全斷面巖石隧道掘進機滾刀磨損影響因素分析

楊延棟， 陳 饋， 郭 璐， 李 星

(盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

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全斷面巖石隧道掘進機滾刀磨損影響因素分析

楊延棟， 陳 饋， 郭 璐， 李 星

(盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

為了有效控制和降低全斷面巖石隧道掘進機施工時滾刀的磨損，較準確地預測滾刀的磨損量，通過室內實驗和現場實驗從地質影響因素和機械影響因素2個方面對滾刀磨損問題進行了分析。通過水泥試樣實驗，得出等效石英含量EQC和單軸抗壓強度UCS單獨對巖石磨蝕性的影響規律；通過現場巖樣實驗，得出兩者共同對巖石磨蝕性的影響規律。通過對比進口與國產TBM的刀盤刀具布置，得出滾刀破巖面積對磨損速率的影響規律；通過統計現場掘進參數與刀具磨損數據，得出場切深指數FPI對滾刀平均磨損速率的影響規律。研究結果表明： 巖石對滾刀磨損的地質影響是巖石等效石英含量和單軸抗壓強度共同作用的結果；破巖面積是刀盤刀具設計參數對滾刀磨損的敏感指標；場切深指數是設備掘進參數對滾刀磨損的敏感指標。

全斷面巖石隧道掘進機(TBM)； 盤形滾刀； 刀具磨損； 影響因素； 敏感指標

0 引言

盤形滾刀作為全斷面巖石隧道掘進機(TBM)的核心破巖工具，滾刀磨損已成為TBM施工過程中不可避免的關鍵問題之一。對于TBM施工的山嶺隧道，滾刀磨損導致的刀具費用約占施工費用的1/3，滾刀更換時間約占施工時間的1/3[1]；另外TBM施工前滾刀的使用量往往難以預測。為了明確滾刀的磨損規律，建立滾刀磨損的預測方法，需要對滾刀磨損的影響因素進行分析，為滾刀磨損的定量分析提供基礎，對滾刀的使用具有重要的現實意義和實用價值。

目前，對于滾刀磨損的影響因素，國內外專家學者已開展了針對性研究。L.A.Prieto[2]針對滾刀磨損問題，提出了多個影響滾刀磨損的地質因素，并通過開展CAI實驗，探索滾刀磨損影響規律； 王旭等[3]通過對滾刀磨料磨損機制的分析，歸納滾刀磨損的影響因素主要來自機械因素和地質因素2個方面； 竺維彬等[4]通過對四十多臺盾構滾刀磨損情況的歸納，從地質、滾刀結構、刀盤形式和施工控制等方面總結了導致滾刀磨損的原因，并提出了控制滾刀磨損的對策； 張厚美等[5]通過分析掘進參數判斷滾刀的磨損情況； 孫紅等[6]通過分析滾刀磨損現場數據，建立了滾刀消耗率與巖體完整性系數的關系； 張忠健等[7]對3種刀圈耐磨材料進行了實驗分析，表明刀圈材料對滾刀磨損亦有影響； WANG等[8-9]認為刀具磨損是磨擦功作用的結果，建立了磨損體積與摩擦功的關系，通過滾刀磨損引起的比能變化來預測滾刀的磨損量； ZHANG等[10]通過對比滾刀刀刃破巖點弧長與刀具磨損量，表明滾刀刀刃破巖點弧長與磨損量之間存在一定的正比例關系； J.Hassanpour等[11]通過分析滾刀單刀破巖量與巖石維氏硬度VHNR、巖石單軸抗壓強度UCS等參數的關系，通過數值擬合的方法建立了滾刀壽命預測模型。

通過上述國內外學者對滾刀磨損影響因素的研究，可將滾刀磨損的影響因素歸納為地質因素、機械因素和材料因素等； 但已有研究多為定性的分析，未能建立各個影響因素的評價指標。本研究通過室內實驗與現場實驗分析滾刀磨損的影響因素，建立各影響因素的評價指標，并提取敏感影響因子，為滾刀磨損量的準確預測提供理論依據。

