Model for penetration of the TBM disc cutter under laser pre-drilling based on stress concentration in a circular hole and its test verification
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摘要: 激光发生器耦合安装到全断面岩石隧道掘进机(TBM)刀盘上，利用高能量激光辅助TBM掘进作业，理论上有望达到新型热-机械高效破岩之目的。针对激光辅助滚刀破岩，基于小孔应力集中理论的弹性应力状态计算方法，在空腔膨胀模型基础上，建立了一种考虑密实核衍生效应的激光预钻孔条件下滚刀侵岩理论模型，并对模型进行理论分析；随后开展双侧围压下的激光辅助缩尺比例滚刀侵岩试验，对理论模型进行试验验证。研究结果表明，刃宽及孔距均对侵岩垂直力有一定影响，且孔距较小时理论模型不再适用；经对比分析后，在理论模型与试验所得结果中，随着孔距的改变侵岩垂直力有着相同的变化趋势，侵岩垂直力大小较为符合，激光预钻孔条件下滚刀侵岩理论模型具有一定准确性。Abstract: The laser generator is installed on the cutterhead of the tunneling boring machine (TBM), and the high-energy laser is used to assist the TBM tunneling operation, which is expected to achieve the purpose of thermal-mechanically efficient rock breaking in theory. For the laser-assisted rock breaking by disc cutter, based on the method for elastic stress state of the stress concentration theory in a circular hole and the cavity expansion model, a theoretical model for rock penetration by cutter under laser pre-drilling is established considering the effects of dense core, and it is theoretically analyzed. Subsequently, the laser-assisted disc cutter indenter penetration tests under confining pressure are carried out to verify the theoretical model. The results show that both the edge width and the hole spacing have effects on the vertical force, and that when the hole spacing is small, the theoretical model is no longer applicable. Through comparative analysis of the theoretical model and the test results, the vertical force has the same change trend with change in the hole spacing and is relatively consistent. The theoretical model is of certain accuracy.
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0. 引言
近年来，环境保护和可持续发展的重要性日益凸显，废弃轮胎的处理和回收一直是世界面临的重大资源和环境问题。传统的废弃轮胎处理方式存在着严重的环境污染和资源浪费问题。因此，寻找一种既高效又环保的处理方法迫在眉睫。
过去30多年里，许多研究人员开始将废旧轮胎用于土体改良。轮胎颗粒具有高耐久性、低密度和适当强度等特点，这类废物经常被用于与黏土混合，以改善土体的工程性质。研究表明，将废旧橡胶轮胎碎片掺入黏性土中，能够有效降低土体质量，并显著提高土体的抗剪强度[1]。由于轮胎颗粒的密度低于黏土颗粒，随着轮胎颗粒掺量增加，混合物的密度降低。已有研究表明在黏土中掺入轮胎颗粒可以带来一些积极效果，但有研究指出，轮胎颗粒的添加会降低土体的无侧限抗压强度[2]。考虑到轮胎颗粒对黏土抗压强度的提升效果有限，因此研究新型加固技术对轮胎颗粒在实际工程中的应用至关重要。
尽管化学添加剂在软弱土的力学强化方面效果令人满意，但对环境、生态系统和人类的毒害作用不容忽视。“低碳”和“碳中和”的主题推动了对环境友好的土体改良方法的探索。通过尿素水解的生物胶结技术是一种被认为具有较低CO2足迹的新兴土体改良方法[3, 4]。大量研究证明，EICP技术在改善砂土力学性能方面是有效的[5]。然而目前对于EICP固化黏土及轮胎颗粒与黏土混合材料的力学特性和微观机理研究鲜有报道。深入理解该材料的力学行为和微观作用机制对于开发和应用EICP固化技术具有重要意义。
因此，本研究旨在利用EICP技术对黏土及轮胎颗粒混合黏土进行加固，并通过分析不同胶结液浓度、不同轮胎颗粒掺量和不同养护龄期下固化土体无侧限抗压强度、CaCO3含量和弹性模量的变化规律，进行微观结构和矿物成分分析，探讨强度特性的变化机理，揭示EICP技术对轮胎颗粒混合黏土的固化性能及其作用机制。
1. 试验材料和方法
1.1 试验材料
（1）土样与轮胎颗粒
试验用土取自武汉市某工程基坑，取土深度约10 m，土体呈黄褐色。轮胎颗粒由废旧轮胎破碎制成，颗粒粒径在0.8至2 mm之间，相对质量密度为1.13。
