TBM盤形滾刀重復(fù)破碎與二次磨損規(guī)律研究

張厚美

(廣州市盾建地下工程有限公司， 廣東 廣州　510030)

?

TBM盤形滾刀重復(fù)破碎與二次磨損規(guī)律研究

張厚美

(廣州市盾建地下工程有限公司， 廣東 廣州510030)

摘要：秦嶺隧道TB880E掘進(jìn)機(jī)在施工過程中積累了大量寶貴而完整的滾刀磨損統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，為深入研究滾刀磨損規(guī)律和磨損機(jī)制提供了依據(jù)。從TB880E現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)滾刀磨損數(shù)據(jù)入手，結(jié)合TB880E滾刀一次破巖體積的理論計(jì)算結(jié)果，建立了滾刀磨損量與一次破巖體積的關(guān)系；對(duì)滾刀單位破巖體積磨損量進(jìn)行分析，得到了滾刀單位破巖體積磨損量與滾刀安裝半徑的關(guān)系曲線，總結(jié)出刀盤上滾刀磨損的4個(gè)區(qū)域，分析了不同區(qū)域滾刀磨損的機(jī)制；首次提出滾刀重復(fù)破碎與二次磨損的定量計(jì)算方法，得到了TB880E滾刀重復(fù)破碎體積與二次磨損量的分布規(guī)律。研究表明： 正面滾刀磨損的主要影響因素是一次破碎，而邊緣滾刀的主要影響因素是重復(fù)破碎引起的二次磨損。

關(guān)鍵詞：秦嶺隧道； 隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)； 滾刀磨損； 破巖體積； 重復(fù)破碎； 二次磨損

0引言

硬巖掘進(jìn)機(jī)(TBM)由于其破巖效率高、掘進(jìn)速度快等優(yōu)勢(shì)，在長(zhǎng)距離巖石隧道中得到越來越多的應(yīng)用[1]。發(fā)達(dá)國(guó)家的隧道施工,一般優(yōu)先考慮TBM法,只有在TBM法不適宜時(shí)才考慮采用鉆爆法。我國(guó)應(yīng)用TBM比較多的主要是鐵路隧道和輸水隧洞，如1995年開工的西康鐵路秦嶺Ⅰ線隧道、2008年開工的蘭渝鐵路西秦嶺隧道、1997年開工的山西萬家寨引黃入晉工程、2003年開工的遼寧大伙房水庫(kù)一期輸水隧道和2007年開工的四川錦屏二級(jí)水電站引水隧道等，這些工程采用的大多為敞開式TBM和雙護(hù)盾式TBM[2]。

近年來，隨著我國(guó)城市軌道交通的快速發(fā)展，TBM也開始在城市地鐵隧道施工中得到應(yīng)用，如2011年重慶軌道交通銅鑼山隧道首次應(yīng)用復(fù)合型TBM進(jìn)行施工，這也是國(guó)內(nèi)地鐵領(lǐng)域首次應(yīng)用TBM進(jìn)行施工；2013年青島地鐵工程首次應(yīng)用DSUC型雙護(hù)盾硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行青島地鐵2號(hào)線海安路站區(qū)段施工。

TBM雖然具有掘進(jìn)效率高的優(yōu)點(diǎn)，但刀具磨損后將極大影響TBM掘進(jìn)效率和施工成本。刀具磨損后同樣的切深將需要更大的推力，粉末狀巖渣的比例提高，破巖比能增加，掘進(jìn)速度降低；同時(shí)刀具磨損到一定程度后，必須停機(jī)檢查、更換刀具，降低了TBM的利用率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，刀具檢查更換耗時(shí)占總施工時(shí)間的比值可達(dá)4%～26%。此外，刀具損耗費(fèi)用在TBM施工成本中占有很大的比例，如在秦嶺隧道施工中，用于刀具的費(fèi)用約占掘進(jìn)施工費(fèi)用的l/3[3]。

