大线速度下超高压水射流破岩试验研究_张金良.pdf

第 44 卷第 3 期 岩 土 力 学 Vol.44 No.3 2023 年 3 月 Rock and Soil Mechanics Mar.2023 收稿日期：2022-04-12 录用日期：2022-07-12 基金项目：国家重点研发计划（No.2020YFF0426370）；国家自然科学基金（No.5217090638）；中国博士后科学基金（No.2022M711287）；河南省博士后科研项目（No.202101053）。This work was supported by the National Key Research and Development Program of China(2020YFF0426370),the National Natural Science Foundation of China(5217090638),the China Postdoctoral Science Foundation(2022M711287)and the Postdoctoral Research Grant in Henan Province(202101053).第一作者简介：张金良，男，1963 年生，博士，教授级高工，主要从事水利水电工程方面的研究。E-mail: 通讯作者：曹智国，男，1990 年生，博士，主要从事隧道工程和特殊地基处理等方面的研究。E-mail: DOI：10.16285/j.rsm.2022.0503 大线速度下超高压水射流破岩试验研究大线速度下超高压水射流破岩试验研究 张金良1,2，杨风威1,2，曹智国1,2,3，苏伟林1,2（1.黄河勘测规划设计研究院有限公司，河南 郑州 450003；2.水利部黄河流域水治理与水安全重点实验室（筹），河南 郑州 450003；3.郑州大学 水利与土木工程学院，河南 郑州 450001）摘摘 要：要：高压水射流的破岩效果对高压水射流辅助掘进机破岩技术至关重要。为提升隧道掘进机工况下高压水射流辅助破岩的效率，开展大线速度下超高压水射流破岩试验，分析喷嘴移动线速度、射流压力和喷嘴直径对破岩效果的影响规律，并探究加磨料和射流形式对破岩效果的影响。试验结果表明，随喷嘴移动线速度增加，高压水射流的切割深度和切割宽度均近似线性减小；随射流压力增加，切割深度近似线性增大，压力从 200 MPa 提高到 280 MPa，切割深度增加了 72%82%；喷嘴直径从 0.35 mm 增大到 0.60 mm，切割深度增加了 60%85%。大线速度下加磨料后射流变发散，加磨料的切割深度小于纯水的切割深度，加磨料的切割宽度大于纯水的切割宽度。砂管束流射流模式的能量利用率更高，砂管束流的切割深度比长线射流的切割深度大 35%42%，砂管束流的切割宽度比长线射流的切割宽度大 78%85%。基于 Crow 切割岩石理论，通过试验数据回归分析，得到大线速度下超高压水射流切割深度半理论半经验预测模型，可为高压水射流辅助掘进机破岩技术中射流切割参数优化提供参考依据。研究成果对提升隧道掘进机工况下超高压水射流辅助破岩的效率是很有意义的。关关 键键 词：词：隧道掘进机；大线速度；超高压水射流；切割深度；预测模型 中图分类号：中图分类号：TP69 文献标识码：文献标识码：A 文章编号：文章编号：10007598(2023)03061509 Experimental study on ultra-high pressure water jet rock-breaking at high linear speed ZHANG Jin-liang1,2,YANG Feng-wei1,2,CAO Zhi-guo1,2,3,SU Wei-lin1,2(1.Yellow River Engineering Consulting Co.,Ltd.,Zhengzhou,Henan 450003,China;2.Key Laboratory of Water Management and Water Security for Yellow River Basin,Ministry of Water Resources(under construction),Zhengzhou,Henan 450003,China;3.College of Water Conservancy and Civil Engineering,Zhengzhou University,Zhengzhou,Henan 450001,China)Abstract:The rock-breaking effect of high-pressure water jet is very important in the rock-breaking technology of high-pressure water jet assisted tunnel boring machine(TBM).In order to improve the efficiency of high-pressure water jet assisted