基于磨損比耗指數(shù)的滾刀磨損定量預(yù)測(cè)方法

蘇 明， 李 彤， 韓愛(ài)民， 金立忠， 劉雪珠

(1. 中交隧道工程局有限公司， 北京 100088； 2. 南京工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所， 江蘇 南京 210009； 3. 江蘇省巖土工程公司， 江蘇 南京 210018)

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基于磨損比耗指數(shù)的滾刀磨損定量預(yù)測(cè)方法

蘇 明1， 李 彤2, 3,*， 韓愛(ài)民2， 金立忠1， 劉雪珠3

(1. 中交隧道工程局有限公司， 北京 100088； 2. 南京工業(yè)大學(xué)巖土工程研究所， 江蘇 南京 210009； 3. 江蘇省巖土工程公司， 江蘇 南京 210018)

為定量預(yù)測(cè)盾構(gòu)掘進(jìn)復(fù)合地層時(shí)不同刀位的滾刀磨損量，以滾刀磨損的逐刀量測(cè)及相應(yīng)的破巖體積的分層統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，將位置各異的滾刀磨損比耗指數(shù)(SWI)——滾刀磨損增加量與破巖體積之比，按滾刀掘進(jìn)地層進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，得到以掘進(jìn)參數(shù)為自變量、適用于4種均質(zhì)地層的SWI回歸方程。將SWI回歸方程與磨損量的分層求和法相結(jié)合，提出基于磨損比耗指數(shù)的復(fù)合地層滾刀磨損的定量預(yù)測(cè)方法。研究表明： 1)磨損比耗指數(shù)同時(shí)考慮磨損量與滾刀安裝位置、掘進(jìn)距離的關(guān)系，物理意義明確； 2)SWI回歸方程預(yù)測(cè)精度較高，可為刀圈極限磨損預(yù)測(cè)提供掘進(jìn)參數(shù)預(yù)警值。通過(guò)分析方程系數(shù)與巖性的相關(guān)性，提出在不同地層中有利于減緩滾刀磨損的掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整方法。實(shí)測(cè)結(jié)果表明，復(fù)合地層滾刀磨損定量預(yù)測(cè)方法在磨損量預(yù)測(cè)，尤其是滾刀壽命預(yù)測(cè)中具有較高的精度。

復(fù)合地層； 盾構(gòu)掘進(jìn)； 滾刀磨損； 磨損比耗指數(shù)(SWI)； 分層求和法

0 引言

土壓平衡式盾構(gòu)在高強(qiáng)度復(fù)合地層中掘進(jìn)的主要風(fēng)險(xiǎn)是掘進(jìn)速度緩慢或掘進(jìn)不動(dòng)，盾構(gòu)刀具磨損嚴(yán)重，開(kāi)艙檢查與刀具更換頻繁，導(dǎo)致掘進(jìn)效率低下，掘進(jìn)成本大大增加。為此，有必要建立具有較高精度的滾刀磨損預(yù)測(cè)模型，并應(yīng)用于磨損量動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和滾刀壽命預(yù)測(cè)，指導(dǎo)盾構(gòu)高效掘進(jìn)。

滾刀磨損預(yù)測(cè)方法可歸為2大技術(shù)路徑： 力學(xué)分析法和經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)法[1]。力學(xué)分析法中，CSM模型以巖石線性切割試驗(yàn)為基礎(chǔ)，提出以磨蝕指數(shù)(CAI)推算磨損程度，并結(jié)合掘進(jìn)破巖體積計(jì)算滾刀壽命[2]。張照煌等[3]根據(jù)滾刀破巖時(shí)破巖刃上一點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，以刀刃破巖點(diǎn)一次破巖弧長(zhǎng)、刀刃單位弧長(zhǎng)磨損量及刀刃破巖點(diǎn)破巖次數(shù)之積計(jì)算滾刀磨損量。WANG等[4]研究了滾刀與圍巖的摩擦作用，建立了描述掘進(jìn)參數(shù)、比能與滾刀磨損幾何狀態(tài)的能量方程。趙海鳴等[5]分析了圍巖性質(zhì)不同時(shí)滾刀磨損機(jī)制的差異，針對(duì)2種磨損機(jī)制分別建立基于磨料磨損的滾刀磨損量方程。楊延棟等[6]將CSM模型中的滾刀徑向力導(dǎo)入基于磨料磨損的滾刀磨損體積方程，建立了滾刀直接磨損速率預(yù)測(cè)模型。