1 影響滾刀磨損的地質因素

影響滾刀磨損的地質因素主要包括巖石單軸抗壓強度UCS(Unconfined Compressive Strength)、等效石英含量EQC(Equivalent Quartz Content)[2]和巖體完整性等，其中UCS與EQC對滾刀磨損的影響突出，是地質影響因子中的敏感指標； 而巖石磨蝕性指標CAI(Cerchar Abrasivity Index)[12]是衡量巖石對滾刀磨蝕性的重要指標，且G.Wijk在1992年已建立了滾刀磨損速率與巖石磨蝕性指標CAI的定量關系，認為滾刀的磨損速率與CAI的平方近似呈正比例關系[13]。因此，建立UCS、EQC和CAI的關系，即可明確地質敏感指標對滾刀磨損的影響。

1.1 單軸抗壓強度與等效石英含量的單獨影響

由于施工現場采集的巖石的UCS和EQC 2個指標無法單獨控制其中某一個變量，導致無法定量分析UCS和EQC單獨對CAI的影響，因此利用水泥、石英砂(150目)和水3種材料，通過改變石英砂含量來獲得不同石英含量的試樣，并通過改變水灰比來獲得不同單軸抗壓強度的試樣。不同石英含量的5組試樣的水∶水泥∶石英砂(質量比)依次為1∶2∶1.00、1∶2∶1.25、1∶2∶1.50、1∶2∶1.75、1∶2∶2.00； 不同抗壓強度的5組試樣的水∶水泥(水灰比)依次為0.40、0.45、0.50、0.55、0.60； 同時確保每組試樣的材料總質量為1 024 g。每組材料攪拌均勻后裝入模具振動密實，恒溫養護7 d，最終形成每組3塊，共30塊的40 mm×40 mm×160 mm的長方體水泥試樣。

10組水泥試樣各取1塊，利用切割機切成40 mm×40 mm×40 mm的3塊立方體，通過恒速壓力機測試其單軸抗壓強度UCS，每組試樣測3次求其平均值并繪制曲線，如圖1所示。

(a) 不同石英含量組試樣抗壓強度

(b) 不同抗壓強度組試樣抗壓強度

從圖1(a)可以看出，不同石英含量的5組水泥試樣的單軸抗壓強度較接近，達到了控制單軸抗壓強度不變的目的，符合試樣配置要求； 從圖1(b)可以看出，不同單軸抗壓強度的5組水泥試樣隨著水灰比的增加，單軸抗壓強度近似呈線性減小，符合試樣的配置要求。

從10組水泥試樣中各取出1塊，利用雙端面磨平機對試樣表面進行打磨，使包裹的石英砂裸露出來，同時提高試樣表面的平整度； 然后利用巖石磨蝕伺服實驗儀[14]測試10組試樣的CAI值，每塊試樣測試3次并求其平均值。由于石英砂的石英含量達99%，因此不同石英含量組的石英含量近似等于等效石英含量，由不同石英含量組擬合巖石磨蝕性指標CAI與等效石英含量EQC的關系曲線如圖2所示； 不同單軸抗壓強度組擬合磨蝕性指標CAI與單軸抗壓強度UCS的關系曲線，如圖3所示。

從圖2和圖3可以看出，磨蝕性指標CAI與等效石英含量EQC、單軸抗壓強度UCS的關系曲線均有較高的擬合度，磨蝕性指標CAI與等效石英含量EQC呈正的線性關系，與單軸抗壓強度UCS呈正的對數關系。由此可見，水泥試樣的磨蝕性是等效石英含量和單軸抗壓強度共同作用的結果，二者缺一不可。為了進一步證明該觀點，又配置了5組不含石英砂的純水泥試樣，單軸抗壓強度測試結果如圖4(a)所示，磨蝕性指標測試結果如圖4(b)所示。

圖2 CAI與EQC的擬合關系

圖3 CAI與UCS的擬合關系

(a) 無石英砂組試樣單軸抗壓強度

(b) 無石英砂組試樣磨蝕性指標

從圖4可以看出，雖然無石英砂組試樣的單軸抗壓強度可達較高的值，但表現出來的磨蝕性均較小，CAI值均不超過0.1 mm，可見巖石對滾刀的磨損是巖石等效石英含量和單軸抗壓強度共同作用的結果。巖石中對滾刀起磨蝕作用的主要是石英和長石等硬質顆粒，但如果巖石單軸抗壓強度不夠高即意味著巖石對硬質顆粒的膠結能力弱，磨粒容易脫落，對刀具的磨蝕性較弱，反之則磨蝕性較強。

