基于刀盤摩擦扭矩參數(shù)的刀具磨損狀態(tài)識(shí)別

左翠鳳， 唐德高， 戎曉力， 廖　斌

(解放軍理工大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京　210007)

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基于刀盤摩擦扭矩參數(shù)的刀具磨損狀態(tài)識(shí)別

左翠鳳， 唐德高， 戎曉力， 廖斌

(解放軍理工大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 南京210007)

摘要：盾構(gòu)在砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)，刀具磨損量大一直是困擾施工的難題。從土壓平衡盾構(gòu)的工作原理及砂卵石地層特性2方面分析刀盤扭矩的構(gòu)成，并通過(guò)數(shù)學(xué)和力學(xué)分析建立了摩擦扭矩計(jì)算模型。以成都地鐵3號(hào)線紅牌樓南站—紅牌樓站區(qū)間為研究背景，依托盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證；分析刀具磨損時(shí)，根據(jù)地質(zhì)條件將摩擦扭矩進(jìn)行分段計(jì)算，同時(shí)將摩擦扭矩除以總扭矩得到摩擦比例系數(shù)，運(yùn)用比例系數(shù)跟蹤判斷刀具磨損程度。研究結(jié)果表明，砂卵石地層中構(gòu)成刀盤扭矩的主要組分是刀盤正面、背面和側(cè)面上的摩擦扭矩；摩擦扭矩計(jì)算模型符合工程實(shí)際；得到的摩擦比例系數(shù)與換刀形態(tài)具有較好的對(duì)應(yīng)性，可定性判斷刀具磨損程度，指導(dǎo)工程實(shí)踐。

關(guān)鍵詞：砂卵石地層； 土壓平衡盾構(gòu)； 刀具磨損； 摩擦扭矩； 比例系數(shù)

0引言

近年來(lái)，盾構(gòu)法以其對(duì)周邊居民生活及地面交通影響小、勞動(dòng)強(qiáng)度低和掘進(jìn)速度快等優(yōu)點(diǎn)，成為地鐵隧道施工的首選方法。雖然盾構(gòu)法具有其他工法難以比擬的優(yōu)越性，但在施工期間依然面臨不少問(wèn)題。成都地鐵隧道主要穿越砂卵石地層，其特點(diǎn)是卵石粒徑大、摩擦因數(shù)大、強(qiáng)度高，并具有高的磨蝕性，導(dǎo)致施工過(guò)程中刀具磨損、脫落，換刀頻繁。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)頻繁換刀，會(huì)嚴(yán)重影響工程成本和進(jìn)度，加大施工風(fēng)險(xiǎn)。

以往研究中，學(xué)者們主要對(duì)巖石地層的盤形滾刀磨損進(jìn)行了分析。張厚美等[1-3]深入研究了盾構(gòu)施工中滾刀的損壞機(jī)制，并提出利用盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)跟蹤判斷滾刀損壞。楊延棟等[4]基于Rabinowicz磨粒磨損方程和CSM滾刀破巖力模型，通過(guò)近似計(jì)算和數(shù)學(xué)推導(dǎo)，建立了滾刀直接磨損的磨損速率和線磨損速率預(yù)測(cè)模型。針對(duì)砂卵石地層施工中所遇到的刀具磨損，主要是從優(yōu)化刀盤設(shè)計(jì)和刀具布置角度進(jìn)行分析[5-6]，很少?gòu)氖┕た刂品矫孢M(jìn)行研究。

盾構(gòu)在砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)刀具磨損后會(huì)大大降低其掘進(jìn)效率，使刀盤的扭矩增大。扭矩作用又會(huì)影響到盾構(gòu)頂進(jìn)推力、推進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速及驅(qū)動(dòng)功率等參數(shù)[7]。因此，分析砂卵石地層盾構(gòu)刀具磨損時(shí)，刀盤扭矩是關(guān)鍵參數(shù)之一。目前，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了不少有關(guān)盾構(gòu)刀盤扭矩的研究[8-10]。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)砂卵石地層力學(xué)特性，分析了土壓平衡盾構(gòu)刀盤扭矩的構(gòu)成，建立了多層覆土及復(fù)合型掌子面工況下的摩擦扭矩計(jì)算模型。以成都地鐵3號(hào)線紅牌樓南站—紅牌樓站區(qū)間為研究對(duì)象，對(duì)提出的摩擦扭矩計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證，并嘗試運(yùn)用刀盤扭矩參數(shù)對(duì)刀具磨損程度進(jìn)行定性判斷。