經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)法中，NTNU模型以巖石表面硬度(Sievers’ J-value)與磨蝕值(AVS)計(jì)算滾刀壽命指數(shù)(CLI)，結(jié)合滾刀直徑計(jì)算滾刀壽命[7-8]。李笑等[9]以正常磨損狀態(tài)下的掘進(jìn)速率預(yù)測(cè)模型為基礎(chǔ)，通過(guò)比較掘進(jìn)速率實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值間的偏差判斷滾刀磨損狀態(tài)。張厚美等[10]對(duì)滾刀完好狀態(tài)下掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行回歸分析得到掘進(jìn)速率與刀盤(pán)扭矩半經(jīng)驗(yàn)公式，以掘進(jìn)參數(shù)實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值間偏差定性預(yù)測(cè)滾刀磨損狀態(tài)。文獻(xiàn)[11-13]針對(duì)特定地層建立了磨損量與掘進(jìn)參數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)公式，具有較高的預(yù)測(cè)精度。

上述研究成果中，CSM模型中的CAI受試驗(yàn)條件及巖體性質(zhì)影響顯著[14]，在復(fù)合地層滾刀磨損預(yù)測(cè)應(yīng)用中存在局限。弧長(zhǎng)磨損系數(shù)、磨料磨損系數(shù)等計(jì)算系數(shù)直接決定力學(xué)分析法的預(yù)測(cè)精度，而復(fù)合地層中相關(guān)計(jì)算系數(shù)的選取方法仍有待完善。NTNU模型中多項(xiàng)參數(shù)需由特殊試驗(yàn)獲取，且預(yù)測(cè)值偏保守[15]，影響換刀及進(jìn)度安排，限制了其在復(fù)合地層中的工程應(yīng)用。另外，磨損量與掘進(jìn)參數(shù)間的經(jīng)驗(yàn)公式未考慮滾刀安裝位置對(duì)磨損量的影響，對(duì)地層分布在滾刀軌跡、掘進(jìn)方向上的區(qū)分不足，影響其在巖層分布多變的復(fù)合地層中的適用性。

有鑒于此，針對(duì)復(fù)合地層在滾刀軌跡及掘進(jìn)方向上的地層分布變化，通過(guò)逐刀統(tǒng)計(jì)不同刀位的滾刀在均質(zhì)巖層掘進(jìn)時(shí)的磨損增加量與破巖體積比值，提出“磨損比耗指數(shù)”作為磨損量回歸分析目標(biāo)值，將位置各異的滾刀的磨損比耗指數(shù)按滾刀掘進(jìn)地層分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，開(kāi)展磨損比耗指數(shù)與掘進(jìn)參數(shù)間的回歸分析，得到多種均質(zhì)地層的磨損比耗指數(shù)經(jīng)驗(yàn)公式。在此基礎(chǔ)上提出適用于復(fù)合地層滾刀磨損量計(jì)算的分層求和法，在考慮滾刀軌跡差異對(duì)滾刀磨損量影響的同時(shí)提高了經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)法的地層適用性。

1 工程背景

南京市寧高城際軌道交通2期工程盾構(gòu)隧道區(qū)間段全長(zhǎng)2 390 m，其中68.8%的區(qū)間穿越中等風(fēng)化安山巖，其余部分主要穿越由黏性土、砂土、強(qiáng)風(fēng)化安山巖和中等風(fēng)化安山巖構(gòu)成的復(fù)合地層。盾構(gòu)段地層分布見(jiàn)表1。

表1 盾構(gòu)段地層分布

該工程采用海瑞克復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)，刀盤(pán)直徑為6 480 mm，最大推力為42 575 kN，最大掘進(jìn)速率為80 mm/min，脫困扭矩為7 476 kN·m。

刀盤(pán)滾刀安裝如圖1所示。刀盤(pán)采用“4輻條+4面板”形式，開(kāi)口率為36%，配備中心滾刀8把、正面滾刀24把和邊緣滾刀13把。1#—20#滾刀刀間距為90 mm，20#—32#滾刀刀間距為80 mm。滾刀帶有高度耐磨的合金齒切削環(huán)，刀圈直徑為43.18 cm(17英寸)。刀盤(pán)采用2檔驅(qū)動(dòng)，Ⅰ檔轉(zhuǎn)速為0～1.4 r/min，最大扭矩為6 219 kN·m； Ⅱ檔轉(zhuǎn)速為0～2.5 r/min，最大扭矩為3 457 kN·m。