rock-breaking under the working condition of TBM,rock-breaking tests of ultra-high pressure water jet at high linear speed were carried out,and the influences of nozzle moving linear speed,jet pressure and nozzle diameter on the rock-breaking effect were analyzed.The effects of adding abrasive and jet form on the rock-breaking effect were also investigated.The test results show that the cutting depth and cutting width of high-pressure water jet decrease approximately linearly with the increase of nozzle moving linear speed.With the increase of jet pressure,the cutting depth increases approximately linearly,and the pressure is increased from 200 MPa to 280 MPa,the cutting depth is increased by 72%82%.As the nozzle diameter is increased from 0.35 mm to 0.60 mm,and the cutting depth is increased by 60%85%.At a high linear speed,the jet flow becomes divergent after adding abrasive.So the cutting depth of adding abrasive is less than that of pure water,and the cutting width of adding abrasive is greater than that of pure water.The cutting depth of sand tube beam is 35%42%greater than that of long-line jet,and the cutting width of sand tube beam is 78%85%greater than that of long-line jet.Based on the Crows cutting rock theory and regression analysis of test data,a semi-theoretical and semi-empirical prediction model for the cutting depth of ultra-high pressure water jet at high linear speed is obtained,which can provide a reference for the optimization of jet parameters in the rock-breaking technology of high-pressure water jet assisted TBM.The research results 616 岩 土 力 学 2023 年 are of great significance for improving the efficiency of high-pressure water jet assisted rock-breaking under the working condition of TBM.Keywords:tunnel boring machine;high linear speed;ultra-high pressure water jet;cutting depth;prediction model 1 引 言 高压水射流破岩技术具有无尘、高效、低热和低振动等优势1，在岩石切割、石油钻探、矿山开采和巷道开挖等领域被广泛应用2-4。高压水射流辅助机械破岩方面，国内外学者也进行了相关理论与试验研究工作5-8。其中，黄河勘测规划设计研究院有限公司联合中铁工程装备集团有限公司和南京大地水刀股份有限公司，研制出中国首台超高压水力耦合破岩隧道掘进机“龙岩号”，并已成功应用于福建省龙岩市万安溪引水工程隧洞开挖项目9。应用过程中发现，当掘进机刀盘转速较大时，高压水射流的辅助破岩作用有限。隧道掘进机工况下，根据刀盘实际转速，高压水射流的移动线速度一般接近 1.0 m/s，甚至能达到2.0 m/s 以上，而高压水射流切割所采用的移动线速度一般较小（小于 0.01 m/s）10。