1工程背景及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)概況

成都地鐵3號(hào)線1期工程由東北向西南貫穿城市CBD核心區(qū)，共設(shè)17座車站，線路長(zhǎng)20.325 km，全為地下線，平均間距1.227 km。紅牌樓南站—紅牌樓站(以下簡(jiǎn)稱紅紅區(qū)間)是3號(hào)線1期工程的第2個(gè)區(qū)間，采用盾構(gòu)法施工。本區(qū)間隧道主要覆蓋雜填土、粉質(zhì)黏土、粉土、細(xì)砂、松散卵石和稍密卵石，盾構(gòu)主要在中密卵石和密實(shí)卵石土層中穿過(guò)。隧道頂面最大埋深21 m，最小埋深14 m。巖土工程勘察報(bào)告顯示，鉆探揭示卵石的最大粒徑達(dá)200 mm，但可能存在更大粒徑的漂石。

目前，在成都地鐵項(xiàng)目中研發(fā)了盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過(guò)自定義配參功能支持多家盾構(gòu)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，在盾構(gòu)掘進(jìn)中自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中。本文處理的數(shù)據(jù)來(lái)源于盾構(gòu)在紅紅區(qū)間左線掘進(jìn)過(guò)程中提取的環(huán)號(hào)為500—819對(duì)應(yīng)的扭矩值參數(shù)。通過(guò)對(duì)扭矩參數(shù)中異常點(diǎn)、缺失點(diǎn)進(jìn)行分析、清洗，最終得到本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2施工參數(shù)的選擇

盾構(gòu)施工時(shí)為保證工程進(jìn)度和施工安全，人為設(shè)定了刀盤轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度和螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速，而刀盤扭矩、推力和貫入度則是人工控制參數(shù)設(shè)定后的反饋參數(shù)。在進(jìn)行盾構(gòu)刀盤刀具磨損分析時(shí)，主要分析掘進(jìn)過(guò)程中反饋參數(shù)的變化。刀具磨損后，掘進(jìn)效率大大降低，刀盤扭矩增大。扭矩作用又會(huì)影響到盾構(gòu)頂進(jìn)推力、驅(qū)動(dòng)功率等參數(shù)。分析砂卵石地層盾構(gòu)刀具磨損時(shí)，刀盤扭矩是關(guān)鍵參數(shù)之一。因此本文選擇刀盤扭矩參數(shù)對(duì)刀具磨損程度進(jìn)行定性判斷。需要說(shuō)明的是，本文是在渣土改良后的情況下對(duì)盾構(gòu)刀具磨損進(jìn)行研究，所以分析中并未考慮渣土改良的影響。

成都地鐵3號(hào)線紅紅區(qū)間選用了面板式土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行施工。盾構(gòu)在砂卵石地層掘進(jìn)時(shí)，對(duì)其刀盤進(jìn)行受力分析可知，刀盤總扭矩主要由刀盤正面摩擦扭矩T1、刀盤背面摩擦扭矩T2、刀盤側(cè)面摩擦扭矩T3、刀盤切削扭矩T4、刀盤攪拌扭矩T5和機(jī)械阻力扭矩T6組成。江華等[11]選取北京砂卵石地層4個(gè)標(biāo)段作為實(shí)例，得出摩擦扭矩是控制刀盤扭矩的主要因素。李潮等[12]的結(jié)論： 相同直徑下盾構(gòu)在非黏性土中需要裝載更大的扭矩用于克服刀盤各面摩擦阻力。在實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)，砂卵石地層中滾刀、刮刀并不直接切削破除卵石，刮刀的主要作用是剝落攪拌地層，滾刀則松動(dòng)原狀地層。同時(shí)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，刀盤損壞形式主要為刀盤周邊嚴(yán)重磨損、外邊緣刀具刀體嚴(yán)重磨損或脫落。砂卵石地層中刀盤刀具磨損主要是因?yàn)榈貙优c刀具間擠壓摩擦嚴(yán)重，切削扭矩是存在的，但并不是引起扭矩變化的根本原因。因此，根據(jù)已有研究、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)及砂卵石地層特性，研究刀具磨損，分析刀盤扭矩參數(shù)時(shí)，應(yīng)著重掌握刀盤摩擦扭矩的影響。