2 數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計(jì)

2.1 掘進(jìn)參數(shù)的采集與統(tǒng)計(jì)

盾構(gòu)掘進(jìn)由PLC電路采集信號(hào)，通過(guò)整理控制室主機(jī)系統(tǒng)保存的掘進(jìn)參數(shù)報(bào)表，統(tǒng)計(jì)盾構(gòu)推進(jìn)速率(v)、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速(n)、總推力(Ft)、扭矩(T)、土艙壓力(p)等參數(shù)，即盾構(gòu)掘進(jìn)每環(huán)的掘進(jìn)參數(shù)平均值(vi-l-j-m,ni-l-j-m,Fti-l-j-m,Ti-l-j-m,pi-l-j-m)。其中：i為滾刀編號(hào)；l為滾刀更換次序；j為滾刀壽命內(nèi)的開(kāi)艙量測(cè)次序；m為環(huán)號(hào)。

(a) 滾刀編號(hào)示意圖 (b) 實(shí)物圖

圖1 滾刀安裝位置

Fig. 1 Installation positions of disc cutters

2.2 滾刀磨損的量測(cè)統(tǒng)計(jì)

圖2 滾刀磨損量量測(cè)方法

2.3 滾刀破巖體積分層統(tǒng)計(jì)

由滾刀刀間距可知，各滾刀與刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)中心之間的距離(滾刀安裝半徑)均不相同，導(dǎo)致掘進(jìn)相同里程時(shí)各滾刀破巖體積不同。定義磨損比耗指數(shù)(specific wear index，SWI)反映滾刀磨損速率，即單位破巖體積對(duì)應(yīng)的滾刀磨損增加量。

(1)

如圖3所示，滾刀磨損增加量與滾刀軌跡長(zhǎng)正相關(guān)，且滾刀軌跡、滾刀破巖體積與滾刀安裝半徑ri正相關(guān)，通過(guò)將滾刀磨損增加量除以破巖體積轉(zhuǎn)化為SWI，消除了滾刀安裝半徑對(duì)滾刀間磨損增加量差異的影響，將不同刀位的滾刀的磨損增加量按掘進(jìn)地層重新分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，作為回歸分析樣本。邊緣滾刀所受的徑向力與刀盤(pán)平面并不垂直，相鄰邊緣滾刀外緣間距中點(diǎn)不宜作為相鄰邊緣滾刀破巖斷面邊界，因此，該處理方法不宜用于邊緣滾刀的磨損與破巖體積計(jì)算。滾刀破巖體積分層統(tǒng)計(jì)步驟如圖4所示。

表2 22#滾刀磨損量實(shí)測(cè)值

注：Δ22-l為22#滾刀在滾刀壽命內(nèi)累計(jì)磨損量實(shí)測(cè)值。

圖3 滾刀不同安裝位置對(duì)滾刀磨損量影響的消除處理

Fig. 3 Elimination of impact of different installation positions of disc cutter on cutter wear

3 滾刀磨損量回歸分析

3.1 均質(zhì)地層滾刀掘進(jìn)SWI回歸分析

將同種地層SWI相應(yīng)的掘進(jìn)參數(shù)集合及掘進(jìn)參數(shù)若干次冪作為元素集，進(jìn)行元素集間笛卡爾乘積運(yùn)算，得到屬于同種地層SWI的單項(xiàng)變量及二元復(fù)合變量集合，作為多元回歸分析的自變量集。

利用SPSS軟件對(duì)4種均質(zhì)地層滾刀掘進(jìn)的SWI樣本及相應(yīng)自變量集元素進(jìn)行多元逐步線性回歸運(yùn)算，得到分別屬于4種均質(zhì)地層的SWI與掘進(jìn)參數(shù)間的高階多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系。按照共性提升原則，將4種均質(zhì)地層的SWI與掘進(jìn)參數(shù)間的高階多項(xiàng)式函數(shù)關(guān)系中相同的自變量提取出來(lái)并線性組合成式(2)，作為預(yù)測(cè)均質(zhì)地層滾刀磨損速率的通式。