司鹄11、穆朝民12、汤积仁13和刘勇14等研究了射流（不移动）冲击作用下岩石的破坏形态和损伤机制。杨永印等15通过高压水射流切割试验，研究了喷嘴移动线速度、泵压和喷距等对不同材料的切割效果，结果表明喷嘴移动线速度增加会使射流切割深度降低。廖华林等16通过淹没条件下高压水射流冲蚀切割试验，系统研究了影响射流破岩效果的主要因素，结果表明随喷嘴移动线速度的增加，岩石冲蚀体积显著减小。郭嘉赫等17通过磨料水射流切割混凝土试验，分析了切割参数对破拆性能的变化特征和重要程度，结果表明射流切割深度随移动线速度的增加而减小，且减小率逐渐减小。孙清德等18通过非线性动态有限元法研究了射流速度、喷嘴直径和移动速度等对破岩效率的影响规律。上述研究揭示了射流的破岩机制和影响因素，但研究成果对应的喷嘴线速度均较小，介于 0.000 10.010 0 m/s 之间，而对于 1.0 m/s以上大线速度的情况，高压水射流的破岩效果不明确，相应的射流参数如何选择也未知，从而影响高压水射流辅助掘进机破岩技术的应用。因此，亟需开展大线速度下超高压水射流破岩试验研究。本文首先介绍了高压水射流辅助掘进机破岩技术，然后通过大线速度超高压水射流切割岩石试验，分析了线速度、水压力和喷嘴直径对破岩效果的影响规律，并探究了加磨料和射流形式对破岩效果的影响，最后基于 Crow 切割岩石理论19，提出了一个大线速度下高压水射流切割深度半理论半经验预测模型。研究成果可为高压水射流辅助掘进机破岩技术中水力参数优选提供参考依据。2 高压水射流辅助掘进机破岩技术 高压水射流辅助掘进机破岩技术是对传统滚刀破岩方法20-21的改进。如图 1 所示，隧道掘进机滚刀两侧布置高压水喷嘴，高压水射流冲击岩石形成切槽，两侧的切槽可为滚刀破岩提供自由面，进而改变岩石内应力分布6，岩石抵抗破碎的能力减弱，岩石碎片更易形成。同时，高压水射流的冲楔胀裂作用会使岩石内部产生裂纹7，加快了滚刀破岩过程中裂纹的萌生与扩展，从而实现掘进机破岩效率的提高。Cheng22、程建龙23等预先采用高压水射流形成切缝，再通过滚刀贯入试验，研究了切缝对岩石破碎行为和破坏机制的影响，发现随切缝深度增加，压入力减小，破岩比能显著降低。蒋亚龙等24分析了不同高压水刀预切割竖向裂缝几何参数下滚刀贯入岩石的破碎效率，发现预切缝刀具轴线间距为 0 时，岩石试样发生劈裂模式破坏，预切缝刀具轴线间距不为 0 时，预切缝深度越大，破岩效率越高。徐福通25、周辉26等研究发现，高压水射流切槽在滚刀两侧时，岩石中易形成“八”字形贯通裂纹，促进岩石破碎。Geng27、Xia28等指出高压水射流辅助滚刀破岩的基本原理为自由面（或临空面）辅助滚刀破岩，并研究了自由面对滚刀破岩的影响。图图 1 高压水射流辅助掘进机破岩原理示意图高压水射流辅助掘进机破岩原理示意图 Fig.1 Rock-breaking mechanism of high-pressure water jet assisted TBM 滚刀 喷嘴 喷嘴 水射流 切槽 压碎区 裂纹 裂纹 裂纹 第 3 期 张金良等：大线速度下超高压水射流破岩试验研究 617 基于上述高压水射流辅助掘进机破岩技术，黄河勘测规划设计研究院有限公司联合中铁工程装备集团有限公司和南京大地水刀股份有限公司，研制出中国首台超高压水力耦合破岩隧道掘进机“龙岩号”。“龙岩号”搭载的高压水射流系统主要由供水系统、增压系统、传输系统和喷嘴系统组成。增压系统由 8 台柱塞泵式高压泵组成，最大水压力可达280 MPa。“龙岩号”的具体技术参数可参见文献9，其在万安溪引水工程始发掘进的照片如图 2 所示。图图 2 “龙岩号”始发掘进“龙岩号”始发掘进 Fig.2 High-pressure hydraulically coupled rock-breaking TBM 根据上述高压水射流辅助滚刀破岩机制的研究成果，高压水射流的破岩效果（如切割深度）对高压水射流辅助掘进机破岩技术至关重要。然而目前的研究多是人为设置一定深度的切缝（缝深分别为10、20、30 mm，最大达 4050 mm）22-26，没有充分考虑实际工况，尤其是当掘进机刀盘转速较大时，高压水射流的破岩效果还不明确。因此，开展大线速度下超高压水射流破岩试验是必要的。3 试验 3.1 试验试验设备与材料设备与材料 试验在南京大地水刀股份有限公司开展，试验设备如图 3 所示，主要包括增压泵、压力控制系统、喷嘴移动速度控制系统、喷嘴移动轨道、高压管和喷嘴等。喷嘴移动线速度可通过控制系统精确控制。试验过程中有大量水汽产生，因此设置水汽挡板以保护电器设备。选取花岗岩作为试验切割的岩样，其单轴抗压强度为 150 MPa，岩石试样的尺寸约为 600 mm 400 mm 400 mm。试验中选取石榴石和黄河沙作为磨料，石榴石的粒径为 0.180.25 mm，黄河沙的粒径选用 0.100.25 mm。石榴石价格昂贵，大范围应用成本较高，因此考虑采用易取且价格便宜的黄河沙进行对比试验。