基于多個隧道掘進機工程數據回歸分析的滾刀磨損評價方法

楊延棟 孫振川 張 兵 閆長斌

1. 盾構及掘進技術國家重點實驗室， 鄭州, 450001 2. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣州, 511458 3. 鄭州大學土木工程學院， 鄭州, 450001

0 引言

隨著我國交通、能源、水利等領域基礎設施建設的全面展開，越來越多的長大山嶺隧道(洞)采用巖石隧道掘進機(tunnel boring machine， TBM)修建，但TBM在極硬巖地層掘進時效率低、刀具消耗大，刀具磨損評價是長期困擾TBM施工的世界性難題。

目前研究成果表明，對滾刀磨損評價的方法主要包括三種。一是理論模型評價方法，文獻[1-5]基于滾刀微觀磨粒磨損機理建立了滾刀磨損評價預測模型，該類方法確定磨粒磨損系數和滾刀載荷困難；文獻[6-8]基于能量磨損理論建立了滾刀磨損評價預測模型，該類方法確定能量磨損率和滾刀滑移距離困難。二是實驗評價方法，文獻[9-10]通過縮尺滾刀實驗揭示了滾刀磨損影響規(guī)律，但未能提出評價滾刀磨損具體方法。三是基于現場數據統(tǒng)計規(guī)律的評價方法，文獻[11-15]針對現場TBM刀具磨損數據建立了滾刀磨損規(guī)律，但多針對特定工程，通用性無法保證。理論模型評價方法的關鍵參數選取困難，難以直接應用于TBM施工刀具磨耗評價與預測；實驗評價方法的測試標準不統(tǒng)一，且需要專用的實驗設備，應用推廣難度大；基于現場數據統(tǒng)計規(guī)律的評價方法多針對單一工程，缺乏普遍適用性。

影響滾刀磨損的因素主要包括地質、機械、材料等，其中地質因素是關鍵決定性因素。細觀層面上，巖石的礦物成分以及造巖礦物間的結合力影響滾刀的磨損；宏觀層面上，滾刀磨損除了受細觀上的巖石特性影響外，還受巖體結構面完整性的影響。本研究主要針對影響滾刀磨損的地質因素，通過對多個TBM工程數據的回歸分析，揭示細觀巖石磨蝕性對滾刀的影響規(guī)律和宏觀巖體磨損性對滾刀的影響規(guī)律，建立強通用性的滾刀磨損分級評價方法。

1 細觀巖石磨蝕性影響規(guī)律及評價方法

1.1 細觀巖石磨蝕性評價指標

巖石的細觀結構為造巖礦物按一定的方式連接而成的結晶材料，造巖礦物間有一定的結合力作用。巖石中造巖礦物的結晶對滾刀磨損的影響主要表現為礦物硬度，造巖礦物越硬，硬質顆粒在滾刀垂直力的作用下越容易壓入滾刀刀圈材料表面并將刀圈材料切削下來；另外，造巖礦物間的結合力越大，滾刀破巖時造巖礦物越不容易被剝離，刀圈越容易被磨損。為了評價巖石對滾刀磨損的特性，提出了巖石磨蝕性指標CAI值[16]，該指標通過巖石磨蝕性伺服試驗儀獲取，該試驗測試方法是利用針尖為圓錐形的特質鋼針(直徑10 mm，錐角90°，硬度40～45HRC)加載70 N的載荷在巖石表面以10 mm/min的速度移動10 mm，然后利用顯微成像儀測量針尖被磨后所形成圓的直徑，該直徑被定義為巖石磨蝕性指標CAI值(以0.1 mm為計量單位)，如圖1所示。

(a) 鋼針在巖樣表面滑移

為了測量硬質礦物含量，采用巖粉衍射儀測試巖石的礦物成分，利用定義的等效石英含量QE[16]將對巖石磨蝕性不同的礦物含量換算成等效石英含量，文獻[17]給出了換算方法。硬質礦物間結合力對滾刀磨損的影響主要表現為巖石強度，采用巖石單軸抗壓強度RC衡量。巖石磨蝕程度用巖石等效石英含量和單軸抗壓強度共同衡量。

