一种用于硬岩开挖的新型岩石切割与分裂方法：方法论、缩比模型试验、数值建模及现场验证

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：A new rock cutting and splitting method for hard-rock excavation: methodology, scaled model test and numerical modelling, and field validation

机械开挖方法改进研究：提出切割-分裂法提升硬岩开挖效率

　　

Jung-Woo Cho | Hoyoung Jeong | Sang-Hwa Yu | Hee-Suk Lee

韩国工业技术研究院，韩国庆尚北道庆山市海阳邑Jisiksaneop-ro 15号

摘要

岩石切割与分裂是一种新的机械挖掘方法，包括两个步骤：首先使用锯子切割岩石，然后插入楔子进行分裂。在第一步中，将岩石切割到预定深度，随后通过将楔子插入切割口将每个岩块分离。主要的破坏机制是从岩块底部向自由表面扩展的拉伸裂纹。我们提出了一种分析方法来估算所需的压入力。一系列缩比模型测试证实，当间距与深度的比值小于2.0时，可以有效分离岩块。数值模型再现了拉伸断裂机制，并验证了实验结果。最后，在花岗岩斜坡和模拟隧道面上的现场挖掘测试证明了该方法在实际情况中的适用性。在硬岩（抗压强度UCS > 100 MPa）条件下，CS方法的净切割速率比掘进机的预测值高出20%–30%，比冲击锤高出600%以上。摄影测量调查表明，分离出的岩块形状符合预期，这表明这些岩块有可能作为建筑材料重复使用。

引言

传统的爆破方法在城市地区会引起居民对振动和噪音的投诉。为了解决这些问题，在无法使用全断面挖掘机（隧道掘进机）的城市隧道工程中，采用了多种机械挖掘方法（如液压破碎机、岩石分裂器和掘进机）（Jafri和Yoo 2018）。在韩国，最广泛使用的非振动方法是钻孔分裂法（DS），该方法是在钻多个孔后挖掘目标岩石表面（Li等人，2019；Liu等人，2020）。

多项数值建模研究探讨了使用液压分裂器的非爆炸性岩石破碎方法的有效性和优化方案。Jafri和Yoo（2018）基于PFC2D进行了数值分析，以确定分裂楔岩石切割方法中的最佳孔间距。结果表明，在中高模量比（即杨氏模量除以单轴抗压强度）的岩石中，较浅的孔间距通常允许更大的孔间距。De Graaf和Spiteri（2018）评估了DARDA液压分裂器在深部采矿中的应用，并指出形成第二个自由表面是一个主要挑战。他们的地下试验测试了四种不同的切割布局，发现钻孔精度（特别是在对中、孔深和对齐方面）对性能有显著影响。Li等人（2019）结合有限元方法和光滑粒子流体动力学方法分析了裂纹的起始和扩展过程，发现辅助孔可以改善断裂导向和岩石破碎效率。Liu等人（2020）通过AUTODYN模拟和正交实验确定了影响分裂性能的关键参数。他们得出结论，孔间距的影响最大，其次是围压、孔深和孔径，最佳设置为孔间距25厘米、孔深45厘米、孔径45毫米以及围压8兆帕。

这些研究表明，钻孔分裂法是传统钻爆法的潜在替代方案；然而，在硬岩地层中，钻孔分裂法的推进速率（AR）仅为爆破法的20%–25%。对于建筑公司来说，这种性能是不满意的，因为非振动方法的施工周期通常假设为钻爆法推进速率的约50%（Lee等人，2021）。对于硬岩挖掘，液压破碎器的推进速率甚至更低。尽管掘进机的推进速率比钻孔分裂法更令人满意，但较高的镐头消耗成本对操作者来说是一个重大问题。因此，人们开发了新的机械挖掘方法来提高硬岩条件下的推进速率；然而，这些方法大多只是对钻孔分裂法的局部改进，其提升的推进速率并不令人满意。

这些局限性凸显了需要一种更有效的硬岩挖掘方法。所提出的切割-分裂（CS）方法采用了一种新颖的两阶段方法，与现有的非爆破技术有根本不同，它结合了机械切割和诱导拉伸分裂。与传统方法仅依赖切割或冲击不同，CS方法利用切割形成的预定义弱面，实现了高效的裂纹扩展，并减少了能量输入和干扰。这种混合机制旨在克服当前机械方法在穿透率、钻头消耗和适用性方面的不足。

我们的目标是基于岩石切割与分裂（CS）开发一种新的挖掘方法。该过程包括两个连续阶段：（1）使用锯子切割岩石；（2）插入楔子进行分裂。为了提高切割效率，我们通过一系列缩比模型测试研究了岩块的最佳尺寸，确定了最佳切割间距和深度。随后进行数值建模以验证拉伸断裂机制并支持缩比模型测试的结果。这些模拟不仅确认了岩块的最佳尺寸，还揭示了CS方法中的主要破坏机制是切割线下方形成拉伸裂纹。最后，我们在一个岩石斜坡上进行了全尺寸的现场测试，以确定所提方法的挖掘速率。

章节片段

切割与分裂方法

CS方法包括两个连续步骤：首先使用岩石锯将岩石切割到指定深度，然后插入尖锐的楔子并将楔子加载到切割槽中，通过冲击载荷使其分裂（图1）。当楔子插入切割槽时，会产生拉伸应力，导致岩石断裂并向自由表面倒塌，如图1b所示的方向。

切割间距（s）与深度（d）或宽度（w）的比值是一个关键参数

尺寸分析与实验设计

我们使用缩比模型来验证所提出的CS方法引起的岩石破碎过程。设计切割过程的关键参数来自第2.2节中的理论分析。本次实验考虑了四个变量：岩石单轴抗压强度（UCS）、楔子尖端角度（α）、切割间距（s）和切割宽度（w），每个变量都测试了三个水平（图2）。岩石强度分为三类：中等（50–100 MPa）、高（100–240 MPa）和非常高

模型配置

我们进行了数值建模，以研究拉伸断裂过程并验证缩比模型测试的结果。我们使用3DEC（Itasca Consulting Group，2013）中的离散元建模来模拟楔子插入引起的岩石块断裂。数值模型的几何形状和边界条件如图10所示。模型化岩石块的尺寸为3.0米（长度）× 1.0米（宽度）× 1.5米（高度），预切割表面已表示

岩石切割原型（岩石锯）

为了在现场实施CS方法，我们设计了一台岩石切割机。选择的液压管线和组件与50吨挖掘机的液压容量相匹配（图14(a)），然后制造并将该机器安装在挖掘机上。岩石锯原型安装在挖掘机上，并进行了无负载测试。这些测试验证了直线导轨的直线往复运动、旋转器的回转运动以及刀片的旋转性能

结论

我们提出并验证了一种新的切割与分裂（CS）方法，旨在提高机械化系统的岩石挖掘效率。主要结论总结如下：

(1)

初步可行性评估表明，CS方法甚至可以有效地应用于硬岩。使用15吨挖掘机即可实现分裂，证明了该方法在现场应用的实用性。

(2)

实验室规模的实验证实了有效的岩块分离

CRediT作者贡献声明

Jung-Woo Cho：撰写——原始草稿、方法论、调查、正式分析、数据管理。Hoyoung Jeong：撰写——审阅与编辑、可视化、调查、数据管理。Sang-Hwa Yu：调查、数据管理。Hee-Suk Lee：软件、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了韩国政府土地、基础设施和交通部资助的隧道掘进机连续挖掘技术发展项目（RS-2022-00144188）的资助。