3刀盤摩擦扭矩計(jì)算模型及其驗(yàn)證

呂強(qiáng)等[13]、鄧立瑩等[14]提出的摩擦扭矩計(jì)算模型中，作用于刀盤上的土壓力按均質(zhì)土層取值，而在實(shí)際工程中多為復(fù)雜地層，經(jīng)常遇到盾構(gòu)掌子面為復(fù)合土層的情況。本節(jié)建立的摩擦扭矩計(jì)算模型充分考慮了多層覆土及復(fù)合型掌子面情況，使模型更符合并適用于工程實(shí)際。

3.1刀盤正面摩擦扭矩T1

盾構(gòu)掘進(jìn)、刀盤旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，刀盤正面與土體間會(huì)發(fā)生摩擦，產(chǎn)生摩擦扭矩。當(dāng)掌子面為單一土層時(shí)，其計(jì)算模型如圖1所示。在刀盤上取一微元進(jìn)行分析，則有

(1)

式中：γi(i=1，2,…,n)為土體重力密度，N/m3；Hi(i=1，2,…,n-1)為各土層厚度；Hn為第n層土界面距盾構(gòu)軸線距離；Kn為第n層土體的側(cè)壓力系數(shù)；D為刀盤直徑；f為土與鋼的摩擦因數(shù)。

對(duì)于面板式刀盤，實(shí)際計(jì)算扭矩時(shí)要去掉開口部分的面積。則式(1)可修正為

(2)

式中η為刀盤開口率。

如果掌子面為復(fù)合型掌子面，這里假設(shè)為2種土層，其計(jì)算模型如圖2所示，計(jì)算原理與單一掌子面相同，對(duì)第1層、第2層土分別積分，并考慮刀盤開口率的影響，則：

(3)

其中：

(4)

(5)

式(3)—(5)中：σ1v為掌子面第1層土體垂直土壓強(qiáng)度；σ2v為掌子面第2層土體垂直土壓強(qiáng)度；R為刀盤半徑；Kn-1、Kn為相應(yīng)土層的側(cè)壓力系數(shù)；f為土與鋼的摩擦因數(shù)；γi為土體重力密度，N/m3。

圖1　單一型掌子面刀盤正面受力模型

Fig. 1Model of force on the front of cutterhead when shield boring in single-component stratum

圖2　復(fù)合型掌子面刀盤正面受力模型

Fig. 2Model of force on the front of cutterhead when shield boring in complex stratum

3.2刀盤背面摩擦扭矩T2

刀盤背面的摩擦扭矩是否可忽略一直存在爭(zhēng)議，盧浩等[15]對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)探討，證明了刀盤背面的摩擦扭矩是不能忽略的因素。即盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，刀盤背面與土倉(cāng)內(nèi)的渣土也存在相互摩擦。

T2=kbT1。

(6)

式中kb為與刀盤正面相比刀盤背面摩擦阻力扭矩計(jì)算的調(diào)節(jié)系數(shù)，一般取0.6～0.8。

3.3刀盤側(cè)面摩擦扭矩T3

當(dāng)?shù)侗P外沿超出切口環(huán)時(shí)，在刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)切削土體的過(guò)程中，其側(cè)面與土體發(fā)生摩擦，產(chǎn)生刀盤側(cè)面摩擦扭矩。作用于刀盤側(cè)面上的正壓力由垂直土壓力和側(cè)向土壓力組成。為了計(jì)算刀盤圓周面的摩擦扭矩，將刀盤側(cè)面的垂直土壓力和水平土壓力在刀盤圓周面各點(diǎn)分解為垂直于圓周面的正壓力，進(jìn)而求得摩擦阻力。掌子面為單一土層時(shí)，刀盤圓周表面受力分析如圖3所示。