為此，有關(guān)學(xué)者和專家對(duì)TBM刀具磨損相關(guān)問題開展了大量研究。王旭等[3]對(duì)TBM滾刀磨損機(jī)制進(jìn)行了比較深入的分析，找出了影響刀具磨損的主要因素；李剛等[4]、趙海鳴等[5]分別采用CSM試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵约盎谀チ夏p對(duì)TBM滾刀磨損進(jìn)行預(yù)測(cè)；張厚美等[6]、趙維剛等[7]研究了刀具異常磨損識(shí)別方法；H.P.Sanio[8]、J. Rostami等[9]等對(duì)TBM的性能預(yù)測(cè)模型進(jìn)行研究；萬治昌等[10]、趙戰(zhàn)欣[11]和金艷秋等[12]對(duì)秦嶺隧道、引洮工程等大量實(shí)際工程的TBM刀具現(xiàn)場(chǎng)磨損情況進(jìn)行了研究，得到TBM滾刀磨損的一般分布規(guī)律；但目前對(duì)滾刀的重復(fù)破碎與二次磨損機(jī)制的研究還很少。

在眾多研究中，西康鐵路秦嶺隧道是中國(guó)當(dāng)時(shí)在建鐵路干線中科技含量最高的工程[13]，鐵道部提出6類24個(gè)科研項(xiàng)目，組織眾多設(shè)計(jì)、科研和施工單位進(jìn)行聯(lián)合科研攻關(guān)。到目前為止，秦嶺隧道TB880E掘進(jìn)機(jī)在施工過程中積累的大量刀具磨損統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)仍是公開資料中可以查閱到的最完整、最寶貴的資料，其中所蘊(yùn)含的大量信息和內(nèi)在規(guī)律仍值得我們進(jìn)一步挖掘、總結(jié)。

本文從TB880E掘進(jìn)機(jī)滾刀磨損統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)入手，結(jié)合滾刀破巖體積的理論計(jì)算，對(duì)滾刀磨損與切削破巖體積關(guān)系進(jìn)行研究，深入研究滾刀重復(fù)破碎與二次磨損機(jī)制和規(guī)律，以期為刀具改進(jìn)、刀具布置、刀具耗量預(yù)測(cè)等提供依據(jù)。

1TB880E掘進(jìn)機(jī)概況

秦嶺特長(zhǎng)隧道位于陜西省長(zhǎng)安縣和柞水縣境內(nèi)，隧道設(shè)計(jì)為 2座基本平行的單線隧道 ,單線隧道長(zhǎng)度 18.45 km。工程于1998年2月16日開工，至1999年8月22日貫通，歷時(shí)18個(gè)月[10]。

秦嶺隧道的巖石以混合花崗巖和混合片麻巖為主，占全隧道的80%以上，該類巖石以強(qiáng)度高、硬度大為特征 ,抗壓強(qiáng)度平均在150 MPa左右，個(gè)別達(dá)300 MPa，抗拉強(qiáng)度6 MPa左右，巖石礦物中的石英含量占25%～30%[14]。

秦嶺隧道采用德國(guó)維爾特公司(WIRTH)生產(chǎn)的TB880E型敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)施工。掘進(jìn)機(jī)刀具布置主要參數(shù)如下： 掘進(jìn)機(jī)刀盤直徑8 800 mm，刀盤上布置了71把直徑432 mm的滾刀，其中中心滾刀(C1—C6)6把，刀間距84 mm；正面滾刀(1—51刀位)51把，刀間距65～70 mm；邊緣滾刀(52—65刀位)14把，刀間距由52號(hào)刀的65 mm逐漸減少到邊刀的31 mm，平均刀間距約65 mm。刀盤、刀具布置見圖1。

圖1　秦嶺隧道TB880E型掘進(jìn)機(jī)滾刀布置圖(單位： mm)

2滾刀切削破巖體積的計(jì)算

工程上經(jīng)常用破巖量來評(píng)價(jià)滾刀的耐用度，即用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)某段隧道長(zhǎng)度的總破巖體積除以總的刀圈耗用量來計(jì)算刀圈平均破巖量。這種評(píng)價(jià)方法計(jì)算比較簡(jiǎn)單，物理含義直觀、明確，但評(píng)價(jià)指標(biāo)比較粗糙，因?yàn)榘惭b在刀盤上不同區(qū)域滾刀的破巖量是不同的，故需對(duì)各刀位滾刀的破巖體積分別進(jìn)行計(jì)算。

