關埠引水隧洞超高強度巖石TBM刀具選型及布置

胡江濤， 喬曉鋒，2

(1. 廣東水電二局股份有限公司，廣東 廣州 511340;2.廣東省水利水電工程技術研究中心，廣東 廣州 511340)

1 概述

全斷面硬巖掘進機(TBM)是集機、電、液、光于一體，使用國內外先進技術集成，專門為隧道施工開發的一套設備，廣泛用于各施工領域中，例如地鐵建設、引水工程、鐵路建設、電力工程、煤礦開采等隧洞工程的建設。刀盤作為TBM的重要部件，在掘進工作中有著極其重要的意義，刀盤設計的合理性對提高TBM掘進效率，降低施工成本起著決定性的作用。

全斷面硬巖掘進機刀盤的設計不僅要考慮刀盤直徑、滾刀間距、刀具形式、滾刀直徑、滾刀啟動扭矩及單刀承載力，還要根據具體的圍巖地質條件、現場具體情況等進行綜合考慮，使刀盤的特性符合施工要求。該文以榕江關埠引水工程中使用的中鐵裝備CREC5060E—2100刀盤設計為例展開討論。

2 TBM刀盤結構形式及破巖機理

2.1 刀盤結構形式

刀盤按照結構形式分為3種：輻條式、復合式、TBM硬巖刀盤[1]。

輻條式刀盤特點：對刀盤磨損較大，渣土改良較困難，不利于保持土壓平衡。輻條式刀盤結構特點為：輻條式大開口(70%～75%)，易于進渣，刀具磨損小。輻條式刀具布置：刀盤中心為中心魚尾刀，切削刀分層布置，加大合金尺寸以及合金數量以加強其耐沖擊及耐磨性能。

復合式刀盤特點：針對硬巖地層和卵石地層具有較強的破巖能力。復合式刀盤結構：輻條+面板，面板易于穩定支撐掌子面。復合式刀具布置：刀盤中心為中心雙聯滾刀+單刃滾刀+刮刀+邊刮刀；滾刀主要起破巖作用，刮刀和邊刮刀主要帶動渣土流動。

TBM硬巖刀盤特點：針對極硬巖地層具有較強的破巖能力。TBM硬巖刀盤結構：面板分塊焊接，能充分破碎巖石，面板能防止過多坍塌，有利于掌子面的穩定，開口率過小，刀盤底部容易積渣，極易造成滾刀的二次磨損，直接影響掘進速率和滾刀的破巖量，開口率過大，影響刀盤布刀，且較大的巖渣會對損壞主機皮帶[2]。TBM硬巖刀盤刀具布置：刀盤中心為雙聯滾刀+單刃滾刀+TBM鏟斗齒；滾刀起破碎巖石的作用，TBM鏟斗齒用于清除邊緣部分開挖巖渣，防止巖渣沉積，確保開挖直徑，防止刀盤邊緣的間接磨損。

刀盤作為TBM最主要的部件之一，是刀具破巖承重載體。在設備掘進過程中，地質條件變化很大，刀盤承受滾刀傳遞的各種力的集成，所以對刀盤結構有特別高的要求。刀盤的結構設計包含很多方面，例如刀具的布置、盤體結構拓撲參數、出渣系數設計、分布形式及支撐結構等方面的內容。滾刀在工作中受到3個方向的力：正向力、滾動力、側向力[3]。

中鐵裝備CREC 5060E—2100刀盤選用尺寸為Φ5 060×1 860，分2塊進行安裝，耐磨板護板材質為GP5060+HARDOX450+硬質合金塊，采用形式為TBM 硬巖刀盤。

2.2 盤形滾刀破巖機理[4]

