刮渣斗與緊鄰滾刀夾角對滾刀磨損影響研究

周建軍, 翟乾智， *, 馬 利, 王利明, 李宏波, 趙海雷

(1. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458;3. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

0 引言

TBM在我國城市地鐵隧道、山嶺隧道、輸水隧洞等工程中的應用范圍越來越廣。近2年隨著TBM的應用，掘進機刀盤日益成為研究熱點。夏毅敏等[1]研究了刀盤刮渣斗結構參數對出渣特性的影響規(guī)律，表明刮渣斗在不同面積和長寬比例下出渣效率不同。王旭等[2]研究了滾刀磨料磨損和在不同巖石強度下的磨損形式。陳巍等[3]認為刮渣斗面積和刀盤排渣效率密切相關，并從排渣效率方面給出了刀盤合理刮渣斗面積。霍軍周等[4]提出在開口面積一定的情況下，刮渣斗應布置為長短交替等對稱布置形式，以提高出渣穩(wěn)定性和出渣效率。耿麒等[5]采用離散元方法模擬級配巖渣的落渣、產渣和出渣過程，并為刮渣斗的結構形式和尺寸提供了建議。陳巍[6]通過研究刀盤開口面積、出渣槽結構和溜渣結構，提出折線形溜渣結構，優(yōu)化出渣槽長度，保證出渣槽寬度。翟乾智等[7-8]研究了不同刀位滾刀的二次磨損，并提供了計算依據。張厚美[9-10]從秦嶺隧道掘進機滾刀磨損入手，提出了滾刀重復破碎和二次磨損的計算方法。洪開榮[11]從引漢濟渭工程出發(fā)，提出了不同滾刀間距的破巖效率。宋穎鵬[12]在考慮邊緣滾刀安裝傾角等因素下，對滾刀的破巖比能進行研究，并分析了滾刀破巖效率的影響因素。吳元等[13]利用正交實驗的方法對邊緣滾刀的刃寬和刃角進行了分析，得出了各因素對滾刀破巖效率的影響。趙海鳴等[14]利用磨料磨損的方法結合圖像識別技術對滾刀磨損進行預測，并得出了預測公式。但是，至今少有關于滾刀磨損和刮渣斗的空間位置關系的研究。

本文主要探索研究刮渣斗與緊鄰滾刀位置關系對滾刀磨損的影響規(guī)律，以新疆某輸水工程為例，通過分析2個工程TBM滾刀磨損情況，對滾刀磨損和刀盤刮渣斗的關系進行研究，找出刮渣斗分布和滾刀磨損之間的影響關系，以期為后續(xù)TBM刀盤設計提供優(yōu)化建議。

1 工程概況

新疆某輸水工程某標段采用2臺TBM(4#和5#)施工，開挖洞徑7.03 m，其中4#TBM計劃掘進23.51 km(第1階段15.36 km，第2階段8.15 km)，5#TBM計劃掘進17.457 km。

4#TBM穿越地層巖性為華力西期花崗巖，中粗粒結構，無大斷裂帶發(fā)育，巖石堅硬、巖體完整，石英含量為20%～30%，巖石飽和抗壓強度為108～120 MPa。圍巖以Ⅱ類為主，局部夾Ⅳ、Ⅴ類圍巖，其中，Ⅱ類圍巖占該段總長的94.74%，如圖1所示。5#TBM掘進段巖性為泥盆系凝灰?guī)r、夾凝灰角礫巖，巖體完整，呈塊狀，石英體積分數5%～10%，以Ⅱ類圍巖為主，局部夾Ⅳ、Ⅴ類圍巖，如圖2所示。

圖1 4#TBM穿越地層圍巖類別分布餅狀圖

圖2 5#TBM穿越地層圍巖類別分布餅狀圖

2 設備概況

2.1 滾刀布設概況

TBM分別采用了6個刮渣斗的5#和8個刮渣斗的4#。2臺TBM開挖直徑均為7 030 mm，共有49把刀刃。其中中心滾刀設置8把43.18 cm(17英寸)雙刃滾刀，正面滾刀采用29把48.26 cm(19英寸)單刃滾刀，邊緣滾刀采用12把48.26 cm(19英寸)單刃滾刀。4#TBM刀盤如圖3所示。滾刀安裝半徑如表1所示。

圖3 4#TBM刀盤

2.2 刮渣斗空間布置

4#TBM共設置8個刮渣斗，刮渣斗長度均為802 mm。5#TBM共設置6個刮渣斗，其中,1#、3#、4#刮渣斗長度為1 035 mm，2#刮渣斗長度為510 mm，5#刮渣斗長度為660 mm。4#TBM和5#TBM刀盤刮渣斗的布設方案分別如圖4和圖5所示。