設(shè)掘進(jìn)機(jī)開挖直徑為D，滾刀的貫入度為h，則刀盤旋轉(zhuǎn)1周的破巖體積

V=π·D2·h/4。

(1)

設(shè)第i個(gè)滾刀在刀盤上的安裝半徑為Ri，該滾刀的切削槽斷面積為Si，則刀盤旋轉(zhuǎn)1周該滾刀的破巖體積

Vi=2π·Ri·Si。

(2)

式中Si為滾刀的切削槽斷面積，可根據(jù)滾刀尺寸、貫入度以及相鄰滾刀的刀間距等幾何參數(shù)通過數(shù)值方法計(jì)算得到[15]。

文獻(xiàn)[15]采用數(shù)值計(jì)算方法對(duì)秦嶺隧道TB880E掘進(jìn)機(jī)貫入度為8 mm/r條件下，刀盤旋轉(zhuǎn)一周各刀位滾刀破巖體積進(jìn)行了計(jì)算，并將各刀位破巖體積與TB880E掘進(jìn)5 621 m后各刀位滾刀的累計(jì)磨損量分布曲線進(jìn)行了對(duì)比，兩者趨勢(shì)基本相同，見圖2。

圖2　TB880E滾刀磨損量和破巖體積分布曲線

Fig. 2Relationship between disc cutter wearing loss of TB880E TBM and rock crushing volume

3滾刀磨損量與切削破巖體積關(guān)系

文獻(xiàn)[15]僅僅對(duì)TB880E刀盤旋轉(zhuǎn)一周各刀位破巖體積與TB880E掘進(jìn)5 621 m后各滾刀的累計(jì)磨損量分布曲線進(jìn)行了對(duì)比，并未對(duì)兩者的定量關(guān)系進(jìn)行分析。為此將刀盤旋轉(zhuǎn)一周各刀位滾刀的破巖體積(乘以5 621/h)換算為掘進(jìn)5 621 m各刀位的累計(jì)破巖體積，由此得到滾刀磨損量與累計(jì)破巖體積關(guān)系曲線，見圖3。

由圖3可以看出，正面滾刀(1#—51#)，隨著滾刀安裝半徑的增大，滾刀破巖體積增大，滾刀磨損量也增大，兩者近似服從指數(shù)函數(shù)關(guān)系

δ=126.9e0.000 1V。

(3)

式中： δ為滾刀磨損量，mm； V為滾刀破巖體積，m3。

回歸相關(guān)系數(shù)R=0.972，兩者高度相關(guān)。

邊緣滾刀(52#—65#)磨損量與破巖體積也近似服從指數(shù)函數(shù)關(guān)系

圖3　TB880E各刀位滾刀磨損量與破巖體積關(guān)系曲線

Fig. 3RelationshipbetweendisccutterwearinglossofdisccutterondifferentpositionsofcutterheadofTB880ETBMandrockcrushingvolume

δ=973.3e0.000 1V。

(4)

回歸相關(guān)系數(shù)R=0.885，兩者高度相關(guān)。

由圖3可知，當(dāng)破巖體積相同時(shí)，邊緣滾刀的磨損量明顯比正面滾刀磨損量大。當(dāng)其他條件相同時(shí)，滾刀磨損量不僅與破巖體積有關(guān)，還與滾刀安裝區(qū)域有關(guān)，且滾刀磨損量與破巖體積呈高度相關(guān)的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，這為分區(qū)域根據(jù)滾刀破巖體積估算滾刀磨損量提供了可能。

4滾刀單位破巖體積磨損量分析

從上述分析可知，不同區(qū)域滾刀磨損量與破巖體積關(guān)系是不同的，將各刀位滾刀累計(jì)磨損量除以滾刀累計(jì)破巖體積，稱之為滾刀單位破巖體積磨損系數(shù)，得到各刀位滾刀單位破巖體積磨損系數(shù)與滾刀安裝半徑的關(guān)系曲線，見圖4。