盤形滾刀破巖機理直接影響到受力分析。目前，TBM盤形滾刀的破巖機理有3種不同的理論：

1)由楔塊作用引起剪切破壞；

2)巖體在滾刀楔塊作用下產生徑向裂紋，裂紋擴張到巖體表面進行破壞，或有相鄰裂紋交錯引起的巖石破碎；

3)滾刀楔入并滾壓巖石時，巖石破壞屬幾種機理的結合，有裂紋擴展拉伸破壞、剪切破壞及擠壓破壞。

上述3種情況是假設巖石在理想的狀態下，不存在裂隙、孤石等多種不利因素。

在實際施工過程中，圍巖的變化是非常復雜的，在TBM掘進過程中，操作手應不斷對參數進行調整，應對各種不利因素，例如孤石、上軟下硬、裂隙、掌子面滲水、殘余應力等。

刀盤上布置盤形滾刀，設備掘進過程中，推進油缸將整個刀盤壓向隧道掌子面，同時旋轉刀盤，刀具在刀盤旋轉的帶動下，在與巖石接觸的摩擦力作用下同時產生滾動，刀具會在掌子面上形成按刀間距排列的同心圓軌跡。該過程中，刀圈刃部切入巖石，使巖石破裂產生橫向裂紋，相鄰刀位的刀具壓裂巖石產生的橫向裂紋互相影響并相互交叉，形成片狀的剝落巖碴(見圖1～2)。在刀盤的旋轉推進過程中，整個掌子面的巖石不斷的破裂剝落，被刀盤碴斗收集后通過輸送機構帶出洞外，隧道掘進機得以不斷的向前推進[5]。在滾刀破巖的過程中，切削力、刀間距、貫入度、巖石力學性能及其相互關系直接硬巖破巖效果，是刀盤設計與選用的重要依據[6]。

3 TBM刀盤設計與選用

3.1 刀盤直徑的確定

榕江關埠引水工程選用的TBM為雙護盾，根據現場實際圍巖特點及設備具體情況,其刀盤直徑主要取決于以下幾點：

① 管片規格尺寸；

② 護盾類型(單護盾或雙護盾)；

③ 盾尾設計方式(密封盾尾或開放盾尾)；

④ 刀盤中線相對于護盾中線的偏移量；

⑤ 邊刀磨損范圍(一般取值為10～15 mm)；

⑥ 徑向超挖量(一般取值為30 mm)。

① 破碎后的巖石；②/⑤ 破碎巖石橫向裂紋；③/④ 破碎巖石縱向裂紋；⑥ 滾刀刀刃

圖2 相鄰刀具壓裂巖石示意

護盾式刀盤直徑可按式(1)進行計算：

D=D0+2(H+T)

(1)

式中D為理論刀盤直徑，mm；D0為成洞后直徑，mm；T為管片厚度，mm;H為充填豆礫石和灌漿厚度之和(當D取值為3 000～8 000 mm時，H為60～150 mm)。

根據式(1)代入計算(D0取值4 300 mm、T取值250 mm、H取值130 mm)：

D=4 300+2(250+130)=5 060 mm(如圖3所示)。

圖3 刀盤直徑示意

3.2 滾刀的選用

盤形滾刀裝刀形式分為前裝式和背裝式，前裝式刀具換刀時需進入刀盤與掌子面之間作業，為了保證施工人員的安全，只在地質條件較好時使用，背裝式刀具換刀作業在刀盤的背面進行，能夠較好地保證人員的安全。

中鐵裝備CREC 5060E—2100刀盤采用43.18 cm雙聯刀和48.26 cm單聯刀以及TBM 鏟斗齒形式，滾刀主要用于破碎巖石，TBM鏟斗齒用于清除邊緣部巖渣，防止巖渣沉積，確保開挖直徑，防止刀盤邊緣間接磨損。滾刀最大承載力為311 kN，滾刀間距為72 mm，刀盤采取六邊形蜂窩狀形式，刀盤開口率為7.5%，溜渣槽為6個，最大允許推力為10 000 kN。這種形式的刀盤，既能保持結構強度，又能保持較快的出渣速度[7]。

中鐵裝備CREC 5060E—2100刀盤滾刀采取背裝式，對滾刀的拆裝可在土倉內進行，選用直徑為48.26 cm的滾刀27把，43.18 cm的滾刀8把(見圖4)，滾刀能承受載荷見表1所示[8]。

表1 對應尺寸刀具與載荷關系 cm

圖4 刀盤布置形式示意

3.3 滾刀扭矩調整

在TBM刀具管理中，應根據不同圍巖類別對滾刀啟動扭矩調節，避免刀具發生刀圈崩刃、刀圈偏磨、刀圈移位、軸承失效、密封失效、刀體及刀軸等結構件失效等非正常失效(見圖5)。據統計，刀具失效多數是由于軸承失效引起的[9]。