為了分析刮渣斗和滾刀磨損量的關系，統(tǒng)計分析了刮渣斗安裝角度和渣斗長度，如表2所示。

根據表中數據可以看出： 4#TBM刀盤設置8個刮渣斗，刮渣斗夾角布設較為均勻且每個刮渣斗長度均為802 mm； 5#TBM刀盤設置6個不同長度的刮渣斗，刮渣斗尺寸不相鄰刮渣斗之間布置3～4把滾刀。

3 滾刀磨損分析

3.1 不同刀位滾刀磨損分析

3.1.1 滾刀磨損統(tǒng)計

為了研究不同刮渣斗位置對滾刀磨損的影響，分別對4#TBM掘進6 064 m和5#TBM掘進8 498 m進行滾刀磨損分析，如圖6和圖7所示。

表1 TBM 4#和TBM 5#滾刀安裝半徑

圖4 4#TBM刀盤刮渣斗布設

圖5 5#TBM刀盤刮渣斗布設

圖6 4#TBM滾刀磨損

圖7 5#TBM滾刀磨損

由圖6和圖7可看出，邊緣滾刀磨損量大于正面滾刀和中心滾刀。忽略安裝半徑對滾刀磨損的影響，邊緣滾刀磨損量大的一個重要原因在于巖渣沒有及時排出掌子面，造成邊緣滾刀在滾動過程中二次破巖，因而導致磨損量變大。

3.1.2 不同刀位滾刀磨損定量分析

根據不同區(qū)域滾刀磨損量和破巖磨損量的關系，將4#和5#TBM中心滾刀、正面滾刀和邊緣滾刀分區(qū)域分析，結果如圖8和圖9所示。為方便研究，定義變量滾刀單位破巖磨損量=滾刀累計磨損量/滾刀累計破巖量。

圖8 4#TBM滾刀單位破巖磨損量

圖9 5#TBM滾刀單位破巖磨損量

從圖8和圖9中可以看出，不同區(qū)域滾刀的磨損不同：

1)中心滾刀區(qū)。位于刀盤中心區(qū)域有8把滾刀(1#—8#)。該區(qū)域滾刀隨著滾刀安裝半徑增加，滾刀單位破巖磨損量減小。這是因為中心區(qū)域滾刀安裝半徑較小，滾刀運動的滑移量較大，導致滾刀滑移磨損較大。

2)正面滾刀區(qū)。位于刀盤正面靠內區(qū)域，有29把滾刀(9#—37#)。隨著滾刀安裝半徑的增加，滾刀單位破巖磨損量基本不變。

3)邊緣滾刀區(qū)。位于刀盤邊緣區(qū)域，有12把邊緣滾刀(38#—49#)。隨著滾刀安裝半徑的增加，滾刀單位破巖磨損量急劇增加。

上述滾刀單位破巖磨損量與滾刀安裝半徑關系近似為高次函數關系：

δv=kδ·ρn。

式中：δv為滾刀單位破巖磨損量，mm/m3；ρ為滾刀在刀盤上的安裝半徑，mm；kδ、n為回歸方程常數項。

研究發(fā)現(xiàn)，正面滾刀的單位破巖磨損量變化較小，因此以正面滾刀的單位破巖磨損量作為計算滾刀有效破巖磨損量的基準值。

3.1.3 滾刀二次磨損

掌子面巖石被滾刀碾壓后形成巖渣，散落堆積在刀盤與掌子面下半部，經刮渣斗、溜渣槽通過皮帶排出。當刮渣斗磨損后，導致邊緣滾刀對巖渣產生重復破碎，滾刀安裝半徑越大，滾刀磨損越嚴重。這就是滾刀單位破巖磨損量隨滾刀安裝半徑增大而增加的主要原因。基于此，提出破巖磨損與二次磨損的概念。為研究刮渣斗和緊鄰滾刀夾角對滾刀磨損的影響規(guī)律，對滾刀二次磨損進行研究。

滾刀磨損分為破巖磨損和二次磨損/滑移磨損。其中破巖磨損為滾刀碾壓破碎巖石發(fā)生的磨損，正面滾刀的磨損主要以破巖磨損為主，約占總磨損的95%。破巖磨損量的計算方法為正面滾刀單位破巖磨損量乘以破巖量的平均值。滑移磨損主要存在于中心滾刀磨損中，滾刀與巖石接觸區(qū)域的各點速度方向與接觸弧切線方向有一定夾角，則滾刀將會與巖石發(fā)生相對滑動，從而造成滾刀滑移磨損。