（2）EICP溶液
EICP处理液由胶结液与脲酶溶液组成。胶结液由尿素（CO（NH2）2）、乙酸钙（C4H6O4Ca·H2O）按摩尔比1∶1混合制备，所使用的尿素和醋酸钙均为分析纯试剂。
1.2 土样物理指标和压实试验
本研究采用传统阿太堡界限试验方法来测定土体的塑性指数；使用小型比重瓶测试土样的颗粒相对质量密度，测试结果列于表 1中。使用激光粒度分析仪和采用筛分法测定土体和轮胎颗粒的粒度分布，测试结果见图 1。
表 1 黏土物理参数指标Table 1. Index properties of clay soil液限/% 塑限/% 塑性指数 相对质量密度 42.8 24.1 18.7 2.69 ![]()
图 1 黏土和轮胎颗粒的粒度分布曲线Figure 1. Grain-size distribution curves of clay soil and rubber particles最大干密度和最优含水率是土体压实的关键参数，后者限制了EICP处理溶液中所含脲酶和胶结物质的量。按照《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）对轮胎颗粒混合土进行击实试验，试验结果如图 2所示。其中，Rc表示轮胎颗粒掺量。
1.3 试验设计
试验分为两个阶段进行：第一阶段研究EICP胶结液浓度对素土和固定掺量轮胎颗粒混合土的影响，旨在建立参考值，确定EICP处理的最佳浓度；第二阶段重点研究轮胎颗粒掺量对EICP胶结土的影响，以确定EICP-轮胎颗粒加固黏土混合物的工程性能。
1.4 试样制备
EICP溶液由脲酶溶液和胶结液混合而成。采用电导率（EC）法[6]测定溶液中脲酶活性为4.54 mM尿素/min。胶结液由等摩尔浓度的乙酸钙和尿素组成。采用混合压实方法制备样品，EICP溶液添加量由混合土体的最优含水率确定。每组试验均重复三次，以确保可重复性。
1.5 试验方法
（1）无侧限抗压强度试验
使用万能试验机对固化后土样进行无侧限抗压强度试验，评估固化土样的强度和弹性模量变化。轴向压缩速率设定为1 mm/min。
（2）CaCO3含量测定
采用酸洗法测定土样中CaCO3含量[7]。酸洗前后分别用去离子水冲洗土样以去除其中的可溶性盐，酸洗前后土样的质量差为生成CaCO3的质量。CaCO3转化率为CaCO3实际生成质量与理论生成质量的比。
（3）试样微观结构及矿物成分分析
采用扫描电镜技术（SEM）观察土样的微观结构，X射线衍射（XRD）测试固化前后试样的矿物成分。
2. 试验结果与讨论
2.1 胶结液浓度的影响
图 3为轮胎颗粒掺量0%和5%时，不同胶结液浓度及养护龄期对加固土无侧限抗压强度的影响。
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图 3 不同轮胎颗粒掺量下无侧限抗压强度随胶结液浓度变化Figure 3. Variation of UCS with concentration of cementation solution under different rubber particle content从图 3可以看出，经过EICP处理的试样无侧限抗压强度随着胶结液浓度的增加先增加后降低。随着养护龄期增加，固化土强度不断增加。经过0.5 mol/L胶结液处理的试样强度达到最高值。同时也观察到，含有5%轮胎颗粒的混合土体表现出同样的趋势。这表明轮胎颗粒对EICP的反应过程没有明显的影响。此外，EICP处理含有5%轮胎颗粒的混合土体具有更高的强度。这是EICP和轮胎颗粒的联合加固作用，生成的CaCO3增强了轮胎颗粒与黏土颗粒之间的界面强度[8]，形成更稳定的结构体系。
图 4给出了EICP处理纯黏土时，CaCO3含量和CaCO3转化率随胶结液浓度和养护龄期的变化规律。随着胶结液浓度升高，CaCO3含量逐渐增加，但CaCO3转化率逐渐降低。这表明高浓度胶结液会抑制脲酶活性，从而减少CaCO3的沉淀量。
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图 4 CaCO3含量和转化率随不同胶结溶液浓度和养护龄期的变化Figure 4. Variation of CaCO3 content and conversion rate for testing samples with different concentrations of cementation solution and curing periods图 5为轮胎颗粒掺量0%和5%时，不同胶结液浓度及养护时间加固土体的应力应变曲线。随着胶结液浓度增加，试样破坏时的轴向应变普遍增加，并呈现出软化的趋势。掺有轮胎颗粒的试样也表现出了类似的破坏特征。产生这种现象的原因：一是胶结液浓度过高会抑制脲酶活性，从而降低EICP处理的效果；二是高浓度胶结液可能与黏土颗粒发生反应。在胶结液化学作用的影响下，黏土矿物表面双电层厚度降低，颗粒间距离改变，进而引发岩土材料变形、渗透和强度性质的显著变化[9]。
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图 5 不同轮胎颗粒掺量下添加不同胶结液的试样应力-应变曲线Figure 5. Stress-strain curves of EICP-treated soil with different concentrations of cementation solution under different rubber particle contents2.2 轮胎颗粒掺量的影响
图 6为不同轮胎颗粒掺量EICP处理土样的应力-应变曲线。试样的轴向应力随着轴向应变增加而增大，直至达到应力峰值，之后随着应变增加而减小，呈现出典型的应变软化特征。轮胎颗粒掺量低于5%的试样表现出更好的延性，EICP增强了土体的抗压性能，同时轮胎颗粒对土体的弹塑性产生了积极影响。当轮胎颗粒掺量超过5%时，不仅会导致峰值强度降低，还会相应减少峰值轴向应变。此外，随着橡胶掺量增加，复合材料的应力-应变曲线变得更为平坦，这表明弹性容量下降。这是因为轮胎颗粒掺量过高会改变混合土体骨架，减弱黏土颗粒之间的作用。