圖4TB880E滾刀單位破巖體積磨損系數(shù)與滾刀安裝半徑的關(guān)系曲線

Fig. 4Relationship between disc cutter wearing loss (mm/m3) and installation radius of disc cutter of TB880E TBM

由圖4可以看出，滾刀單位破巖體積磨損系數(shù)與滾刀安裝半徑的關(guān)系曲線具有很強(qiáng)的規(guī)律性，總體上呈“U”型分布，但各段曲線趨勢(shì)明顯不同，可以依此將曲線分為以下4個(gè)不同區(qū)域：

1)Ⅰ區(qū)。位于刀盤中心區(qū)域，約有10把滾刀(C1—C6，1#—4#)。該區(qū)域滾刀安裝半徑小于742 mm，隨著滾刀安裝半徑增加，滾刀單位破巖體積磨損量急劇減小。這是因?yàn)橹行膮^(qū)域滾刀安裝半徑越大，滾刀滑移量越小，滾刀磨損就越小。

2)Ⅱ區(qū)。位于刀盤正面靠?jī)?nèi)區(qū)域，約有25把滾刀(5#—29#)。該區(qū)域滾刀安裝半徑為812～2 397 mm，隨著滾刀安裝半徑增加，滾刀單位破巖體積磨損量基本不變。

3)Ⅲ區(qū)。位于刀盤正面靠外區(qū)域，約有19把滾刀(30#—48#)。該區(qū)域滾刀安裝半徑為2 462～3 632 mm，隨著滾刀安裝半徑增加，滾刀單位破巖體積磨損量逐漸增大。

4)Ⅳ區(qū)。位于刀盤邊緣區(qū)域，約有17把邊緣滾刀(49#—65#)。該區(qū)域滾刀安裝半徑為3 697～4 225 mm，隨著滾刀安裝半徑增加，滾刀單位破巖體積磨損量急劇增加。

經(jīng)分析，上述滾刀單位破巖體積磨損量與滾刀安裝半徑關(guān)系近似為冪函數(shù)關(guān)系

δV=kδ·ρn。

(5)

式中： δV為滾刀單位破巖體積磨損量，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(shù)項(xiàng)。

經(jīng)過回歸分析處理，不同區(qū)域曲線變化趨勢(shì)不同甚至相反，除Ⅱ區(qū)外其余各區(qū)域的回歸相關(guān)系數(shù)均很高，不同區(qū)域的回歸參數(shù)見表1。

表1不同區(qū)域的回歸參數(shù)

Table 1Regression coefficients of disc cutter at each zone on cutterhead

滾刀所屬區(qū)域回歸系數(shù)kδ回歸系數(shù)n相關(guān)系數(shù)R滾刀編號(hào)Ⅰ區(qū)中心滾刀66.220.9770.988C1—C6,1#—4#Ⅱ區(qū)正面滾刀0.09380.0150.00325#—29#Ⅲ區(qū)正面滾刀6×10-61.2460.869830#—48#Ⅳ區(qū)邊緣滾刀5×10-3910.50.77849#—65#

5重復(fù)破碎與二次磨損的概念及計(jì)算

5.1重復(fù)破碎及二次磨損的概念

在實(shí)際施工中，刀盤前方開挖面巖石被滾刀切削剝離形成巖渣后，將從開挖面與刀盤面板之間的空隙下落，堆積在刀盤與開挖面之間間隙的下半部，經(jīng)鏟斗刮入溜槽滑向皮帶機(jī)排出。當(dāng)鏟斗磨損后，巖渣的堆積將變嚴(yán)重，導(dǎo)致外周滾刀對(duì)巖渣產(chǎn)生重復(fù)破碎，同時(shí)下落的巖渣也對(duì)滾刀產(chǎn)生二次磨損，滾刀安裝半徑越大(越靠外)的區(qū)域，巖渣散落越多，滾刀磨損就越嚴(yán)重。這就是滾刀單位破巖體積磨損量隨滾刀安裝半徑增大而增加的主要原因?；诖耍岢隽艘淮纹扑榕c重復(fù)破碎的概念。