1.2 巖石等效石英含量和單軸抗壓強度對磨蝕性的影響規(guī)律

為了研究巖石等效石英含量和單軸抗壓強度對巖石磨蝕性的影響規(guī)律，通過采集國內三個TBM工作現場巖樣開展室內實驗，并對國外TBM工作資料進行調研，共獲取了63組巖樣的巖石磨蝕性指標CAI值(用ACAI表示)、等效石英含量QE以及單軸抗壓強度RC，如表1和表2所示。表1中編號1～11的11組巖樣從引漢濟渭秦嶺隧洞嶺南TBM工程(即采用TBM修建的隧道工程)獲取，編號12～22的11組巖樣從廣深港高鐵獅子洋隧道工程獲取，編號23～27的5組巖樣從吉林引松供水隧洞工程獲取。表2數據來源于文獻[17]，巖石單軸抗壓強度RC是利用原數據點荷載強度指標IS(50)按照工程巖體分級標準[18]給出的換算方法得到的，編號1～10的巖樣為10組火成巖，編號11～18的8組巖樣為變質巖，編號19～36的18組巖樣為沉積巖。通過對上述63組數據回歸分析，得到的巖石等效石英含量和單軸抗壓強對磨蝕性影響的擬合關系如圖2和下式所示：

圖2 巖石磨蝕性與單軸抗壓強度和等效石英含量的關系

表1 國內TBM工程巖石特性參數

表2 國外TBM工程巖石特性參數[17]

ACAI=0.8164ln(RCQE)+0.1761

(1)

上式表明巖石磨蝕性CAI值與單軸抗壓強度和等效石英含量的乘積成對數函數關系。

1.3 巖石磨蝕性分級評價方法

國際巖石力學學會建議的CAI測試方法標準[19]中給出的巖石磨蝕強弱分級準則如表3所示。但在實際測試過程中發(fā)現，當ACAI<2.0時，滾刀磨

表3 巖石磨蝕性分級準則

損不再是TBM掘進的主要問題；當ACAI< 1.0時，測量準確性難以保證，因此建議定義ACAI<2.0的巖石磨蝕性為低，不再具體細分極低、很低、低。上述63組數據ACAI值均未大于5.0，而實際TBM工程中，當ACAI>4.0時，滾刀消耗就極高了，因此建議定義ACAI≥4.0的巖石磨蝕性為極高。再以ACAI=3.0為界，將介于2.0～4.0之間巖石的磨蝕性分為中、高兩級。則針對TBM工程建議的巖石磨蝕性分級準則如表4所示。根據針對TBM工程的巖石磨蝕性分級準則，結合巖石磨蝕性與單軸抗壓強度和等效石英含量擬合關系(式(1))，建立以巖石單軸抗壓強度和等效石英含量為兩個變量的巖石磨蝕性分級表，如圖3所示，圖3可用于評價TBM工程巖石的磨蝕性高低。

表4 針對TBM工程的巖石磨蝕性分級準則

圖3 基于單軸抗壓強度和等效石英含量的巖石磨蝕性分級

2 宏觀巖體磨損性影響規(guī)律及評價方法

2.1 宏觀巖體磨損性評價指標

在TBM工程尺度上，滾刀磨損除了受巖石磨蝕性的影響外，巖體完整性對滾刀磨損影響明顯，如引漢濟渭秦嶺隧洞工程和大瑞鐵路高黎貢山隧道工程的花崗巖巖石磨蝕性ACAI值相差不大，但引漢濟渭的刀具消耗是高黎貢山的刀具消耗的數倍，因此宏觀巖體對滾刀磨損性影響除了考慮巖石的磨蝕性外，還需要考慮巖體的完整性，巖體完整性越差，滾刀越容易破巖，滾刀越不易磨損。

表示巖體完整性的指標有巖體完整性系數KV、巖體體積節(jié)理數JV、巖體質量指標IRQD等，三者之間有一定聯(lián)系。工程巖體分級標準[18]給出了JV和KV之間的對應關系，文獻[20]通過數據擬合給出了IRQD與KV之間的對應關系，三者之間的對應關系如表5所示，通過表5利用差值法可將上述表示巖體完整性的指標換算成其中某一個。

表5 巖體完整性指標對應關系

巖體對滾刀磨損性影響的評價因素有滾刀線磨損速率、掘進距離磨損速率以及破巖體積磨損速率，前兩者受滾刀安裝半徑影響明顯，不同開挖直徑的TBM工程之間沒有可比性。滾刀破巖體積磨損速率指滾刀開挖單位體積的巖石所產生的徑向磨損量，單位為mm/m3，除了距離刀盤中心最近的刀刃破巖體積為圓柱體外，其他刀刃的破巖體積為以刀刃間距為厚度的筒體。滾刀的破巖體積計算方法如下：

式中，vi為刀盤上第i把滾刀的破巖磨損速率體積，mm/m3；Qi為第i把滾刀的累計磨損量，mm；Ri為第i把滾刀的安裝半徑，m；Ri-1為前一把滾刀的安裝半徑，m；L為TBM的掘進距離，m。

