.全断面竖井掘进机凿井技术[J].煤炭工程,2020,52(10):29-33.JING Guoye,HAN Bo,LIU Zhiqiang.Research on sinking technology of full-section shaft boring machine[J].Coal Engineering,2020,52(10):29-33.
[5] 洪开荣,杜彦良,陈馈,等.中国全断面隧道掘进机发展历程、成就及展望[J].隧道建设(中英文),2022,42(5):739-756.HONG Kairong,DU Yanliang,CHEN Kui,et al.Full-face tunnel boring machines(Shields/TBMs) in china:history,achievements,and prospects[J].Tunnel Construction,2022,42(5):739-756.
[6] 刘志强,李术才,王杜娟,等.千米竖井硬岩全断面掘进机凿井关键技术与研究路径探析[J].煤炭学报,2022,47(8):3163-3174.LIU Zhiqiang,LI Shucai,WANG Dujuan,et al.Analysis of key technology and research path of full section boring machine for 1 000 m vertical shaft with hard rock strata[J].Journal of China Coal Society, 2022,47(8):3163-3174.
[7] 康娅娟,刘少军.深海采矿提升系统研究综述[J].机械工程学报,2021,57(20):232-243.KANG Yajuan,LIU Shaojun.Summary of research on lifting system of deep sea mining[J].Journal of Mechanical Engineering,2021,57(20):232-243.
[8] 刘志强,宋朝阳,程守业,等.千米级竖井全断面科学钻进装备与关键技术分析[J].煤炭学报,2020,45(11):3645-3656.LIU Zhiqiang,SONG Chaoyang,CHENG Shouye,et al.Equipment and key technologies for full-section scientifically drilling of kilometer-level vertical shafts[J].Journal of China Coal Society,2020,45(11):3645-3656.
[9] 张照煌,Syed Naveed Haider Naqvi,翁子才.盾构刀盘结构设计与分析[J].中国水利水电科学研究院学报,2021,19(3):342-349.ZHANG Zhaohuang,Syed Naveed H N,WENG Zicai.Design and analysis of shield cutterhead structure[J].Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research,2021,19(3):342-349.
[10] 赵晓旭,贾春强,孙佳,等.基于光滑粒子流方法的全断面岩石掘进机盘形滚刀侧向力研究[J].中国工程机械学报,2021,19(1):25-31.ZHAO Xiaoxu,JIA Chunqiang,SUN Jia,et al.Research on side force of tunnel boring machine disc cutter based on smoothed particle hydrodynamics[J].Chinese Journal of Construction Machinery,2021,19(1):25-31.
[11] 张照煌,孙飞.采用锥形刀盘的全断面隧道掘进机作业过程推力分析[J].工程机械,2016,47(7):33-37,6.ZHANG Zhaohuang,SUN Fei.Thrust force analysis of full face rock tunnel boring machine with cone cutterhead during excavation operation[J].Construction Machinery and Equipment,2016,47(7):33-37,6.
[12] 翁子才.盾构锥形刀盘的理论与应用研究[D].北京:华北电力大学,2020.WENG Zicai.Research on the theory and application of the conical cutterhead of shield machine[D].Beijing:North China Electric Power University,2020.
[13] JUNG-WOO ChO,SEOKNOW JEON,SANG-HWA YU,et al.Optimum spacing of TBM disc cutters:A numerical simulation using the three-dimensional dynamic fracturing method[J].Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research,2009,25(3).
[14] 谭青,孔亨,夏毅敏,等.不同载荷下TBM盘形滚刀破岩试验研究[J].铁道科学与工程学报,2018,15(11):2956-2963.TAN Qing,KONG Heng,XIA Yimin,et al.Experimental research of TBM disc cutter cutting rock on different load case[J].Journal of Railway Science and Engineering,2018,15(11):2956-2963.
[15] 龚秋明,董贵良,殷丽君,等.线性和旋转切割方式滚刀破岩试验对比研究[J].施工技术,2017,46(11):61-66.GONG Qiuming,DONG Guiliang,YIN Lijun,et al.Comparison study on the rock linear and rotating cutting test by TBM cutter[J]Construction Technology,2017,46(11):66.
[16] PAN Y,LIU Q,LIU Q,et al.Full-scale linear cutting tests to check and modify a widely used semi-theoretical model for disc cutter cutting force prediction[J].Acta Geotechnica,2019:1-20.
[17] ZHOU X P,ZHAI S F,GONG Q M,et al.Experimental study of the mechanism of TBM disk cutter penetration in mixed-faced grounds under confining pressure[J].Journal of Testing and Evaluation,2020,48(3).
[18] 刘建琴,张斌,郭伟,等.TBM滚刀回转破岩性能数值分析[J].沈阳工业大学学报,2014,36(1):51-56.LIU Jianqin,ZHANG Bin,GUO Wei,et al.Numerical analysis on rotary rock breaking performance of TBM disc cutter[J].Journal of Shenyang University of Technology,2014,36(1):51-56.
[19] JUNG-WOO C,SEOKWON J,SANG-HWA Y,et al.Optimum spacing of TBM disc cutters:A numerical simulation using the three-dimensional dynamic fracturing method[J].Tunnelling and Underground Space Technology incorporating Trenchless Technology Research,2009,25(3):230-244.