圖5 刀具失效形式示意

榕江關埠引水工程T3工區在施工過程中，圍巖地質變化較大，圍巖單軸抗壓強度在100～200 MPa之間，不同的圍巖強度對刀盤的起動扭矩要求也不同。經過對前期掘進過程刀具損耗統計分析，將滾刀的啟動扭矩控制在28～39 N·m，并根據不同的地質條件匹配合適的刀具起動扭矩，當圍巖單軸抗壓強度在100 MPa以下時，刀具的啟動扭矩為28 N·m；當圍巖單軸抗壓強度在150 MPa左右時，刀具的啟動扭矩為31～33 N·m之間；當圍巖單軸抗壓強度在200 MPa左右時，刀具的啟動扭矩為35～39 N·m之間。這樣能夠使軸承在不同的工況下適應相應地質條件，降低刀具損耗，有效降低了隧道施工成本[10]。

3.4 確定滾刀間距和滾刀數量

理論上，影響滾刀間距因素主要有以下3點：① 巖石類型；② 巖石物理力學屬性；③ 巖體節理分布等因素。

根據美國科羅拉多礦業學院的滾刀巖石機理的推力計算公式，TBM在掘進時的刀間距(S)按式(3)計算[11]：

(3)

式中FV為總推力；δC為巖石單軸抗壓強度；τ為巖石無側限抗剪強度；D1為滾刀直徑；Φ為盤形滾刀刀刃角；h為盤形滾刀切深。

根據公式(3)代入相應值：Φ=60°(廠家提供)；h=3 mm(廠家提供)；FV=100 000 N；D1=482.6 mm;δC=200 MPa(技術部提供);τ=30 MPa(技術部提供)。

=2×3×0.58+(1506-40)×0.05≈76(mm)。

刀盤滾刀數量由下式計算可知：

N=D/2S

(4)

式中N為滾刀數量；D為刀盤直徑；S為刀間距。

根據公式(4)代入相應值計算(D=5 060 mm；S=76.4 mm)。

N=D/2S=5060/2×76.4=33.1 把。

中鐵裝備CREC 5060E—2100刀盤初期設計為33把滾刀，刀間距約76 mm，經過分析地質資料，考慮地質圍巖以花崗巖為主，圍巖完整性好，局部巖石單軸抗壓強度可達到230 MPa,經與設備廠家溝通協調增加2把滾刀，實際配置為35把滾刀，滾刀的平均間距約為72 mm。滾刀在刀盤上采取同心圓布置法，同時考慮以下2點:① 刀具在刀盤上布置，盡量使刀盤受力均勻，且不受徑向載荷的影響；② 在設備掘進過程中，滾刀上產生的力對刀盤產生的傾覆力矩代數和趨于無窮小[12]。

4 現場實施情況

榕江關埠引水工程輸水隧洞長約27.055 km，其中采用TBM工法隧洞長為24.588 km。該施工區域圍巖以弱風化微風分花崗巖為主，圍巖堅硬完整、石英含量高、巖石強度高(圍巖最高可達190～230 MPa，如圖6所示)。

圖6 現場圍巖取樣示意

中鐵裝備CREC 5060E—2100硬巖刀盤在實際掘進過程中效率較高，在以弱風化微風化花崗巖為主的圍巖中，當推力保持在8 500 kN以上時，貫入度能保持在4～5 mm之間，速度能保持在35～45 mm/min之間(見圖7)；在以全風化強風化花崗巖為主的圍巖中，當推力保持在4 000～6 000 kN時，貫入度能保持在6～8 mm之間，速度能保持在75 mm/min之間。在項目實施過程中，平均月進尺達到了600 m，月最高進尺達到693 m。實踐證明，該刀刀盤選型合理。相對于項目建設初期策劃階段，廠家提供的在弱風化—微風化花崗巖中，貫入度僅保持在3 mm左右，當在以全風化強風化花崗巖為主的圍巖中，貫入度僅保持在5 mm左右，月進尺保持在500 m有了較大的提升。

圖7 現場掘進參數示意

5 結語

刀具是TBM的核心部件，是掘進的載體和具體執行單元，其質量和現場管理對掘進有著十分重要的意義。刀具的耐磨性和抗沖擊性能越好，在掘進中的貫入度越高，掘進效率相應就越高。對于圍巖整體性好，且巖石強度高時，適當增加滾刀數量減小刀間距可以提高破巖效果。