关于High Pressure Water Jet（HPWJ）辅助隧道掘进机（TBM）切削过程中硬岩破碎机制及损伤演化的实验与数值研究的同步探讨

《Scientific Reports》：Same?track coupled experimental and numerical investigation on hard rock fragmentation mechanisms and damage evolution in HPWJ?assisted TBM cutting

　　

摘要

在隧道掘进机（TBM）的圆盘切割器进行切割之前，使用高压水射流（HPWJ）进行预切割技术已被证明是一种提高硬岩破碎效率的有效方法。然而，预切割切口几何形态与岩石损伤演变之间的机械关联机制至今仍未得到充分理解。本研究采用了全尺寸、同轨道耦合实验，实验中17英寸的圆盘切割器在恒定切割深度为6毫米的条件下，分别沿着HPWJ预切割的切口进行切割（切口深度分别为2毫米、4毫米、6毫米和8毫米）。实验结果表明，与传统纯圆盘切割方式相比，HPWJ预切割可使平均法向力降低32%，峰值法向力降低22%；尤其是在最大切口深度条件下，单位切割能量减少了34%。随着切口深度的增加，岩石切割产生的碎屑形态从粉末状逐渐转变为层状结构。研究人员使用JH2本构模型进行了有限元仿真分析，该模型通过单轴压缩试验和巴西劈裂试验进行了校准，仿真结果与实验数据在应力-应变曲线上的吻合度较高。仿真结果进一步显示，HPWJ预切割能够有效抑制岩石中被压碎的致密核心区域的扩展。值得注意的是，在8毫米切口深度下，致密核心的面积仅占无切口情况下的11.3%。预切割还改变了岩石损伤的模式，使原本分散的微裂纹转变为横向的宏观裂缝，从而促进了后续圆盘切割过程中的裂缝融合。这些机械研究结果为HPWJ与圆盘切割器结合使用的切割头提供了系统的设计框架，为水射流喷嘴参数优化、切割器间距配置以及分区域切割轨迹布置提供了定量参考。此外，本研究还为在极硬岩层中使用水射流技术进行TBM掘进提供了坚实的理论基础。