图图 3 超高压水射流破岩试验设备超高压水射流破岩试验设备 Fig.3 Ultra-high pressure water jet rock-breaking test equipment 3.2 试验试验方案与方法方案与方法 根据隧道掘进机刀盘的实际转速，喷嘴移动线速度分别取 0.9、1.2、1.5、1.8、2.1、2.4 m/s；高压水压力采用 200、240、280 MPa（一般将压力高于140 MPa 的射流称为超高压射流15）；喷嘴直径选用0.35、0.60 mm；根据“龙岩号”隧道掘进机的喷嘴离掌子面的距离，喷嘴靶距均采用 40 mm。根据沈忠厚10的研究，喷嘴合理靶距为喷嘴直径的 60150 倍，本文采用 40 mm 的喷嘴靶距，在合理靶距范围内，且综合考虑了“龙岩号”隧道掘进机喷嘴的实际磨损情况。磨料射流试验采用的磨料为石榴石和黄河沙，并与纯水的破岩效果进行对比。试验所用砂管的长度为 150 mm，直径为 2.0 mm，磨料用量为 30 kg/h。射流形式采用长线射流和砂管束流两种。长线射流为“龙岩号”隧道掘进机所采用的射流形式，其喷嘴结构如图 4(a)所示；砂管束流为磨料射流试验所采用的射流形式，其喷嘴结构如图 4(b)所示，射流出口加砂管，但关闭进沙通道。高压水射流切割过程中岩石试样不施加围压，两条相邻切槽之间的间距约为 20 mm，每条切槽的长度约为 400 mm。岩石试样经切割前后的照片对比如图 5 所示。射流切割岩石之后，测量切割深度与切割宽度。切割深度采用深度测量仪进行测试，切割宽度采用游标卡尺进行测量。每条切槽上均匀选取 5 个不同的位置进行测量，并取其平均值作为最终的测量结果。4 试验结果与分析 4.1 线速度对破岩效果的影响线速度对破岩效果的影响 喷嘴直径为 0.35 mm 时，切割深度随喷嘴移动线速度的变化规律如图 6 所示。由图可见，随着线 压力控制系统 增压泵 水汽挡板 喷嘴移动速度 控制系统 喷嘴移动轨道 喷嘴 水汽挡板 岩石试样 高压软管 618 岩 土 力 学 2023 年 (a)长线射流喷嘴结构示意图 (b)砂管束流喷嘴结构示意图 图图 4 射流喷嘴结构示意图射流喷嘴结构示意图 Fig.4 Schematic diagrams of jet nozzle structures 图图 5 岩石试样经切割前后的照片对比岩石试样经切割前后的照片对比 Fig.5 Photo of rock sample before and after jet cutting 速度的增加，切割深度近似线性减小。这与郭嘉赫等17的试验结果是类似的。喷嘴移动线速度反映了射流对岩石的冲击作用时间，随着线速度增加，单位时间内射流的作用面积增大，则单位时间内单位面积岩石上作用的射流流量减小，即射流的冲击能量减小，从而切割深度减小。当线速度大于 1.5 m/s时，280 MPa 超高压水射流作用下的切割深度不足1 mm，这对于隧道掘进机破岩的辅助作用有限，需要提高大线速度下射流的切割深度。喷嘴直径为 0.35 mm 时，切割宽度随喷嘴移动线速度的变化规律如图 7 所示。由图可见，随着线速度增加，切割宽度也近似线性减小。喷嘴移动速度较快时，射流不能完全冲蚀岩石，射流的破岩效果不理想。图图 6 线速度对切割深度的影响线速度对切割深度的影响 Fig.6 Influence of linear speed on cutting depth 图图 7 线速度对切割宽度的影响线速度对切割宽度的影响 Fig.7 Influence of linear speed on cutting width 4.2 水压力对破岩效果的影响水压力对破岩效果的影响 喷嘴直径为 0.35 mm 时，高压水压力对切割深度的影响规律如图 8 所示。由图可见，切割深度与水压力具有良好的线性关系，随着水压力增加，切割深度增大。水压力从 200 MPa 提高到 280 MPa，切割深度可增加了 72%82%。高压水压力是影响射流破岩能力的重要参数，它反映了射流的速度29，随着水压力的增加，射流速度加快，射流的动能增大，高动能的射流对岩石的冲击力度增强，从而岩石的切割深度增大。因此，可通过提高射流压力的 图图 8 水压力对切割深度的影响水压力对切割深度的影响 Fig.8 Influence of water pressure on cutting depth 喷嘴 喷嘴 砂管 进沙通道 切割前 切割后 切槽 0.0 0.5 1.0 1.5 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 切割深度/mm 线速度/(ms1)280 240 200 水压力/MPa 1.0 1.5 2.0 2.5 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 切割宽度/mm 线速度/(ms1)280 240 200 水压力/MPa 0.0 0.5 1.0 1.5 160 200 240 280 320 360 高压水压力/MPa 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 切割深度/mm 线速度/(ms1)第 3 期 张金良等：大线速度下超高压水射流破岩试验研究 619 方法，来解决大线速度下射流破岩效果不理想的问题。