1.2 單軸抗壓強度和等效石英含量的共同影響

對于實際工程中所遇到的巖石，對滾刀的磨損是巖石等效石英含量和單軸抗壓強度共同作用的結果，因此需考慮等效石英含量和單軸抗壓強度共同對巖石磨蝕性的影響。

根據文獻[2]定義，巖石等效石英含量EQC與巖石單軸抗壓強度UCS的乘積為巖石耐磨性指數RAI (Rock Abrasivity Index)，即

RAI=UCS×EQC。

巖石的礦物成分可通過巖石薄片鑒定實驗或材料成分衍射實驗獲取，并根據文獻[15]方法計算得到巖石的等效石英含量EQC； 巖石的單軸抗壓強度UCS通過MTS實驗機預巖石單軸壓縮實驗獲取； 巖石磨蝕性指標CAI通過巖石磨蝕伺服儀獲取。從秦嶺某引水隧洞、廣州某鐵路隧道和東北某引水隧洞施工現場共取樣27組，測試各參數的結果如表1所示，擬合CAI與RAI的關系曲線如圖5所示。

表1 地質敏感指標測試結果

表1(續)

注： A1—A11取自秦嶺某引水隧洞，B1—B11取自廣東某鐵路隧道，C1—C5取自東北某引水隧洞。

圖5 CAI與RAI的擬合關系

從圖5可以看出，巖石磨蝕性指標CAI與RAI(UCS×EQC)呈正的對數關系，且高度相關(相關性系數為0.956)。

2 影響滾刀磨損的機械因素

影響滾刀磨損的機械因素主要包括2個方面： 一是TBM設計時刀盤刀具布置對滾刀磨損的影響； 二是TBM掘進時掘進參數對滾刀磨損的影響。TBM設計時，刀盤刀具布置對滾刀磨損的影響主要反映在滾刀安裝半徑、刀間距、滾刀直徑和刀刃寬度等設計參數的影響； TBM掘進時，主要表現在刀盤推力、刀盤扭矩、刀盤轉速和刀刃貫入度等掘進參數的影響。

2.1 刀盤刀具設計參數的影響

滾刀安裝半徑越大，刀盤旋轉一圈滾刀的破巖距離越長，磨損越快； 刀間距越大，兩相鄰滾刀之間的巖石越不容易被破壞，滾刀磨損越快； 滾刀直徑越大、刀刃越寬，刀圈允許的磨損量越多，刀圈的使用壽命越長。

同一種滾刀的直徑和刀刃寬度相同，而滾刀安裝半徑與刀間距共同決定了每把滾刀的破巖量。刀盤每轉一圈，滾刀的破巖面積為一系列同心的帶狀圓環，長度為滾刀安裝半徑所在圓的周長，寬度為相鄰滾刀的刀間距。滾刀的破巖面積

A=2πR·S。

式中： R為滾刀的安裝半徑； S為滾刀的刀間距。

通過對比2臺直徑8.0 m、分別用于秦嶺某引水隧洞的進口TBM和東北某引水隧洞的國產TBM的刀盤刀具布置，分析刀盤刀具設計對滾刀磨損的影響。進口TBM刀盤上布置了4把17 in雙刃中心滾刀，43把20 in單刃滾刀(其中正滾刀32把，邊滾刀11把)，共計51個刀刃； 國產TBM刀盤上布置了4把17 in雙刃中心滾刀，48把19 in單刃滾刀(其中正滾刀36把，邊滾刀12把)，共計56個刀刃。2臺TBM各刀位滾刀的刀間距和破巖面積對比如圖6所示。

(a) 各刀位滾刀刀間距

(b) 各刀位滾刀破巖面積

Fig. 6 Comparison between imported cutter and homemade cutter in terms of cutter spacing and rock breaking area

從圖6可以看出，2個刀盤均在過渡區43#刀位附近時滾刀的破巖面積最大，國產TBM設計時在該位置附近刻意增加了1把滾刀，試圖通過減小刀間距達到減小過渡區域滾刀破巖面積的目的，有利于降低該區域的滾刀磨損量。

通過統計秦嶺某引水隧洞前1 500 m和東北某引隧洞(該工程中心滾刀未統計)前2 000 m每個刀位滾刀的累計磨損量，并定義單位掘進距離的滾刀磨損量為滾刀磨損速率。兩個工程均為破巖面積最大的43#刀位的磨損速率最高，每個刀位滾刀的磨損速率與破巖面積的擬合關系如圖7所示。