圖3　單一型掌子面作用于刀盤側(cè)面的土壓力

Fig. 3Force on side of cutterhead induced by single-component stratum

在圖3的圓周側(cè)面上取微面ds進(jìn)行分析，則作用于ds上的側(cè)向土壓力

(7)

作用于ds上的垂直土壓力

(8)

將上述2類土壓力分解為垂直于側(cè)面的正壓力

(9)

(10)

作用在刀盤側(cè)面所產(chǎn)生的摩擦扭矩

(11)

式中W為刀盤圓周側(cè)面寬度。

當(dāng)掌子面為復(fù)合型土層時(shí)，刀盤側(cè)面摩擦扭矩計(jì)算模型如圖4所示，計(jì)算公式如下：

(12)

其中：

(13)

(14)

(15)

(16)

圖4　復(fù)合型掌子面作用于刀盤側(cè)面的土壓力

3.4摩擦扭矩總值Tf

由上述分析可知，刀盤摩擦扭矩總值

Tf=T1+T2+T3。

(17)

3.5摩擦扭矩計(jì)算模型的驗(yàn)證

按照推導(dǎo)得出的刀盤摩擦扭矩計(jì)算公式，以成都地鐵3號(hào)線紅紅區(qū)間實(shí)際工程為例進(jìn)行驗(yàn)算，選取第704—742環(huán)進(jìn)行分析。圖5為紅紅區(qū)間左線隧道704—742環(huán)地質(zhì)斷面詳圖，表1為盾構(gòu)的主要相關(guān)參數(shù)。計(jì)算公式中，將計(jì)算點(diǎn)選在工程勘探時(shí)的鉆點(diǎn)，Hi根據(jù)斷面圖計(jì)算得出，γi取值參照紅紅區(qū)間巖土工程詳勘，刀盤背面摩擦扭矩計(jì)算的調(diào)節(jié)系數(shù)kb取0.8，其他參數(shù)取值見表1。

圖5　704—742環(huán)地質(zhì)斷面詳圖

Fig. 5Longitudinal profile showing geological conditions of tunnel

表1　盾構(gòu)及地質(zhì)參數(shù)

(18)

結(jié)果表明，砂卵石地層中摩擦扭矩為總扭矩的主要組成部分，這與江華等[11]、李潮等[12]的結(jié)論相吻合，也驗(yàn)證了本文中刀盤摩擦扭矩估算模型的正確性。

4運(yùn)用扭矩參數(shù)判斷刀具磨損程度

目前，紅紅區(qū)間左線已完工。對(duì)該路線施工中換刀點(diǎn)前后刀盤扭矩變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖6所示，對(duì)扭矩值取數(shù)據(jù)庫(kù)中扭矩最大值進(jìn)行分析。

圖6　扭矩最大值隨環(huán)號(hào)變化曲線

由圖6可以看出，隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，扭矩值在換刀前并未呈增大趨勢(shì)，換刀點(diǎn)后扭矩降低趨勢(shì)也不明顯，即從圖中無(wú)法預(yù)示刀具磨損，環(huán)號(hào)增加，扭矩變化較平緩，刀具磨損無(wú)明顯征兆。

盾構(gòu)穿越地層時(shí)縱向不均勻，有軟有硬，變化頻次多，同一斷面也多為復(fù)合地層，因此刀盤扭矩會(huì)出現(xiàn)比較大的波動(dòng)，即地質(zhì)條件對(duì)扭矩有很大影響。由于在砂卵石地層中扭矩主要用于克服刀盤各面摩擦阻力，盾構(gòu)掘進(jìn)斷面砂卵石磨蝕性越高，刀盤與地層的摩擦阻力就越大，也越容易引起刀具磨損。從摩擦扭矩計(jì)算模型可以看出，Tf與地層參數(shù)密切相關(guān)。因此，在進(jìn)行刀具磨損分析時(shí)，根據(jù)地質(zhì)條件將摩擦扭矩進(jìn)行分段計(jì)算。將摩擦扭矩除以總扭矩得到摩擦比例系數(shù)Q，即Q=Tf/T，運(yùn)用比例系數(shù)Q對(duì)盾構(gòu)換刀情況進(jìn)行分析。統(tǒng)計(jì)比例系數(shù)Q隨環(huán)號(hào)變化情況見圖7。