喷嘴直径为 0.35 mm 时，切割宽度随高压水压力的变化规律如图 9 所示。由图可见，随着水压力变化，岩石的切割宽度基本不变。超高压水射流的喷嘴直径一般很小，切割宽度变化不大15，但随着射流压力的增加，切割深度显著增大，这对于隧道掘进机工况下高压水射流辅助破岩是很有意义的。图图 9 水压力对切割宽度的影响水压力对切割宽度的影响 Fig.9 Influence of water pressure on cutting width 4.3 喷嘴直径对破岩效果的影响喷嘴直径对破岩效果的影响 射流压力为 280 MPa 时，喷嘴直径对切割深度的影响规律如图 10 所示。由图可见，喷嘴直径增大，岩石的切割深度显著增加。喷嘴直径从 0.35 mm 增大到 0.60 mm，切割深度增加了 60%85%。射流压力保持不变的情况下，增大喷嘴直径，则射流的流量增加，射流携带的能量增加30，从而岩石更容易破坏，切割深度增加。因此，对于大线速度下射流破岩效果不理想的情况，可通过增大喷嘴直径的方法，来提高射流的切割深度。图图 10 喷嘴直径对切割深度的影响喷嘴直径对切割深度的影响 Fig.10 Influence of nozzle diameter on cutting depth 射流压力为 280 MPa 时，喷嘴直径对切割宽度的影响规律如图 11 所示。由图可见，喷嘴直径增大，岩石的切割宽度也增大。增大喷嘴直径，射流携带的动能增加，在空气的涡旋卷吸作用下，水的黏性无法使射流束凝聚，射流束的卷吸面积增加31，导致射流发散，切割宽度增大。图图 11 喷嘴直径对切割宽度的影响喷嘴直径对切割宽度的影响 Fig.11 Influence of nozzle diameter on cutting width 4.4 加磨料对破岩效果的影响加磨料对破岩效果的影响 水射流中加入一定数量的磨料微粒，可提高射流的切割能力32。本文也探究了大线速度下加磨料（石榴石、黄河沙）对破岩效果的影响。射流压力为 280 MPa、喷嘴直径为 0.35 mm 时，加磨料（石榴石、黄河沙）与纯水的切割深度对比如图 12 所示。由图可见，加磨料（石榴石、黄河沙）的切割深度均小于纯水的切割深度，说明加磨料后射流的切割能力变差。这与穆朝民33、刘勇34等的研究结果是不一致的。磨料射流的切割破岩能力主要取决于磨料颗粒的冲蚀、磨削作用35。喷嘴移动线速度较小时，磨料颗粒的冲蚀、磨削作用能够得到充分发挥，从而加磨料后射流的切割能力提高。但是当喷嘴移动线速度很大时，磨料颗粒的冲蚀、磨削作用无法得到有效发挥，此外磨料混合腔内的射流在卷吸磨料颗粒的同时，也吸入了部分空气，磨料射流是磨料颗粒、水和空气组成的三相流10，从而导致加磨料后射流变发散，切割能力减弱。因此，通过加磨料的方法，无法提高大线速度下射流的切割能力。图图 12 加磨料对切割深度的影响加磨料对切割深度的影响 Fig.12 Effect of adding abrasive on cutting depth 1.0 1.5 2.0 2.5 160 200 240 280 320 360 高压水压力/MPa 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 切割宽度/mm 线速度/(ms1)0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 0.35 mm 0.60 mm 切割深度/mm 线速度/(ms1)喷嘴直径 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 0.35 mm 0.60 mm 切割宽度/mm 线速度/(ms1)喷嘴直径 0.0 0.5 1.0 1.5 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 纯水 石榴石 黄河沙 切割深度/mm 线速度/(ms1)620 岩 土 力 学 2023 年 由图 12 还可以看出，加石榴石的切割深度略大于加黄河沙的切割深度。这是由于石榴石的硬度比黄河沙的硬度大，石榴石的密度也比黄河沙的密度大，从而石榴石磨料的切割能力优于黄河沙的切割能力。射流压力为 280 MPa、喷嘴直径为 0.35 mm 时，加磨料（石榴石、黄河沙）与纯水的切割宽度对比如图 13 所示。由图可见，加磨料（石榴石、黄河沙）的切割宽度均大于纯水的切割宽度。这进一步说明了加磨料后射流变发散，从而切割能力减弱。由图13 还可以看出，加石榴石的切割宽度略大于加黄河沙的切割宽度。这也是由石榴石和黄河沙的性质决定的。图图 13 加磨料对切割宽度的影响加磨料对切割宽度的影响 Fig.13 Effect of adding abrasive on cutting width 4.5 射流形式对破岩效果的影响射流形式对破岩效果的影响 高压水射流的作业环境内有无固体壁面的限制，对射流的形成和其动力特性有显著的影响10。