引漢濟渭秦嶺隧洞高磨蝕性硬巖TBM滾刀磨損試驗研究

蔡 昱，祝和意，楊小玉，委玉奇，夏 明

(1.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714099；2.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引言

工程實踐表明，TBM掘進施工中，刀具的檢查、更換與維修等作業時間約占掘進施工總時間的1/3，刀具的費用也約占掘進施工總費用的1/3[1-2]。TBM 掘進隧道時因刀具磨損而頻繁停機檢修或更換刀具以至于產生不連續作業，是目前難以解決的問題，刀具因更換不及時造成過度磨損以致嚴重磨壞刀盤導致機械設備故障，甚至可能會引發生產安全事故。因此，降低TBM施工成本的關鍵是及時更換刀具，以降低對刀具的磨損，而保證刀具及時更換的方法是對刀具的磨損進行準確預測。目前，TBM刀具的磨損預測已成為TBM施工的一大難題。

國內外很多專家學者針對刀具磨損問題提出了預測方法[3-4]。G Wijk[5]建立了考慮滾刀直徑和刀圈刀刃角的刀具壽命預測模型；Gehring[6]提出了滾刀刀圈質量損失率Vs(mg/m) 的概念，建立了Vs與巖石CAI值的指數關系模型；李笑等[7]基于多元非線性回歸方法，通過建立回歸模型，根據預測掘進速度與實際掘進速度的偏差來預測滾刀的磨損狀況并取得了較好的效果；張明富等[8]通過檢測刮刀等切削刀具的實際磨損量，建立其與掘進長度的回歸模型，進而提出刮刀壽命的預測方法；張厚美[9]利用滾刀切削力試驗模型推導出掘進速度、總推力與總扭矩之間的半理論半經驗公式，并對利用掘進參數檢測滾刀磨損失效方法進行了檢驗；張照煌等[10-11]在分析TBM刀具位移的基礎上，提出了刀具的側滑磨損系數、侵深磨損系數和滾動磨損系數及其計算方法，探討了三方向位移對刀具磨損的影響，建立了TBM刀盤上正刀和過渡滾刀破巖刃上破巖點弧長的計算公式，并將破巖刃破巖點弧長與刀具磨損量進行了對比分析等。

對于滾刀的磨損預測研究，國內外專家積累了大量的工程經驗，并取得了一定的研究成果。然而，由于滾刀與巖石相互作用的復雜機制、隧道掘進過程復雜的地質條件以及滾刀磨損測試實驗的復雜性，造成滾刀的磨損規律還沒有完全揭示清楚，相關刀盤掘進參數、刀具參數對于盤形滾刀磨損影響的研究不足；特別是在高磨蝕性硬巖地層，刀具磨損量增大，刀具更換時間不易把握，對刀具的磨損預測研究缺乏成熟的實驗方案。因此，開展高磨蝕性硬巖地層TBM刀具磨損預測研究，建立刀具磨損預測模型，實現對該地層下TBM滾刀磨損的準確預測，具有重要的現實意義和應用價值。

1 工程概況

引漢濟渭工程秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程主洞工程全長18 275 m，采用1臺φ8.02 m敞開式硬巖掘進機施工。刀盤上布置了4把43.18 cm(17英寸)的中心雙刃滾刀，刀刃編號為1#—8#；布置了43把50.8 cm(20英寸)的單刃滾刀，刀刃編號為9#—51#，其中刀號為9#—39#的31把滾刀為正面滾刀，刀號為40#—51#的12把滾刀為邊緣滾刀，刀間距依次減小。TBM滾刀間距布置如圖1所示。

工程位于秦嶺嶺脊高中山區及嶺南中低山區，地形起伏，高程為1 050～2 420 m，洞室最大埋深約2 000 m。工程范圍內主要涉及地層為下元古界長角壩巖群黑龍潭巖組石英巖、印支期花崗巖、華力西期閃長巖以及斷層碎裂巖、糜棱巖。地層以石英巖和花崗巖為主，圍巖以Ⅱ、Ⅲ級為主，穩定性較好。石英巖干抗壓強度為86.1～216 MPa，石英含量為58%～97%；花崗巖干抗壓強度為96.7～242 MPa，石英含量為25%～30%。地層對刀具的磨蝕性強，地質剖面見圖2。

圖1 TBM滾刀間距布置(單位：mm)Fig.1 Span of TBM disc cutter (unit: mm)

圖2 里程沿洞線方向的地質剖面圖Fig.2 Geological profile

2 基于磨粒磨損機制的滾刀磨損速率理論預測模型

根據課題組前期研究結果[12]，針對磨粒磨損機制，依據Rabinowicz磨粒磨損模型，推導出盤形滾刀磨損速率(單位掘進距離刀圈的徑向磨損量)

(1)