圖7　摩擦比例系數(shù)Q隨環(huán)號(hào)變化曲線

比較圖6和圖7可以看出，比例系數(shù)Q波動(dòng)明顯。摩擦比例系數(shù)Q換刀前有突變，表明此處刀盤與地層摩擦很大，更易造成刀具磨損，這與實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)一致。表明采用Q值較T值可更好地對(duì)刀具磨損做定性預(yù)測(cè)，與換刀形態(tài)具有較好的對(duì)應(yīng)性。工程施工中可運(yùn)用Q值對(duì)刀具磨損、換刀時(shí)機(jī)進(jìn)行輔助決策。

5結(jié)論與討論

文章基于刀盤摩擦扭矩參數(shù)對(duì)刀具磨損問(wèn)題進(jìn)行了探討，取得了一定的成果： 1)建立了充分考慮復(fù)合土層情況的刀盤摩擦扭矩計(jì)算模型，應(yīng)用實(shí)例驗(yàn)證了其正確性； 2)指出成都地鐵砂卵石地層盾構(gòu)施工中刀盤摩擦扭矩是總扭矩的主要組成部分； 3)分析得出比例系數(shù)Q與換刀形態(tài)具有較好的對(duì)應(yīng)性，可對(duì)刀具磨損進(jìn)行定性預(yù)測(cè)，指導(dǎo)工程實(shí)踐。研究成果可為成都地鐵盾構(gòu)施工中刀具磨損預(yù)測(cè)提供參考。

由于砂卵石地層的復(fù)雜性，盾構(gòu)施工參數(shù)受很多因素影響，各參數(shù)關(guān)系會(huì)相互耦合。本文初步考慮單一因素扭矩與換刀形態(tài)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，得出的比例系數(shù)只能定性判斷刀具損壞問(wèn)題。因此，需要探索更加完善的刀具磨損預(yù)測(cè)模型，進(jìn)一步提高預(yù)測(cè)方法的工程應(yīng)用價(jià)值。

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State Recognition of Cutter Wear Based on Frictional Torque Parameters of Cutterhead

ZUO Cuifeng, TANG Degao, RONG Xiaoli， LIAO Bin

(StateKeyLaboratoryofDisasterPreventionandMitigationofExplosionandImpact,

PLAUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210007,Jiangsu,China)

Abstract:The serious shield cutter wear is the key to shield boring in sandy-cobble stratum. In this paper, the composition of shield cutter torque is analyzed in terms of the working principle of earth pressure balance(EPB) shield and the mechanical properties of sandy-cobble stratum. A calculation model of the friction torque is established by means of mathematical and mechanical analysis. The calculation model is verified on the basis of risk monitoring system of shield tunneling; and the cutter wear degree is tracked and recognized by means of proportionality coefficient, combining with the South Hongpailou Station-Hongpailou Station on Line No. 3 of Chengdu Metro as an example. The study results show that: 1) The frictional torques on the front of cutterhead, that on the backside of cutterhead and that on the side of cutterhead are the main components of torque of cutterhead when shield boring in sandy-cobble stratum. 2) The frictional torque model is coincide with the actual construction state. 3) The frictional torque obtained is coincide with the cutter replacing pattern, and can be considered as the recognition reference of cutter wear degree.

Keywords:sandy-cobble stratum; earth pressure balance shield; cutter wear; frictional torque; proportionality coefficient

中圖分類號(hào)：U 455.3

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-741X(2016)03-0344-05

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.03.016

作者簡(jiǎn)介：第一 左翠鳳(1991—)，女，江蘇鹽城人，解放軍理工大學(xué)結(jié)構(gòu)工程專業(yè)在讀碩士，研究方向?yàn)榈叵鹿こ贪踩L(fēng)險(xiǎn)管理。E-mail: windyzuo1991@163.com。

收稿日期：2015-10-14; 修回日期: 2015-12-18