没有固体壁面约束的射流称为自由射流，“龙岩号”隧道掘进机所采用的射流形式“长线射流”即为自由射流；有固体壁面约束的射流称为非自由射流，磨料射流试验所采用的射流形式“砂管束流”即为非自由射流。射流压力为 280 MPa、喷嘴直径为 0.35 mm 时，长线射流与砂管束流的切割深度对比如图 14 所示。由图可见，砂管束流的切割深度比长线射流的切割深度大了 35%42%。在砂管的约束下，高压水射流的集中性更好，射流能量不易发散10，从而切割得更深。因此，可通过砂管束流的方法，替代“龙岩号”隧道掘进机所采用的长线射流模式，来提高大线速度下射流的能量利用率和切割能力。射流压力为 280 MPa、喷嘴直径为 0.35 mm 时，长线射流与砂管束流的切割宽度对比如图 15 所示。由图可见，砂管束流的切割宽度比长线射流的切割宽度大了 78%85%。砂管束流射流模式的能量利用率更高，其破岩效果更好。图图 14 射流形式对切割深度的影响射流形式对切割深度的影响 Fig.14 Influence of jet form on cutting depth 图图 15 射流形式对切割宽度的影响射流形式对切割宽度的影响 Fig.15 Influence of jet form on cutting width 4.6 切割深度预测模型切割深度预测模型 为优化射流切割参数，提升高压水射流辅助掘进机破岩的效率，建立大线速度下高压水射流切割深度预测模型是必要的。Crow19考虑了射流参数、移动线速度和岩石性质等因素，提出了液力切割岩石通用定律，这是一个大家公认的射流切割理论。基于 Crow 切割岩石理论19，考虑本文的试验参数，包括线速度、射流压力和喷嘴直径，对 Crow 切割岩石理论公式进行简化得到：u=abphvkqdc （1）式中：h 为切割深度（mm）；d 为喷嘴直径（mm）；p 为射流压力（MPa）；qu为岩石单轴抗压强度（MPa）；v 为喷嘴移动线速度（m/s）；c 为理论的岩石切割速度（m/s），可参照 Crow19提供的方法确定；k、a 和 b 均为经验系数。通 过 试 验 数 据 回 归 分 析 发 现，h/d 与(p/qu)a(v/c)b具有很好的线性关系，如图 16 所示，其相关系数 R2为 0.97。因此，式（1）可作为大线速度下高压水射流切割深度预测模型，本文的试验1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 纯水 石榴石 黄河沙 切割宽度/mm 线速度/(ms1)0.0 0.5 1.0 1.5 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 长线射流 砂管束流 切割深度/mm 线速度/(ms1)0.0 1.0 2.0 3.0 0.6 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 2.7 长线射流 砂管束流 切割宽度/mm 线速度/(ms1)第 3 期 张金良等：大线速度下超高压水射流破岩试验研究 621 参数条件下，式（1）中的经验系数 k、a 和 b 的均值和标准差见表 1。图图 16 h/d 与与(p/qu)1.72(v/c)0.62的关系的关系 Fig.16 Relationship between h/d and(p/qu)1.72(v/c)0.62 表表 1 经验系数经验系数 k、a 和和 b 的均值和标准差的均值和标准差 Table 1 Mean and standard deviation of empirical coefficients k,a and b 经验系数 均值 标准差 k 1.18 0.06 a 1.72 0.09 b 0.62 0.03 需要指出的是，式（1）是基于 Crow 切割岩石理论，通过试验数据回归分析得到的，因此式（1）是一个半理论半经验的公式，即为大线速度下高压水射流切割深度半理论半经验预测模型。该预测模型可为高压水射流辅助掘进机破岩技术中射流参数优化提供参考依据。5 结 论 本文通过大线速度超高压水射流切割岩石试验，分析了线速度、射流压力和喷嘴直径对破岩效果的影响规律，并探究了加磨料和射流形式对破岩效果的影响，得到的主要结论如下：（1）随喷嘴移动线速度的增加，高压水射流的切割深度和切割宽度均近似线性减小；随射流压力的增加，切割宽度基本不变，切割深度近似线性增大，压力从 200 MPa 提高到 280 MPa，切割深度增加了 72%82%；喷嘴直径增大，切割深度和切割宽度均显著增加，喷嘴直径从 0.35 mm 增大到 0.60 mm，切割深度增加了 60%85%。（2）加磨料（石榴石、黄河沙）的切割深度均小于纯水的切割深度，加磨料（石榴石、黄河沙）的切割宽度均大于纯水的切割宽度。大线速度下加磨料后射流变发散，切割能力减弱。（3）砂管束流的切割深度比长线射流的切割深度大 35%42%，砂管束流的切割宽度比长线射流的切割宽度大 78%85%。砂管束流射流模式的能量利用率更高，破岩效果更好。（4）喷嘴移动线速度较大（大于 1.0 m/s）时，射流的破岩效果不理想，可通过提高射流压力、增大喷嘴直径、优化射流模式的方法，来提高大线速度下射流的切割能力。