垂直预裂：提升钻头岩石破碎效率的新方法

《Engineering Fracture Mechanics》：Vertical pre-slotting: a new approach to enhance disc tool rock fragmentation efficiency

　　•在岩石破碎过程中观察到了垂直自由面的效应。•揭示了垂直自由面对岩石内部应力及断裂机制的影响。•基于垂直自由面效应，提出了一种借助预切槽的盘式工具岩石破碎方法。•总结了切槽参数对岩石破碎的影响，为机械破碎坚硬岩石提供了新方法。

引言
在地下工程中，高效挖掘坚硬岩石隧道仍是一项重要的技术挑战。目前，钻孔爆破法被认为是处理坚硬岩石挖掘的有效方法[1]、[2]、[3]。然而，该方法会对周围岩石造成较大扰动，存在安全隐患，且工序复杂。相比之下，机械挖掘方法能够有效克服这些缺点[4]、[5]、[6]、[7]。岩石作为一种典型的脆性材料，其抗压强度很高，而抗拉强度则低得多。利用这一特性，研究人员基于传统TBM盘式切割器，提出了以底切模式进行岩石切割的盘式工具，如图1所示。以往的研究已充分证明了盘式工具的优势。Hood和Alehossein[8]通过实验表明，在底切模式下，岩石的主要破坏机制从压剪型转变为拉剪型，从而显著降低了作用在盘式工具上的切割载荷，证明了这种新型切割方法的优越性。澳大利亚CRC矿业研究实验室的实验进一步证实，在相同条件下，盘式工具的切割力约为传统TBM滚动切割器所需切割力的40%[9]。为进一步提升盘式工具的岩石破碎性能，研究人员基于底切模式开发出了振动盘式切割和主动盘式切割技术。Hood和Alehossein[8]对花岗岩进行了振动盘式切割实验，发现振动切割能有效降低切割载荷。Karekal[10]研究了不同类型岩石上盘式工具的切割力，并分析了振动频率和岩石脆性对切割力的影响，发现振动频率能显著降低平均切割力。Kovalyshen[11]分析了振动盘式切割的运动学特征，将切割力降低归因于盘边缘与岩石之间的接触长度减小。Yang等人[12]指出，振动可以削弱岩石的局部强度。Dehkhoda和Detournay[13]、[14]、[15]首次提出了主动盘式切割技术，即在传统底切模式下，盘式工具在移动过程中还会进行额外的平面运动。从动力学角度，他们分析了岩石的破坏机制以及盘式工具的能量分布。Stopka等人[16]使用盘式工具进行了准静态和动态挖掘实验，以切割头直径和切割厚度作为关键变量，取得了良好的结果。Zhang等人[17]比较了盘式工具与传统盘式切割器的特定能量，发现底切模式下的岩石切割特定能量显著更低，仅为传统模式的约五分之一。Jiang等人[18]、[19]研究了盘式工具引发的岩石破碎机制，并提出了最佳的切割深度和刀刃宽度。Zhang等人[20]、[21]运用离散元方法分析了受自由面影响的岩石中的裂纹扩展和破碎机制，进一步研究了切割厚度和盘式工具磨损行为的影响。当TBM在挖掘高强度、高磨蚀性的岩石地层时，会面临诸多限制，如掘进速度低、破碎效率差以及盘式切割器需要频繁更换等问题[22]、[23]。凿岩施工也会遇到类似问题。虽然优化切割方法可显著降低切割载荷，但在坚硬岩石挖掘过程中（硬度f>8），机械工具仍会遭受严重冲击和磨损，从而导致挖掘效率低下。当岩石强度进一步增加，尤其是在某些地质条件下极其坚硬的岩石地层（硬度f>12）中，机械破碎几乎变得不可能，这给机械挖掘带来了巨大挑战[24]、[25]、[26]。为解决这些问题，人们提出了多种替代的岩石破碎技术，包括微波辅助破碎、高压气体破碎、高压泡沫冲击破碎以及水力劈裂破碎[27]、[28]、[29]、[30]。然而，将这些方法与机械挖掘相结合的研究仍然较少[17]。相比之下，借助预切槽的机械岩石破碎是一种很有前景的方法，而且切槽设备已在工程实践中得到广泛应用，如图2所示。通过高压水射流、磨料水射流或机械锯切等技术在岩石表面制造预切槽，可以削弱岩体的稳定性。这一过程会形成人工自由面，有助于裂纹的产生和延伸，从而有效降低切割力。预切槽在坚硬岩石的机械破碎过程中起着重要的辅助作用。在凿岩领域，Wang等人[31]将圆锯片集成到掘进机中，如图2(a)所示，实现了凿岩与锯切相结合的岩石破碎方式。实验结果表明，切割力、特定能量以及岩石破碎效率均得到了显著提升。Liu等人[32]在凿岩头上设置了内部流道，并利用高压磨料水射流辅助切割。他们的研究表明，磨料射流切割形成的切槽能有效降低切割载荷；在46 MPa的射流压力下，切割力减少了38.14%。Zhou等人[33]提出了一种将凿岩与网格状磨料水射流切槽相结合的新方法。实验结果显示，岩石的破碎体积平均增加了322.81%，而作用在凿岩头上的平均应力和最大应力分别下降了19.83%和31.65%。Liu等人[34]发现，预制切槽的位置和深度对岩石破碎性能有显著影响。Cheng等人[35]研究了高压磨料水射流辅助下的TBM盘式工具岩石破碎现象，发现随着切槽深度的增加，峰值力明显下降；当切槽深度为18毫米时，岩石碎块的体积达到最大，特定能量则降至最低。Gu等人[36]探讨了预切槽辅助TBM盘式切割器岩石破碎的机制，证明预切槽的存在能有效降低切割力（法向力降低58%，滚动力降低51%），并显著降低特定能量，最大降幅可达88%。此外，Lu等人[37]旨在增强自由面的裂纹诱导作用，研究了高压水射流产生的切槽深度与TBM盘式工具在高强度花岗岩中的掘进性能之间的关系。他们的研究表明，当切槽深度超过4毫米时，预切槽的裂纹诱导作用变得十分显著，从而提升了岩石的破碎性能。目前，关于借助预切槽的盘式工具岩石破碎的研究还相当有限。Zhang等人[20]提出了一种水射流切槽辅助的盘式工具方法，如图2(c)所示，他们研究了切槽参数对岩石破碎性能的影响。实验结果表明，当切槽间距小于盘式工具的直径时，随着间距的增加，平均切割力会降低。他们还发现，切槽有助于裂纹的延伸，增加破碎岩石的量，与没有切槽的系统相比，切割力可降低30%以上。Jiang等人[19]进一步研究了切槽特征和工具几何结构对岩石破碎的影响。他们的研究发现，预切槽可以削弱岩石的强度，降低工具的负荷，提高破碎效率。此外，切槽后岩石的破坏模式会从以剪切为主转变为以拉伸为主。基于上述分析，预切槽是降低岩石强度、提高机械岩石破碎效率的有效方法。然而，目前关于借助预切槽的机械岩石破碎的研究主要集中在凿岩和传统盘式切割器上，而针对盘式工具的此类研究则相对较少。在现有的研究中，切槽方向通常与切割方向平行，如图2(c)所示。尽管这种平行切槽配置有助于裂纹的产生，但裂纹的延伸主要局限于相邻切槽之间，从而限制了岩石的整体破碎范围。盘式工具切割试验的实验观察表明，垂直于切割方向的自由面在裂纹产生和延伸方面具有更显著的效果。基于这一发现，本研究提出了一种垂直预切槽辅助的盘式工具岩石破碎方法，并系统研究了切槽数量和间距对岩石破碎性能的影响。首先，运用离散元方法阐明了垂直自由面引发岩石破碎的机制。随后，设计并搭建了专用试验台，进行垂直预切槽辅助的盘式工具岩石破碎实验，以此验证所提方法的有效性。最后，分析了切槽深度、切槽间距和切割厚度对岩石破碎过程的影晌，并给出了应用该方法的实用建议。本研究旨在为隧道工程中高效的坚硬岩石挖掘提供新的解决方案。