1)一次破碎。指開挖面巖石受到刀具切削從巖體剝離形成巖屑的過程。這個(gè)過程對(duì)刀具造成的磨損稱之為“一次磨損”。

2)重復(fù)破碎。指刀具一次破碎切削下來的巖屑未能及時(shí)排出，部分巖屑散落在刀盤面板與開挖面之間，使刀具對(duì)散落巖屑產(chǎn)生二次破碎或多次破碎。由此對(duì)刀具造成的磨損稱之為“二次磨損”。

5.2二次磨損與重復(fù)破碎的計(jì)算方法

由圖4可知，Ⅱ區(qū)正面滾刀(5#—29#)的單位破巖體積磨損量最小，且隨著滾刀安裝半徑增大，滾刀單位破巖體積磨損量變化不大，說明該區(qū)域在巖渣堆積區(qū)高度以上。可以認(rèn)為該區(qū)域滾刀的重復(fù)破碎體積很小，滾刀的二次磨損可以忽略不計(jì)。

以Ⅱ區(qū)正面滾刀單位破巖體積磨損量δVⅡ?yàn)榛鶞?zhǔn)(即假設(shè)該區(qū)滾刀只發(fā)生一次破碎，重復(fù)破碎磨損忽略不計(jì))，可根據(jù)其他區(qū)域滾刀的一次破巖體積計(jì)算出對(duì)應(yīng)的一次磨損量

δi1=δVⅡ·Vi1。

(6)

式中： δi1為第i個(gè)滾刀的一次磨損量，mm； Vi1為第i個(gè)滾刀的一次破巖體積(可由文獻(xiàn)[15]的方法計(jì)算得到)，m3； δVⅡ?yàn)棰騾^(qū)正面滾刀單位破巖體積磨損量，由圖4查得δVⅡ=0.1mm/m3。

將第i個(gè)滾刀的總磨損量減去一次磨損量即為滾刀重復(fù)破碎產(chǎn)生的二次磨損量

δi2=δit-δi1。

(7)

式中： δi2為第i個(gè)滾刀的二次磨損量，mm； δit為第i個(gè)滾刀的總磨損量，mm。

將式(6)代入式(7)可得

δi2=δit-δVⅡ·Vi1。

(8)

根據(jù)滾刀單位破巖體積磨損量δVⅡ可計(jì)算出滾刀單位磨損量破巖體積

VδⅡ=1/δVⅡ。

(9)

式中 VδⅡ?yàn)棰騾^(qū)正面滾刀單位磨損量破巖體積，m3/mm。

同樣，以Ⅱ區(qū)正面滾刀單位磨損量破巖體積VδⅡ?yàn)榛鶞?zhǔn)，可根據(jù)第i個(gè)滾刀的二次磨損量δi2計(jì)算出對(duì)應(yīng)的二次破巖體積(重復(fù)破碎體積)

Vi2=δi2·VδⅡ。

(10)

式中 Vi2為第i個(gè)滾刀的二次破巖體積(重復(fù)破碎體積)，m3。

將以上相關(guān)各式代入整理可得

Vi2=(δit-δVⅡ·Vi1)/δVⅡ。

(11)

根據(jù)上述計(jì)算公式得到的TB880E各刀位一次破碎體積與重復(fù)破碎體積對(duì)比曲線見圖5。

圖5　TB880E各刀位一次破碎體積與重復(fù)破碎體積對(duì)比圖

Fig. 5Comparison and contrast between initial rock crushing volume and repeated rock crushing volume of each disc cutter

由圖5可見，從35#滾刀開始，各滾刀的重復(fù)破碎體積隨滾刀安裝半徑增加而開始增大，據(jù)此可推斷，35#滾刀安裝高度處已開始出現(xiàn)少量巖渣堆積(或巖渣下落不暢導(dǎo)致巖渣密度較高)，故可根據(jù)35#滾刀的安裝半徑與刀盤開挖直徑推算出刀盤前方巖渣堆積高度

Hm=D0/2-Rn。

(12)

式中： Hm為刀盤前方巖渣堆積高度，mm； D0為刀盤開挖直徑，D0=8 800mm； Rn為重復(fù)破碎體積開始增大處滾刀的安裝半徑(35#滾刀安裝半徑Rn=2 787mm)。