SWIΩ*=kvanb+c。

(2)

式中：SWIΩ*為根據(jù)v、n實(shí)測(cè)值得出的SWIΩ預(yù)測(cè)值；v為掘進(jìn)速率，mm/min；n為刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，r/min；a、b、c、k均為回歸方程系數(shù)。

圖5—8示出不同地層SWI回歸方程計(jì)算結(jié)果，回歸方程系數(shù)及方差分析見(jiàn)表3和表4。結(jié)果表明： 自變量顯著性在各地層中均小于0.05，式(2)具有統(tǒng)計(jì)意義，對(duì)于滾刀磨損速率具有較好的預(yù)測(cè)效果。當(dāng)式(2)計(jì)算SWI小于零時(shí)，應(yīng)根據(jù)巖體基本質(zhì)量等級(jí)，在(0,5]中取SWI估計(jì)值。

掘進(jìn)施工時(shí)，一般將刀盤(pán)轉(zhuǎn)速與掘進(jìn)速率分別控制在0～2 r/min和0～30 mm/min，來(lái)防止刀圈斷裂、滾刀軸承損壞變形、泵機(jī)損壞的發(fā)生。根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)及刀具更換記錄，在J31-3p與J31-3地層中，當(dāng)SWI實(shí)測(cè)值>22時(shí)，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速與掘進(jìn)速率均較高，導(dǎo)致滾刀壓碎高強(qiáng)度、較完整圍巖時(shí)破巖刃處應(yīng)力集中加劇，刀圈斷裂等故障發(fā)生概率明顯增大。因此，式(2)可用于提供判斷滾刀損壞的掘進(jìn)速率與刀盤(pán)轉(zhuǎn)速預(yù)警值，對(duì)刀圈極限磨損預(yù)測(cè)具有指導(dǎo)意義。

圖4 滾刀破巖體積分層統(tǒng)計(jì)示意圖

圖5 J31-2地層SWI實(shí)測(cè)值與回歸曲面

圖6 J31-3r地層SWI實(shí)測(cè)值與回歸曲面

圖7 J31-3p地層SWI實(shí)測(cè)值與回歸曲面

圖8 J31-3地層SWI實(shí)測(cè)值與回歸曲面

表3 均質(zhì)地層SWI回歸計(jì)算系數(shù)

Table 3 Calculation parameters of SWI regression of homogeneous stratum

地層代號(hào)abckJ31-20．4833．261-10．5521．095J31-3r0．5352．845-12．4081．344J31-3p0．5033．023-12．7591．518J31-30．5123．117-11．9551．673

表4 均質(zhì)地層SWI回歸計(jì)算方差分析

Table 4 Analysis of variance of SWI regression of homogeneous stratum

地層代號(hào)相關(guān)系數(shù)R顯著性J31-20．7480．031J31-3r0．8020．026J31-3p0．8320．012J31-30．7260．024

各地層SWI回歸曲線對(duì)比如圖9所示，以nov面為水平面，當(dāng)?shù)侗P(pán)轉(zhuǎn)速與掘進(jìn)速率增大時(shí)，各SWI曲面水平距離均逐漸增大。

圖9 各地層SWI回歸曲面對(duì)比

計(jì)算各地層SWI回歸方程對(duì)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速與掘進(jìn)速率的方向?qū)?shù)，即SWI分別隨刀盤(pán)轉(zhuǎn)速與掘進(jìn)速率變化的速率。以SWI在v-n正交方向上的變化速率對(duì)SWI回歸曲面的面積積分為基礎(chǔ)，得到SWI對(duì)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和掘進(jìn)速率的平均變化速率分別為：

(3)

(4)

曲面積分區(qū)域?yàn)楦鶕?jù)式(2)計(jì)算的各地層SWI回歸曲面中SWI非負(fù)的區(qū)域，且刀盤(pán)轉(zhuǎn)速n與掘進(jìn)速率v分別不大于2 r/min和30 mm/min。

表5 SWI在正交方向上的平均變化速率

3.2 回歸方程系數(shù)與巖石性質(zhì)的相關(guān)性

利用式(5)計(jì)算不同地層SWI回歸方程系數(shù)的離均差率(mean deviation rate, MDR)，計(jì)算結(jié)果如圖10所示。

(5)