從圖7可以看出，兩個工程的擬合結果均表明滾刀磨損速率與破巖面積呈正的指數函數關系，其中離散點主要是由于某些滾刀發生異常磨損導致磨損速率加快。滾刀磨損速率的差異主要由于這兩個工程的地質條件和所使用滾刀的廠家不同所導致，但破巖面積的指數系數相當接近。

(a) 秦嶺某引水隧洞

(b) 東北某引水隧洞

Fig. 7 Fitting relationship between disc cutter wear rate and rock breaking area

由于刀盤刀具設計參數的影響，導致不同刀位滾刀的磨損速率有所差異，為了能夠準確計算不同刀位滾刀的磨損量，引入滾刀磨損刀位系數[16]。刀位系數通過指定某把滾刀的刀位系數為1，其他刀位的刀位系數利用某一掘進段各刀位累計磨損量與指定刀位累計磨損量的比值得到； 對于尚未開工的工程，刀位系數可通過所設計刀盤的每個刀位的破巖面積與破巖速率的擬合關系來預測刀位系數。確定刀位系數之后，只要確定指定刀位的滾刀磨損量就可以確定所有刀位的滾刀磨損量。

2.2 設備掘進參數的影響

刀盤推力為滾刀提供破巖的垂直力，滾刀所受垂直力越大，越容易磨損； 刀盤扭矩為滾刀提供破巖的滾動力，滾刀所受滾動力越大，越容易磨損； 但刀盤扭矩與刀盤推力高度相關，二者呈正比例關系[17]。刀刃貫入度越大，刀刃與巖石中硬質顆粒接觸的機會越大，刀圈材料越容易被剝落。刀盤轉速越大，滾刀破巖所受的沖擊力越大，容易導致刀圈崩刃； 但由于刀盤轉速相對較低，滾刀的線速度最大也不超過2.5 m/s，滾刀運動屬于準靜態狀態，因此不考慮刀盤轉速對滾刀正常磨損的影響。

通過定義單位貫入度時滾刀所受垂直力為滾刀的場切深指數FPI(Field Penetration Index)，則

式中： FV為滾刀垂直力，kN； h為刀刃貫入度，即刀盤每轉一圈滾刀的切深，mm/r; F為刀盤推力，kN； N為刀盤上的滾刀數量。

通過對現場刀具使用情況與刀具磨損參數的分析，刀盤正滾刀磨損主要是直接破巖的一次磨損，刀盤邊緣滾刀除了直接破巖導致的直接磨損外，還包括重復破碎堆積在刀盤底部的巖渣造成的二次磨損； 刀盤正滾刀的磨損速率隨著滾刀安裝半徑的增大成線性增加； 因此可以通過刀盤正滾刀的平均磨損速率來反映整個刀盤絕大部分刀具的消耗量。在地質影響因素不變的情況下，建立刀盤正滾刀平均磨損速率與場切深指數FPI的關系就可以預估刀盤上絕大部分滾刀的消耗量。

場切深指數FPI被廣泛地用作TBM可掘性的衡量指標[18]，也可作為設備掘進參數對滾刀磨損的敏感指標。通過對秦嶺某引水隧洞前1 000 m掘進段設備掘進參數和刀具磨損的統計，建立場切深指數對滾刀磨損的影響。根據該掘進段的掘進報告，對每個循環(約1.8 m)的掘進參數進行統計，并求得每50 m(約28個循環)各掘進參數的平均值； 每50 m統計各刀位的累計磨損量，通過計算9#—40#正滾刀磨損速率再求其平均值得到平均磨損速率。正滾刀平均磨損速率與場切深指數的關系如圖8所示，從圖中可以看出，隨著場切深指數的增大，滾刀平均磨損速率呈線性增加。