二次磨損是由于邊緣滾刀旋轉半徑較大，在旋轉過程中重復碾壓掌子面下方的巖渣，造成滾刀磨損。大部分邊緣滾刀的磨損以二次磨損為主，占總磨損的20%～90%。二次磨損量為總磨損量減去滾刀破巖磨損量。4#TBM和5#TBM滾刀磨損如圖10和圖11所示。

圖10 4#TBM滾刀磨損

圖11 5#TBM滾刀磨損

從圖10和圖11中可以看出，中心滾刀滑移磨損和邊緣滾刀的二次磨損占比較大。中心滾刀的滑移磨損量比例隨著安裝半徑增大，從95%變化到15%。正面滾刀的二次磨損量較小，主要在5%以下，可以說明正面滾刀的磨損主要屬于破巖磨損；邊緣滾刀隨著安裝半徑增大，二次磨損量從15%逐漸增大到95%。

3.2 刮渣斗數量對滾刀磨損影響

為研究刮渣斗數量對滾刀磨損的影響，對比分析4#TBM和5#TBM邊緣滾刀的磨損規(guī)律，以滾刀二次磨損系數為基準，計算2臺TBM邊緣滾刀二次磨損系數，如圖12所示。

圖12 4#TBM和5#TBM滾刀二次磨損系數

二次磨損系數為滾刀二次磨損量占總磨損量的比例。

經過計算得出以下結果：

1)4#TBM滾刀二次磨損系數比5#TBM滾刀二次磨損系數小2.37%。4#TBM和5#TBM二次磨損系數差值，如圖13所示。

圖13 4#TBM和5#TBM二次磨損系數差值

2)4#TBM的滾刀二次磨損系數普遍低于5#TBM。對比分析2臺TBM刮渣斗布置，得出刮渣斗數量越多，滾刀二次磨損系數越小。

3.3 滾刀和刮渣斗夾角對滾刀磨損的影響

3.3.1 滾刀和刮渣斗位置關系

以刮渣斗和緊鄰滾刀的夾角為研究變量，分析夾角與滾刀磨損的關系。4#TBM和5#TBM刮渣斗與緊鄰滾刀夾角和二次磨損系數如表3所示。

表3 刮渣斗與緊鄰滾刀夾角和二次磨損系數

研究所用的4#TBM和5#TBM的邊緣滾刀安裝半徑誤差在1.7‰以內，對本文研究結果的影響可忽略不計。

3.3.2 滾刀和刮渣斗夾角對滾刀磨損的研究

以刮渣斗與緊鄰滾刀的夾角和滾刀二次磨損系數為變量，通過建立夾角和二次磨損系數的坐標點(夾角，二次磨損系數)，利用向量的矢量計算準則，計算4#TBM指向5#TBM的坐標變化： 4#TBM(夾角，二次磨損系數)—5#TBM(夾角，二次磨損系數)。經過向量運算得出表4。

從表4可以看出： 當夾角差值為正值時,滾刀二次磨損系數為正值；表明刮渣斗和滾刀夾角越大，滾刀磨損越嚴重。分析夾角差值和滾刀二次磨損系數差值如圖14所示，位于第1象限和第3象限的點表明滾刀和刮渣斗夾角越大，滾刀磨損越嚴重。

統(tǒng)計17把滾刀發(fā)現(xiàn)，滾刀二次磨損系數差值和夾角呈正相關關系的有11個，呈負相關關系的有6個，且對17個滾刀數據進行擬合，得出滾刀與緊鄰刮渣斗夾角和滾刀二次磨損系數差值正相關的關系。

表4 刮渣斗夾角差值對滾刀磨損的影響

圖14 夾角差值和二次磨損系數差值

4 結論與建議

1)刮渣斗的布置對滾刀磨損具有重要影響，特別是刮渣斗布設數量對滾刀磨損影響較為顯著，進而影響掘進效率，在刀盤制造時宜多布設刀盤刮渣斗。

2)刮渣斗與緊鄰滾刀夾角影響滾刀磨損，在滾刀布設時應當盡量布置在緊鄰刮渣斗處，從而減小滾刀磨損。

3)相鄰刮渣斗之間布設多把滾刀時，應保證外側邊緣滾刀緊鄰前方刮渣斗。

4)目前未能定量探明刮渣斗與緊鄰滾刀夾角對磨損的作用關系，建議進一步深入研究，給出明確的計算公式。

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(3)區(qū)內地表上色彩明顯的蝕變帶，如接觸帶中的硅化、陽起石化、綠簾石化、矽卡巖化、孔雀石化、碳酸鹽化等，以及巖體中的鉀化、高嶺土化、云英巖化等， 都具有明顯的示礦作用。

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