代入可得Hm=8 800/2-2 787=1 613mm。

另一方面，考察TB880E各刀位滾刀二次磨損占總磨損量的百分比曲線，見圖6。

圖6　TB880E各刀位滾刀二次磨損占總磨損量百分比

Fig. 6Secondary wearing loss in total wearing loss of each disc cutter of TB880E TBM

由圖6可見，各刀位滾刀二次磨損占總磨損量百分比曲線也可分為以下4個(gè)不同區(qū)域。

1)中心滾刀是滑移磨損主導(dǎo)區(qū)，滾刀滑移磨損占總磨損量的45%～94%。

2)靠?jī)?nèi)正面滾刀是一次磨損為主區(qū)域，滾刀一次磨損占總磨損量80%以上。

3)靠外正面滾刀是混合磨損區(qū)，滾刀二次磨損約占總磨損量20%～50%。

4)邊緣滾刀為二次磨損主導(dǎo)區(qū)，滾刀二次磨損約占總磨損量50%～90%，即邊緣滾刀的二次磨損是一次磨損的1.4～9倍。

上述4個(gè)磨損分區(qū)與圖4的4個(gè)區(qū)域劃分基本對(duì)應(yīng)。其中，一次磨損為主區(qū)域?qū)?yīng)圖4的Ⅱ區(qū)，滾刀二次磨損約占總磨損量比例波動(dòng)比較大，但均在20%以下，這可以看做是統(tǒng)計(jì)誤差范圍，二次磨損可以忽略不計(jì)。當(dāng)滾刀二次磨損占總磨損量比例大于20%時(shí)，可認(rèn)為出現(xiàn)了比較明顯的二次磨損。據(jù)此由圖6可看出，40#滾刀二次磨損占總磨損量比例開始大于20%，據(jù)此推斷40#滾刀安裝半徑處(40#滾刀安裝半徑為3 112 mm)開始出現(xiàn)明顯的巖渣堆積，故刀盤前方巖渣堆積高度Hm=8 800/2-3 112=1 288 mm。

綜合上述2方面的分析，可以推算出刀盤前方巖渣平均堆積高度Hm=1 288～1 613 mm。

由此可見，刀盤前方巖渣堆積高度較大，這個(gè)高度范圍正是靠外測(cè)正面滾刀和所有邊緣滾刀所在區(qū)域，該弧形區(qū)巖渣垂直下落不暢，故該區(qū)域滾刀二次磨損嚴(yán)重。

經(jīng)與曾參加過秦嶺隧道TBM現(xiàn)場(chǎng)施工技術(shù)人員討論，證實(shí)在TB880E掘進(jìn)機(jī)施工過程中，刀盤與開挖面之間間隙的下半部會(huì)出現(xiàn)巖渣堆積，但目前沒有巖渣堆積高度實(shí)測(cè)值。

6結(jié)論與建議

本文從TB880E掘進(jìn)機(jī)在秦嶺隧道長(zhǎng)距離硬巖段掘進(jìn)的大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)滾刀磨損數(shù)據(jù)入手，結(jié)合TB880E掘進(jìn)機(jī)各刀位滾刀一次破巖體積的理論計(jì)算結(jié)果，建立了滾刀磨損量與一次破巖體積關(guān)系，得到了滾刀單位破巖體積磨損量與滾刀安裝半徑的關(guān)系，提出了滾刀重復(fù)破碎與二次磨損的概念以及不同區(qū)域滾刀磨損的機(jī)制，首次提出了滾刀重復(fù)破碎與二次磨損的定量計(jì)算方法。研究表明：

1)外周滾刀對(duì)散落巖渣產(chǎn)生重復(fù)破碎，并導(dǎo)致二次磨損，滾刀越靠弧形區(qū)，二次磨損越嚴(yán)重。

2)TB880E滾刀單位破巖體積磨損量與滾刀安裝半徑的關(guān)系曲線總體上呈“U”型分布，可劃分為4個(gè)典型的磨損區(qū)域，其中重復(fù)破碎是邊緣區(qū)滾刀磨損的主要因素。