圖8 正滾刀平均磨損速率與場切深指數的擬合關系

Fig. 8 Fitting relationship between disc cutter average wear rate and FPI

3 影響滾刀磨損的其他因素

不同廠家的滾刀除了刀具的幾何尺寸不同以外，刀圈材料的不同也對滾刀磨損有著顯著的影響，文獻[19]從滾刀微觀磨損機制出發，建立的滾刀磨損速率預測模型中滾刀磨損速率與σc/σs(σc為巖石抗壓強度，σs為刀刃屈服強度，定義σc/σs為滾刀的相對強度)呈正比。對于抗壓強度一定的巖石，刀刃屈服強度越高，則滾刀的相對強度值越小，滾刀的磨損速率越慢； 但由于文獻[19]中的假設條件為滾刀僅發生了基于塑性去除機制的磨粒磨損，而滾刀使用時的實際情況是當刀刃的屈服強度提高時，刀刃的抗沖擊韌性將大幅度下降，此時滾刀的部分塑性去除機制轉化為脆性斷裂去除機制，刀刃材料更易被巖石中的硬質顆粒剝離，表現出的宏觀現象為刀圈崩刃。對于抗壓強度一定的巖石，刀刃屈服強度越低，則滾刀的相對強度值越高，此時刀刃容易發生塑性變形，導致滾刀的磨損速率加快，且不易將巖石破碎，表現出的宏觀現象為刀圈卷刃。因此，滾刀的相對強度應控制在一個較合適的范圍內才有利于降低滾刀磨損，對于不同抗壓強度的巖石，滾刀的屈服強度也應該做相應調整才能盡可能地降低滾刀的磨損。

除了刀圈材料對滾刀磨損的影響外，刀圈的刃形也對滾刀的磨損有影響。滾刀的刃形經歷了從楔形到近似常截面的發展過程，有效提高了滾刀的使用壽命； 亦有學者提出通過改變滾刀內外側刃半角來減小破巖刃上最大破巖粒作用點的側向滑移量，從而提出一種新型滾刀刀圈[20]，降低滾刀的磨損。

4 結論與討論

通過對影響滾刀磨損的地質因素和機械因素開展室內實驗和現場實驗，得到以下結論。

1)巖石對滾刀磨損的地質影響是巖石等效石英含量和單軸抗壓強度共同作用的結果。巖石磨蝕性指標與等效石英含量呈正的線性關系，與單軸抗壓強度呈正的對數函數關系； 巖石磨蝕性指標與巖石等效石英含量和單軸抗壓強度的乘積呈正的對數函數關系。

2)破巖面積是刀盤刀具設計參數對滾刀磨損的敏感指標，滾刀磨損速率與破巖面積呈正的指數函數關系； 場切深指數是設備掘進參數對滾刀磨損的敏感指標，滾刀平均磨損速率與場切深指數呈正的線性函數關系。

在分析滾刀磨損影響因素的基礎上，利用提取的磨損影響因素敏感指標，通過室內實驗和現場實驗建立滾刀磨損的預測模型是課題進一步研究所要開展的工作。為了有效降低滾刀的磨損，應從滾刀的材料和刃形等方面入手，通過確定最優的滾刀相對強度和開發新型滾刀刃形，達到提高滾刀耐磨性的目的。

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Analysis of Influencing Factors of Wear of Disc Cutter of Full-face Hard Rock Tunnel Boring Machine

YANG Yandong, CHEN Kui, GUO Lu, LI Xing

(State Key Laboratory of Shield Machine and Boring Technology, Zhengzhou 450001, Henan, China)

The wear of TBM disc cutter is analyzed by indoor test and site test in terms of geological factor and mechanical factor, so as to control and reduce the wear of disc cutter and predict the wear amount. The influencing rules of equivalent quartz content (EQC) and unconfined compressive strength (UCS) on rock abrasiveness are obtained by cement sample and rock sample test. The influencing rules of rock breaking area of disc cutter on disc cutter wear rate are obtained by carrying out comparison between imported cutterhead and cutter and homemade cutterhead and cutter. The influencing rules of field penetration index (FPI) on average wear rate of disc cutter are obtained by carrying out comparison between TBM boring parameters and cutter wear data. The study results show that: 1) The geological factors of EQC and UCS affect the wear of disc cutter together. 2) The rock breaking area is the sensitive index of cutterhead and cutter design to disc cutter wear. 3) The FPI is the sensitive index of equipment boring parameters to disc cutter wear.

full-face rock tunnel boring machine (TBM); disc cutter; cutter wear; influencing factors; sensitive index

2016-05-12;

2016-06-28

國家重點基礎研究發展計劃(“973”計劃)項目(2014CB046906)； 中鐵隧道集團科技創新計劃(隧研合2014-01)

楊延棟(1988—)，男，陜西寶雞人，2014年畢業于西南交通大學，機械設計及理論專業，碩士，助理工程師，主要從事盾構及掘進技術研究工作。E-mail: yay_sky@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.018

U 455.43

A

1672-741X(2016)11-1394-07