研究成果对提升隧道掘进机工况下超高压水射流辅助破岩的效率是很有意义的。（5）基于 Crow 切割岩石理论，通过试验数据回归分析，得到大线速度下超高压水射流切割深度半理论半经验预测模型。预测模型可为高压水射流辅助掘进机破岩技术中射流切割参数优化提供参考依据。后续将开展小切深下高压水射流与滚刀耦合破岩研究，为高压水射流辅助掘进机破岩技术的实际应用提供有价值的参考。参参 考考 文文 献献 1 黄飞,卢义玉,刘小川,等.高压水射流冲击作用下横观各向同性岩石破碎机制J.岩石力学与工程学报,2014,33(7):1329-1335.HUANG Fei,LU Yi-yu,LIU Xiao-chuan,et al.Breakage mechanism of transverse isotropic rock subjected to high-pressure water jetJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2014,33(7):1329-1335.2 LU Y Y,TANG J R,GE Z L,et al.Hard rock drilling technique with abrasive water jet assistanceJ.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences,2013,60(6):47-56.3 廖华林,李根生,牛继磊,等.径向水平钻孔直旋混合射流钻头设计与破岩特性J.煤炭学报,2013,28(3):424-429.LIAO Hua-lin,LI Gen-sheng,NIU Ji-lei,et al.Integrating straight and swirling jets bit design and its rock breaking characteristics for radial horizontal hole drillingJ.Journal of China Coal Society,2013,28(3):424-429.4 LIU Y,WEI J,REN T.Analysis of stress wave effect during rock breaking by pulsed water jetJ.Rock Mechanics and Rock Engineering,2016,49(2):503-514.5 张文华,汪志明,于军泉,等.高压水射流机械齿联合破岩数值模拟研究J.岩石力学与工程学报,2005,24(23):4373-4382.ZHANG Wen-hua,WANG Zhi-ming,YU Jun-quan,et al.Numerical simulation for combined breaking rock with y=1.18x R2=0.97 1.0 2.0 3.0 4.0 1.0 2.0 3.0 4.0 h/d(p/qu)1.72(v/c)0.62 0.9 1.2 1.5 1.8 2.1 2.4 线速度/(ms1)622 岩 土 力 学 2023 年 high pressure water jet and mechanical bitJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005,24(23):4373-4382.6 ZENG R,DU C L,CHEN R J,et al.Reasonable location parameters of pick and nozzle in combined cutting systemJ.Journal of Central South University,2014,21:1067-1076.7 CICCU R,GROSSO B.Improvement of disc cutter performance by water jet assistanceJ.Rock Mechanics and Rock Engineering,2014,47:733-744.8 ZHANG J L,LI Y C,ZHANG Y S,et al.Using a high-pressure water jet-assisted tunnel boring machine to break rockJ.Advances in Mechanical Engineering,2020,12(10):1-16.9 张金良.TBM 高压水力耦合破岩关键技术研发及应 用M.郑州:黄河水利出版社,2021.ZHANG Jin-liang.Research,development and application of key technology of high pressure hydraulic coupling rock breaking TBMM.Zhengzhou:Yellow River Water Conservancy Press,2021.1