式中：ks為磨粒磨損系數；s為刀間距；σc為地層抗壓強度；Ri為滾刀半徑；T為滾刀的刀刃寬度；D0為滾刀的直徑；σs為被磨損材料的屈服強度；h為滾刀的貫入度。

3 滾刀磨損速率實驗方案及預測模型

3.1 滾刀磨損實驗方案

首先，進行刀圈試制，制作材料和工藝完全相同的縮尺滾刀與實際刀圈作為標定滾刀。然后，用縮尺滾刀開展室內實驗，測試刀圈材料質量磨損速率w(mg/100 m)；用實際刀圈開展現場試驗，測試滾刀刀圈的綜合磨損速率W(mm/m)。最后，確定兩者之間的比例系數k，建立滾刀磨損預測模型。

刀圈材料質量磨損速率w利用盾構及掘進技術國家重點實驗室自主研制的縮尺滾刀復合磨損實驗平臺獲取[13-14]；所使用的巖樣從引漢濟渭施工現場獲取，通過表面加工得到。該實驗平臺采用的縮尺滾刀根據實際滾刀尺寸，按照1∶10的比例縮小，縮尺滾刀的材質和加工工藝與實際刀圈保持一致。縮尺滾刀與實際刀圈材料一致、材料磨損的機制一致，是滾刀縮尺實驗的主要依據?？s尺滾刀以設定貫入速度在巖樣表面連續滾壓100 m，對巖樣進行破壞，測試縮尺滾刀滾壓前后的質量差，作為刀圈材料質量磨損速率w。

刀圈綜合磨損速率通過實際刀圈在引漢濟渭現場使用獲取，為了評價滾刀現場的磨損速率，建立滾刀的徑向磨損速率和綜合磨損速率2個評價指標。由于滾刀在TBM刀盤上的安裝半徑不同(也稱刀位不同)，滾刀行走的線距離不同，因此不同安裝半徑上的滾刀徑向磨損速率不同。在刀刃間距相同的情況下，滾刀安裝半徑越大，滾刀徑向磨損速率越快[15]。為了避免安裝半徑對磨損速率的影響，定義綜合磨損速率來衡量滾刀磨損的快慢。徑向磨損速率=滾刀徑向累計磨損量/TBM的累計掘進距離，單位為mm/m；綜合磨損速率=滾刀徑向累計磨損量/(TBM累計掘進距離×刀位磨損系數)。

刀位磨損系數通過不同刀位滾刀徑向累計磨損量與某一個刀位滾刀徑向累計磨損量的比值獲得。將引漢濟渭工程22#刀位磨損系數定為1，其他刀位根據前2 000 m試掘進段各刀位累計磨損量與22#刀位累計磨損量的比值計算得到，則試驗刀位41#～48#的刀位磨損系數如表1所示。

表1 滾刀刀位磨損系數Table 1 Disc cutter number and relative abrasion coefficients

雖然縮尺滾刀與實際滾刀的運動軌跡存在差異，但對于滾刀材料磨損而言，兩者材料磨損機制一致；因此，兩者之間的比例系數可以反映滾刀材料的磨耗關系，但滾刀縮尺后由于邊界條件的變化，作用力是不相似的。

3.2 基于室內實驗的理論預測模型

針對引漢濟渭高磨蝕性硬巖，現場跟蹤前2 000 m試掘進段刀具使用情況，通過現場采樣，開展縮尺滾刀磨損實驗，縮尺滾刀直徑5.08 cm(2.0英寸)、刃寬2.5 mm。通過縮尺滾刀室內實驗測試得到的質量磨損速率如表2所示。通過實際刀圈在現場試驗獲得的綜合磨損速率如表3所示。

表2 縮尺滾刀室內實驗質量磨損速率w統計Table 2 Weight abrasion rate of disc cutter in laboratory scale test mg/100 m

表3 實際刀圈現場試驗綜合磨損速率W統計Table 3 Comprehensive abrasion rate of cutter ring in filed test mm/m

通過標定滾刀磨損實驗(室內實驗與現場試驗的刀具材料磨損機制相同)，確定針對引漢濟渭巖樣的比例系數k=0.143/20=0.007 15。則滾刀實驗磨損預測模型為：

W=k·w=0.007 15w。

(2)

其中，比例系數k隨著巖樣的改變而改變，針對不同的巖樣，得出不同的結果。

4 滾刀磨損預測現場驗證及應用

4.1 滾刀現場試驗及磨損預測驗證

針對引漢濟渭嶺南工程前2 km刀具消耗過快的問題，選取3個刀具廠家，在引漢濟渭現場開展滾刀磨損試驗，評價各廠家刀具適應性，為引漢濟渭工程刀具的選擇提供參考。3個廠家分別為廠家Z、廠家H和廠家R。