3)滾刀破巖體積增加，滾刀磨損量增大，兩者近似服從指數(shù)函數(shù)關(guān)系。當(dāng)一次破巖體積相同時(shí)，邊緣滾刀的磨損量明顯比正面滾刀磨損量大。

4)施工過程應(yīng)及時(shí)更換磨損鏟斗，保持鏟斗完好，避免巖渣在開挖面底部堆積，以減小滾刀的二次磨損。

5)在刀盤剛度滿足要求的情況下應(yīng)盡可能增加刀盤溜槽開口尺寸和數(shù)量，減少巖渣在刀盤與開挖面之間堆積。

6)增加邊緣滾刀數(shù)量會(huì)增加重復(fù)破巖體積，降低破巖效率，建議在滿足一次破碎的條件下適當(dāng)減少刀盤弧形區(qū)滾刀數(shù)量。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]許占良.開敞式TBM在管涔山隧道施工的適應(yīng)性研究[J].鐵道工程學(xué)報(bào),2007(8): 53-57.(XU Zhanliang. Research on the adaptability of open-type TBM in the construction of Guancen Mountain Tunnel[J].Journal of Railway Engineering Society,2007(8): 53-57. (in Chinese))

[2]王夢(mèng)恕. 開敞式TBM在鐵路長(zhǎng)隧道特硬巖、軟巖地層的施工技術(shù)[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2005, 38(5): 54-58.(WANG Mengshu.Construction technique of open TBM for long railway tunnels in very hard or soft rock strata[J].China Civil Engineering Journal,2005, 38(5): 54-58. (in Chinese))

[3]王旭，趙羽，張寶剛，等.TBM滾刀刀圈磨損機(jī)理研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2010,47(5): 15-19.(WANG Xu,ZHAO Yu,ZHANG Baogang,et al.Research on the ring wear mechanism of TBM disc cutter[J].Modern Tunnelling Technology,2010,47(5): 15-19.(in Chinese))

[4]李剛，朱立達(dá)，楊建宇，等.基于CSM模型的硬巖TBM滾刀磨損預(yù)測(cè)方法[J].中國(guó)機(jī)械工程,2014,25(1): 32-35.(LI Gang,ZHU Lida,YANG Jianyu,et al. A method to predict disc cutter wear extent for hard rock TBMs based on CSM model[J]. China Mechanical Engineering,2014,25(1): 32-35.(in Chinese))

[5]趙海鳴，舒標(biāo)，夏毅敏，等.基于磨料磨損的TBM滾刀磨損預(yù)測(cè)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2014,11(4): 152-158.(ZHAO Haiming,SHU Biao,XIA Yimin,et al.Study of wear prediction for TBM cutter based on abrasive wear model[J].Journal of Railway Science and Engineering, 2014,11(4): 152-158.(in Chinese))

[6]張厚美，區(qū)希，易覺.運(yùn)用盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)跟蹤判斷滾刀損壞的研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù), 2014,51(4): 121-126.(ZHANG Houmei,QU Xi,YI Jue.Tracking and determination of cutter damage based on the driving parameters of a shield[J].Modern Tunnelling Technology,2014,51(4): 121-126.(in Chinese))

[7]趙維剛，劉明月，杜彥良，等.全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀具異常磨損的識(shí)別分析[J].中國(guó)機(jī)械工程, 2007,18(2): 150-153.(ZHAO Weigang, LIU Mingyue,DU Yanliang,et al. Abnormal cutter wear recognition of full face tunnel boring machine(TBM) [J]. China Mechanical Engineering, 2007,18(2): 150-153 .(in Chinese))

[8]Sanio H P.Prediction of the performance of disc cutters in anisotropic rock[J].International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1985,22(85): 153-161.

[9]Rostami J,Ozdemir L,Nilson B.Comparison between CSM and NTH hard rock TBM performance prediction models//[C]Proceedings of Annual Technical Meeting of the Institute of Shaft Drilling Technology.Las Vegas: Institute of Shaft Drilling Technology,1996.