(a)MDR與飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rc的關(guān)系 (b)MDR與巖體完整性指數(shù)Kv的關(guān)系 (c)MDR與巖體基本質(zhì)量指標(biāo)BQ的關(guān)系

圖10 不同地層SWI回歸方程系數(shù)的離均差率

Fig. 10 Mean deviation rates of SWI regression equation of different strata

如圖10(a)和圖10(b)所示，隨著巖石堅(jiān)硬程度及巖體完整程度的提高，系數(shù)a、b、c在10%范圍內(nèi)波動(dòng)，且逐漸趨于穩(wěn)定。控制SWI曲面陡峭程度的系數(shù)k隨著Rc的提高而增大，說(shuō)明SWI的變化速率與巖石堅(jiān)硬程度正相關(guān)。巖體完整程度升高時(shí)，k值波動(dòng)較大，表明巖體基本質(zhì)量分級(jí)單因素對(duì)SWI的影響存在差異，針對(duì)滾刀磨損速率的單因素分析法存在局限。

3.3 復(fù)合地層滾刀磨損預(yù)測(cè)

當(dāng)盾構(gòu)穿越上軟下硬、上硬下軟或軟硬重疊等復(fù)合地層時(shí)，在以刀盤(pán)中心為原點(diǎn)的平面軌跡與盾構(gòu)掘進(jìn)方向2個(gè)維度上，均存在2種或多種地層。結(jié)合滾刀掘進(jìn)均質(zhì)地層SWI回歸分析結(jié)果與滾刀破巖體積分層統(tǒng)計(jì)，復(fù)合地層目標(biāo)滾刀磨損量分層求和法計(jì)算步驟為：

(6)

(7)

4)根據(jù)式(8)預(yù)測(cè)滾刀在j-1次與j次磨損量測(cè)間滾刀磨損增加量預(yù)測(cè)值

(8)

式中：P為j次測(cè)量的起始環(huán)號(hào)；Q為滾刀連續(xù)破巖環(huán)數(shù)。

滾刀壽命內(nèi)的累計(jì)磨損量預(yù)測(cè)值

(9)

式中t為滾刀壽命內(nèi)磨損量測(cè)次數(shù)。

滾刀壽命計(jì)算方法如圖11所示。以22#滾刀的換刀記錄為例，滾刀磨損預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖12所示。由于均質(zhì)地層SWI回歸分析的精度限制，以及滾刀破巖體積分層統(tǒng)計(jì)誤差，根據(jù)復(fù)合地層滾刀磨損量分層求和法得到的磨損量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值間存在10%～50%的相對(duì)偏差。分層求和法中滾刀磨損增加量預(yù)測(cè)值是對(duì)各環(huán)磨損量預(yù)測(cè)值的累加，誤差的積累使磨損量預(yù)測(cè)曲線斜率在掘進(jìn)距離增加時(shí)逐漸增大，導(dǎo)致滾刀磨損量預(yù)測(cè)值相對(duì)偏差(多在10%～50%)大于滾刀壽命(以磨損量20 mm為滾刀更換點(diǎn)，更換前的掘進(jìn)環(huán)數(shù))預(yù)測(cè)值相對(duì)偏差(多在0～16%)。

圖11 滾刀壽命計(jì)算方法示意圖

圖12 22#滾刀磨損預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

Fig. 12 Comparison between predicted wear and measured wear of disc cutter No. 22

滾刀磨損量和壽命預(yù)測(cè)值相對(duì)偏差統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表6。由表可知，相對(duì)于實(shí)測(cè)值，8把中心滾刀及24把正面滾刀的磨損量預(yù)測(cè)值平均相對(duì)偏差多在20%～30%，而滾刀壽命預(yù)測(cè)值平均相對(duì)偏差均低于20%且多在7%～16%，表明SWI回歸分析與復(fù)合地層滾刀磨損量分層求和法對(duì)磨損量及滾刀壽命均具有較高的預(yù)測(cè)精度，且其對(duì)滾刀壽命的預(yù)測(cè)更為準(zhǔn)確。

表6 滾刀磨損量和壽命預(yù)測(cè)值相對(duì)偏差

Table 6 Relative deviations of predicted values of wear and service life of disc cutter %

注： 1)磨損量預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相對(duì)偏差

2)滾刀磨損量為20 mm時(shí)換刀，滾刀壽命預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值相對(duì)偏差