实验装置
如图3所示，本研究独立设计并搭建了盘式工具切割试验台。该系统主要包括主试验平台、液压动力系统以及数据采集系统。盘式工具固定在试验台上，而岩石样本则由液压系统驱动逐渐靠近盘式工具，从而完成切割过程。通过速度控制阀改变液压缸的流量，即可调节切割速度。还配备了三轴力传感器。

观察现象与初步假设
在图3所示的试验台上进行了一系列盘式工具切割实验。切割厚度设为25毫米，切割速度为15毫米/秒。实验结果如图6(a)所示。切割完成后，以岩石表面为参考面，利用3D扫描技术对岩石样本进行扫描和重建。图6展示了岩石表面的切割痕迹以及相应的3D扫描结果，颜色用于表示深度。

讨论
上述分析体现了垂直预切槽的优势。然而，切槽深度和切槽间距会对岩石破碎产生显著影响。因此，本节运用离散元方法研究切槽参数对盘式工具切割过程的影响。不同切槽深度和间距下，平均切割力与切割厚度成正比。如图15(a)所示，当切槽深度为10毫米时，切槽间距对切割力的影响并不明显。

结论
基于垂直自由面效应，本研究提出了一种垂直预切槽辅助的盘式工具岩石破碎方法，即通过预切槽来形成垂直自由面。通过实验结合数值模拟，分析了垂直自由面如何影响岩石的内部应力分布和断裂机制。此外，还研究了切槽深度、切槽间距和切割厚度对盘式工具岩石破碎过程的影响。

CRediT作者贡献声明
Huarui Yang：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，研究，正式分析。Hongxiang Jiang：写作——审阅与编辑，项目管理，资金获取。Xuchang Lu：方法论。Zijian Wu：软件，研究。Jianping Li：软件。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究得到了“深地探测与矿产资源勘查——国家科技重大专项”（2025ZD1011000）、江苏省自然科学基金（BK20231497）以及中国国家自然科学基金（51975573）的支持。

Huarui Yang|Hongxiang Jiang|Xuchang Lu|Zijian Wu|Jianping Li