[10]萬治昌，沙明元，周雁領(lǐng).盤形滾刀的使用與研究(1)：TB880E型掘進(jìn)機(jī)在秦嶺隧道施工中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2002,39(5): 1-11. (WAN Zhichang, SHA Mingyuan,ZHOU Yanling. Study on disk cutters for hard rock: Application of TB880E TBM in Qinling Tunnel[J].Modern Tunnelling Technology, 2002,39(5): 1-11.(in Chinese))

[11]趙戰(zhàn)欣. 西秦嶺長(zhǎng)大隧道TBM盤形滾刀磨損分析[J]. 建筑機(jī)械化, 2014(1): 79-81.(ZHAO Zhanxin.Wear analysis of TBM disc cutter in West Qinling super long tunnel[J].Construction Mechanization,2014(1): 79-81. (in Chinese))

[12]金艷秋，劉志華，楊亮，等.引洮工程9號(hào)隧洞TBM滾刀磨損原因分析[J].建筑機(jī)械化,2011(6): 79-81.(JIN Yanqiu,LIU Zhihua,YANG Liang,et al.Analyzing the cause of TBM disc cutter worn in Tao River diversion project No.9 tunnel[J].Construction Mechanization,2011(6): 79-81.(in Chinese))

[13]樓文虎, 舒磊. 中國(guó)第一座特長(zhǎng)越嶺隧道： 西康鐵路秦嶺隧道[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào), 2005(增刊1)： 185-191.(LOU Wenhu,SHU Lei.The Chinese extra-long mountain ridge tunnel: Qinling tunnel in Xi’an-Ankang railway[J].Journal of Railway Engineering Society,2005(S1): 185-191.(in Chinese))

[14]趙文華.TB880E掘進(jìn)機(jī)在各類圍巖中掘進(jìn)參數(shù)的選擇[J].鐵道建筑技術(shù),2003(5): 16-18.(ZHAO Wenhua. Selection of parameters for TB880E TBM (Tunnel Boring Machine) under various types of rock[J].Railway Construction Technology,2003(5): 16-18. (in Chinese))

[15]張厚美.TBM的掘進(jìn)性能數(shù)值仿真研究[J].隧道建設(shè),2006,26(增刊2): 1-7. (ZHANG Houmei.Study on numerical simulations of performance of tunnel boring machines(TBM)[J].Tunnel Construction,2006,26(S2): 1-7. (in Chinese))

Study on Relationship Between Repeated Cutting and Secondary Wear of TBM Disc Cutter

ZHANG Houmei

(GuangzhouMunicipalDunjianUndergroundConstructionEngineeringCo.,Ltd.,Guangzhou510030,Guangdong,China)

Abstract:Much valuable and complete disc cutter wearing data of TB880E TBM used in Qinling tunnel have been accumulated, which can provide reference for further study on disc cutter wearing mechanism. In this paper, the relationship between disc cutter wearing loss and initial rock crushing volume is studied based on disc cutter wearing data and theoretical calculation results of initial rock crushing volume of TB880E TBM. The relationship between the rock crushing volume (mm/m3) and installation radius of disc cutter is analyzed. The disc cutter wearing mechanism of 4 wearing zones on cutterhead are analyzed. The quantitative calculation method for secondary wear of disc cutter induced by repeated rock crushing is proposed for the first time; and then the relationship between repeated rock crushing volume of TB880E TBM and secondary disc cutter wearing is obtained. The study results show that the initial rock crushing is the main factor for the wearing of frontal disc cutter; the repeated rock crushing is the main factor for the secondary wearing of edge disc cutter.

Keywords:Qinling Tunnel; tunnel boring machine(TBM); disc cutter wear; rock crushing volume; repeated rock crushing; secondary wear

中圖分類號(hào)：U 45

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)02-0131-06

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.002

作者簡(jiǎn)介：張厚美(1966—)，男，福建永泰人，2000年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，巖土工程專業(yè)，博士，教授級(jí)高級(jí)工程師，現(xiàn)從事盾構(gòu)隧道施工技術(shù)研究及施工項(xiàng)目管理工作。E-mail： dr.zhanghm@139.com。

收稿日期：2015-08-21; 修回日期: 2015-09-17