4 結(jié)論與討論

1)磨損比耗指數(shù)SWI同時(shí)考慮了滾刀磨損量與滾刀安裝半徑、掘進(jìn)距離的相關(guān)性，反映了滾刀磨損增加量與破巖體積之間的比例關(guān)系，可用于衡量軌跡各異的滾刀的破巖效率，物理意義明確。

2)均質(zhì)巖層中滾刀的SWI回歸方程具有較好的預(yù)測(cè)精度，可為刀圈極限磨損預(yù)測(cè)提供掘進(jìn)參數(shù)預(yù)警值。同時(shí)，根據(jù)SWI在掘進(jìn)速率、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速方向上的變化速率對(duì)比，控制刀盤(pán)轉(zhuǎn)速可以更有效地減緩滾刀磨損。

3)當(dāng)巖體基本質(zhì)量指標(biāo)值升高時(shí)，SWI回歸方程的系數(shù)a、b、c在0～15%范圍波動(dòng)且趨于穩(wěn)定，系數(shù)k逐漸增大，SWI在掘進(jìn)速率和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速方向上的變化速率之比逐漸升高，即在控制刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的同時(shí)，還需逐漸加強(qiáng)對(duì)掘進(jìn)速率的控制，才能更有效地提高破巖效率。

4)以SWI回歸方程為基礎(chǔ)，結(jié)合磨損量分層求和的復(fù)合地層滾刀磨損定量預(yù)測(cè)方法，在滾刀磨損量預(yù)測(cè)，尤其是壽命預(yù)測(cè)中具有較高的精度，可為工程實(shí)踐提供參考。

基于磨損比耗指數(shù)的滾刀磨損定量預(yù)測(cè)方法是對(duì)既有施工參數(shù)的統(tǒng)計(jì)學(xué)分析結(jié)論，能夠逼近變量間的客觀數(shù)學(xué)規(guī)律，但無(wú)法完全揭示研究對(duì)象間的物理規(guī)律。預(yù)測(cè)模型在各地層中均具有一定的擬合精度，但并未達(dá)到對(duì)滾刀磨損量的完全精準(zhǔn)的預(yù)測(cè)，仍有改進(jìn)、提高的空間。

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Quantitative Prediction Method for Disc Cutter Wear Based on Specific Wear Index (SWI)

SU Ming1, LI Tong2, 3,*, HAN Aimin2, JIN Lizhong1, LIU Xuezhu3

(1.CCCCTunnelEngineeringCompanyLimited,Beijing100088,China; 2.InstituteofGeotechnicalEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,Jiangsu,China; 3.GeotechnicalEngineeringCompanyofJiangsuProvince,Nanjing210018,Jiangsu,China)

The specific wear indexes (SWI, the ratio of cutter wear increase to the rock breaking volume) of every disc cutter are classified and summarized according to stratum boring based on stratum-wise summation method. The SWI regression equation, adapting for 4 kinds of homogeneous strata and with boring parameters as independent variable, is achieved. A quantitative prediction method for disc cutter wear based on SWI in composite strata is proposed by combining SWI regression equation and stratum-wise summation method of wear. The results show that: 1) The relationship between cutter wear and cutter assembling position and that between cutter wear and tunneling length are taken account simultaneously in SWI, of which the physical significance is explicit. 2) With a fine accuracy of prediction, the SWI regression equation is able to provide alarm value for predicting cutters’ wear limit. The relationship between function coefficients and lithology is discussed; and then the optimal tunneling parameter adjusting methods for minimizing the disc cutter wear in different strata are put forward. The practice shows that the above-mentioned disc cutter wear prediction method is of high-precision.

composite strata; shield tunneling; disc cutter wear; specific wear index (SWI); stratum-wise summation method

2016-12-05;

2017-01-06

中國(guó)中交隧道工程局重點(diǎn)科研項(xiàng)目(SDKJ2014-005)

蘇明(1983—)，男，四川蓬溪人，2007年畢業(yè)于中南大學(xué)，城市地下空間工程專(zhuān)業(yè)，本科，工程師，主要從事軌道交通方向的科研、施工和管理工作。E-mail： 154009027@qq.com。*通訊作者： 李彤， E-mail： gnotil80@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.07.017

U 455.3

A

1672-741X(2017)07-0891-08