圖4所示為北疆供水TBM工程6 km花崗巖段統(tǒng)計的不同安裝半徑下滾刀體積磨損速率，其中正面滾刀體積磨損速率接近，不受刀盤直徑和安裝半徑的影響，因此建議以正滾刀體積磨損速率平均值作為巖體對滾刀磨損性的評價指標。

圖4 北疆供水TBM工程破巖體積磨損速率統(tǒng)計

2.2 巖體完整性和磨蝕性對滾刀磨損性的影響規(guī)律

通過上述方法統(tǒng)計了國內已建和在建的5個TBM工程的7條隧道(洞)工程數據，如表6所示。擬合滾刀破巖體積磨損速率與巖體完整性系數和磨蝕性指標的關系如圖5a和下式所示：

表6 不同TBM工程統(tǒng)計數據

v=0.0029e1.1783KVACAI

(3)

以20 mm為滾刀磨損極限，則滾刀刀圈壽命與巖體完整性系數和磨蝕性指標的關系如圖5b所示。滾刀破巖體積磨損速率與巖體完整性系數和巖石磨蝕性指標的乘積成指數函數關系，滾刀刀圈壽命與巖體完整性系數和巖石磨蝕性指標的乘積成負指數函數關系。

(a) 滾刀磨損體積影響規(guī)律

為了評價滾刀破巖體積磨損速率與巖體完整性系數和磨蝕性指標回歸關系的準確性，收集了新建山東抽水蓄能電站工程“文登號”TBM的刀具消耗現場統(tǒng)計數據，該TBM開挖直徑為3.503 m，采用直徑432 mm(17in)的滾刀，包括6把雙聯(lián)中心滾刀和20把單刃滾刀，共計32個刀刃，正滾刀刀間距為77 mm。統(tǒng)計了長度150 m掘進段滾刀消耗量，得到的正滾刀破巖體積平均磨損速率為0.085 mm/m3。通過現場取樣測得該掘進段的巖石磨蝕性ACAI平均值為3.52，巖體完整性系數平均值為0.86，則利用式(3)預測的滾刀破巖體積磨損速率為0.076 mm/m3，相對誤差為-10.6%。刀具磨損預測誤差控制在10%左右，對于TBM隧道工程來說已相當準確。

2.3 巖體磨損性分級評價方法

目前對于巖體磨損性尚沒有明確的分級準則，結合上述幾個TBM工程實踐的刀具消耗情況，建議以滾刀破巖體積磨損速率0.10，0.06，0.04 mm/m3三個值將巖體磨損性分為四個等級，滾刀破巖體積磨損速率v<0.04 mm/m3時，巖體磨損性為低；0.04≤v<0.06 mm/m3時，巖體磨損性為中；0.06≤v<0.10 mm/m3時，巖體磨損性為高；v>0.10 mm/m3時，巖體磨損性為極高。

根據上述巖體磨損性分級準則，結合滾刀破巖體積磨損速率與完整性和磨蝕性的擬合關系(式(3))，建立以巖體完整程度和巖石磨蝕性指標為兩個變量的巖體磨損性評價分級表，如圖6所示。在確定了滾刀極限磨損量的情況下，也可基于巖體完整程度和巖石磨蝕性指標預測滾刀壽命。

圖6 基于巖體完整程度和磨蝕性的磨損性分級

3 結論

(1)基于多個TBM工程的巖石單軸抗壓強度、巖石等效石英含量、巖石磨蝕性指標、巖體完整性指標、滾刀破巖體積磨損速率等參數，通過數據回歸分析建立的滾刀磨損評價方法具備可行性。

(2)巖石磨蝕性指標與單軸抗壓強度和等效石英含量的乘積成對數函數關系;滾刀破巖體積磨損速率與巖體完整性系數和巖石磨蝕性指標的乘積成指數函數關系;滾刀刀圈壽命與巖體完整性系數和巖石磨蝕性指標的乘積成負指數函數關系。

(3)通過對巖石磨蝕性指標與單軸抗壓強度和等效石英含量擬合關系賦值，建議采用2.0、3.0、4.0三個巖石磨蝕性指標臨界值，建立低、中、高、極高4級的巖石磨蝕性分級評價準則；通過對滾刀破巖體積磨損速率與巖體完整性系數和巖石磨蝕性指標的擬合關系賦值，建議采用0.10、0.06、0.04三個滾刀破巖體積磨損速率臨界值，建立低、中、高、極高4級的巖體磨損性分級評價準則。

(4)所建立的巖石磨蝕性評價準則和巖體磨損性評價準則可用于隧道工程TBM滾刀壽命預測，但目前獲取的TBM工程數據有限，建議獲取更多的TBM工程實踐數據，進一步提高滾刀磨損回歸分析評價模型的準確度。