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图 6 在最佳胶结液浓度下添加不同轮胎掺量的试样应力-应变曲线Figure 6. Stress-strain curves of EICP-treated soil with different rubber particle contents under optimum concentration of cementation solution图 7为不同轮胎颗粒掺量对加固黏土试样弹性模量的影响。随着轮胎颗粒掺量增加，试样的弹性模量先增加后减小，在轮胎颗粒掺量为5%时达到最大值。经过EICP处理后，试样的最大弹性模量为20.9MPa，约为未经处理试样的1.8倍。当轮胎颗粒掺量达到5%时，对土体弹性模量的改善效果最显著。适当添加轮胎颗粒可以填充黏土中的孔隙，改善黏土的密实性和颗粒间的接触。当轮胎颗粒掺量超过5%时，轮胎颗粒之间的相互作用和试样孔隙增加会导致弹性模量下降，这与无侧限抗压强度变化趋势一致。
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图 7 土样弹性模量随不同轮胎颗粒掺量的变化情况Figure 7. Variation of modulus of elasticity of soil samples with different rubber particle contents2.3 微观结构分析
图 8，9分别为EICP处理前后的试样SEM图像。从图 8（a）中可以看出，未经处理的黏土颗粒排列疏松，相邻黏土片之间的裂隙较大。图 8（b）为未经处理的轮胎颗粒，表面较为光滑。经过EICP处理后，黏土颗粒表面以及颗粒之间都生成了CaCO3晶体，将相邻黏土颗粒紧密地黏合在一起，处理后土样中的裂缝也明显减少。如图 9（a），（b）所示，在低胶结液浓度下，CaCO3通常呈叶片状的棱形晶体，主要分布在黏土颗粒的内部孔隙、表面和接触点上起填充、包裹和胶结作用，随着胶结液浓度增加，CaCO3晶体的尺寸也在增加，土样中观察到有球型形态的CaCO3沉淀，如图 9（c），（d）所示。
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图 9 EICP固化轮胎颗粒混合黏土的SEM图像Figure 9. SEM images of EICP-treated soil mixed with rubber particles of 5%2.4 矿物成分分析
对经过不同胶结液浓度处理的土样进行XRD分析，结果如图 10所示。当胶结液浓度为0.25 mol/L时，CaCO3晶体主要由方解石组成；而在较高胶结液浓度下，CaCO3晶体同时由方解石和球霰石组成。CaCO3形成的最终形态取决于溶液中有机碳含量[10]。较低的有机碳含量有利于方解石的形成，而当含量较高时，则更多地形成球霰石。方解石比球霰石更致密，结晶更好。CaCO3晶体中球霰石含量越高，晶体与黏土颗粒之间的结合强度就越弱。因此，较高的胶结液浓度并不意味着更好的胶结效果。
3. 结论
本文研究了EICP固化黏土及轮胎颗粒混合黏土的力学特性和微观机制，结论如下：
（1）随着胶结液浓度增加，固化后试样强度先增加后降低。0.5 mol/L是EICP处理液的最佳浓度，该浓度处理后样品强度最高。而过高的胶结液浓度会影响CaCO3产量和转化率，从而导致抗压强度降低。
（2）因轮胎颗粒的稳定性与疏水性，掺入轮胎颗粒不会对EICP反应过程产生显著影响。随着轮胎颗粒掺量增加，固化后试样的无侧限抗压强度和弹性模量先增加后减少。轮胎颗粒的最佳掺量为5%。
（3）EICP固化轮胎颗粒混合黏土的微观固化机制可以解释为：EICP生成的CaCO3加固了土体骨架，增强了轮胎颗粒与黏土的接触界面，从而改善了样品的力学性能。此外，过高的胶结液浓度会导致CaCO3晶体形态和尺寸变化，降低胶结程度。
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图 2 滚刀侵岩过程中的受力示意图
Figure 2. Schematic diagram of forces involved during rock penetration by a disc cutter
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图 4 激光辅助滚刀侵岩过程的受力图
Figure 4. Force diagram of rock penetration by laser-assisted disc cutter
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图 8 不同孔距对密实核区应力和侵岩垂直力的影响规律曲线
Figure 8. Curves of influences of hole spacing on stress in dense core area and vertical force of rock penetration
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图 9 不同刃宽对密实核区应力和侵岩垂直力的影响规律图
Figure 9. Curve of influences of edge width on stress in dense core area and vertical force of rock penetration
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图 14 滚刀侵岩过程观测图
Figure 14. Observation images of rock penetration process by disc cutter
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