4.1.1 引漢濟渭滾刀現場試驗方案

試驗主要針對各個廠家滾刀的耐磨性和穩定性開展，要求刀具尺寸符合羅賓斯TBM刀具安裝標準，并在圍巖完整性好、巖石參數接近的地層開展試驗。采用滾刀批量試驗方案，即每個廠家提供10把整刀，其中8把批量安裝在41#—48#刀位，另外2把備用，該區域為刀盤的邊滾刀區域，屬于滾刀磨損最快的區域；待一個廠家的滾刀測試完畢后，更換另一個廠家的滾刀。

4.1.2 滾刀批量試驗

4.1.2.1 滾刀批量試驗測試與記錄

各廠家滾刀批量試驗段對應的巖石抗壓強度與等效石英含量和滾刀批量試驗使用滾刀的刀圈硬度等參數如表4和表5所示，各廠家刀具批量試驗結果如表6和表7所示。

表4 各廠家試驗地層巖石參數Table 4 Rock parameters

注：取樣點選擇該廠家刀具在圍巖完整性好、巖石參數變化小的短試用區間內的一個點位，以此位置的巖石參數代表試用段的巖石參數，每個點位取3組巖樣進行測試，并取平均值。

表5 各廠家滾刀刀圈硬度Table 5 Rigidities of disc cutter rings provided by different manufactures HRC

注：HRC(洛氏硬度)。采用150 kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料。

表6 各廠家刀具批量試驗結果(磨損)Table 6 Experimental results of abrasion of cutters provided by different manufactures

表7 各廠家刀具批量試驗結果(掘進參數)Table 7 Experimental results of boring parameters of cutters provided by different manufactures

4.1.2.2 滾刀批量試驗數據分析

表6和表7中的各廠家刀具批量試驗是在圍巖完整性好、巖石參數接近的地層區間取樣進行試驗得出的結果，圍巖抗壓強度變化小。試驗過程中，由于掘進過程受到各種因素的影響，掘進參數做不到完全相同，故會造成磨損速率的誤差，但不同廠家刀具磨損速率的差別遠遠大于掘進參數和圍巖參數所導致的磨損速率誤差，故不會影響試驗結果。試驗組3個廠家的滾刀磨損速率如表8所示。根據綜合磨損速率W值：廠家H<廠家R<廠家Z；W值越小，刀圈越耐磨。

表8 試驗組滾刀磨損速率Table 8 Abrasion rates of tested disc cutters mm/m

4.2 滾刀磨損預測現場驗證

根據現場試驗，得出H、Z、R 3個廠家綜合磨損速率現場試驗結果；通過實驗預測模型(式2)，計算得到綜合磨損速率實驗預測結果；通過理論預測模型(式1)，計算得到綜合磨損速率理論預測結果。將以上結果匯總并與現場試驗結果進行比較，即可得到實驗預測結果的準確度。滾刀綜合磨損預測結果與現場試驗結果比較見表9。

表9 滾刀綜合磨損預測結果與現場試驗結果比較Table 9 Comparison of field monitoring results and theoretically predicted results of abrasion rates of disc cutters provided by different manufactures mm/m

通過現場驗證，發現實驗預測結果具有較高的準確性，相對誤差在10%以內，可準確預測滾刀的磨損。理論預測方法由于滾刀磨損系數選取困難，且考慮的因素比較單一，預測結果偏差較大，需要進一步研究和改進。

5 結論與討論

結合引漢濟渭工程秦嶺輸水隧洞TBM掘進施工因遭遇高磨蝕性硬巖地層，滾刀發生嚴重磨損的工程實際，通過縮尺滾刀室內實驗，建立了基于室內實驗的理論預測模型。通過現場跟蹤引漢濟渭前2 000 m試掘進段刀具使用情況，開展現場滾刀試驗，揭示了實際滾刀現場綜合磨損速率與縮尺滾刀室內質量磨損速率的關系，驗證了室內縮尺滾刀磨損預測模型的預測結果相對誤差在10%以內，具有較高的準確性，為引漢濟渭工程TBM刀具的選擇提供了參考。所采用的研究方法與理論體系可為高磨蝕性硬巖地層TBM刀具磨損預測提供借鑒。

對于滾刀磨損的研究，需進一步研究解決以下幾方面的問題。

1)對于滾刀的磨損機制，受地層條件與刀盤刀具布置的影響，會影響預測結果的準確性；滾刀磨損理論預測模型中某些關鍵參數缺乏實驗數據支撐并選取困難，導致理論預測模型很難應用。

2)對于滾刀磨損實驗，初步建立了實驗方法，但由于巖石破碎的不確定性，導致載荷控制模式的實驗無法開展；另外，針對不同工程的室內實驗數據和現場數據還較少，未能完整建立起可靠的刀具磨損數據庫，從而影響刀具磨損預測結果的準確性。

3)對于現場試驗，不同掘進段地層條件存在較大的不確定性和差異性，可能會影響刀圈試驗結果的準確性。