引漢濟(jì)渭秦嶺隧洞高磨蝕性硬巖TBM滾刀磨損試驗(yàn)研究

蔡 昱，祝和意，楊小玉，委玉奇，夏 明

(1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 渭南 714099；2.中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001)

0 引言

工程實(shí)踐表明，TBM掘進(jìn)施工中，刀具的檢查、更換與維修等作業(yè)時(shí)間約占掘進(jìn)施工總時(shí)間的1/3，刀具的費(fèi)用也約占掘進(jìn)施工總費(fèi)用的1/3[1-2]。TBM 掘進(jìn)隧道時(shí)因刀具磨損而頻繁停機(jī)檢修或更換刀具以至于產(chǎn)生不連續(xù)作業(yè)，是目前難以解決的問題，刀具因更換不及時(shí)造成過度磨損以致嚴(yán)重磨壞刀盤導(dǎo)致機(jī)械設(shè)備故障，甚至可能會(huì)引發(fā)生產(chǎn)安全事故。因此，降低TBM施工成本的關(guān)鍵是及時(shí)更換刀具，以降低對(duì)刀具的磨損，而保證刀具及時(shí)更換的方法是對(duì)刀具的磨損進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。目前，TBM刀具的磨損預(yù)測已成為TBM施工的一大難題。

國內(nèi)外很多專家學(xué)者針對(duì)刀具磨損問題提出了預(yù)測方法[3-4]。G Wijk[5]建立了考慮滾刀直徑和刀圈刀刃角的刀具壽命預(yù)測模型；Gehring[6]提出了滾刀刀圈質(zhì)量損失率Vs(mg/m) 的概念，建立了Vs與巖石CAI值的指數(shù)關(guān)系模型；李笑等[7]基于多元非線性回歸方法，通過建立回歸模型，根據(jù)預(yù)測掘進(jìn)速度與實(shí)際掘進(jìn)速度的偏差來預(yù)測滾刀的磨損狀況并取得了較好的效果；張明富等[8]通過檢測刮刀等切削刀具的實(shí)際磨損量，建立其與掘進(jìn)長度的回歸模型，進(jìn)而提出刮刀壽命的預(yù)測方法；張厚美[9]利用滾刀切削力試驗(yàn)?zāi)Ｐ屯茖?dǎo)出掘進(jìn)速度、總推力與總扭矩之間的半理論半經(jīng)驗(yàn)公式，并對(duì)利用掘進(jìn)參數(shù)檢測滾刀磨損失效方法進(jìn)行了檢驗(yàn)；張照煌等[10-11]在分析TBM刀具位移的基礎(chǔ)上，提出了刀具的側(cè)滑磨損系數(shù)、侵深磨損系數(shù)和滾動(dòng)磨損系數(shù)及其計(jì)算方法，探討了三方向位移對(duì)刀具磨損的影響，建立了TBM刀盤上正刀和過渡滾刀破巖刃上破巖點(diǎn)弧長的計(jì)算公式，并將破巖刃破巖點(diǎn)弧長與刀具磨損量進(jìn)行了對(duì)比分析等。

對(duì)于滾刀的磨損預(yù)測研究，國內(nèi)外專家積累了大量的工程經(jīng)驗(yàn)，并取得了一定的研究成果。然而，由于滾刀與巖石相互作用的復(fù)雜機(jī)制、隧道掘進(jìn)過程復(fù)雜的地質(zhì)條件以及滾刀磨損測試實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，造成滾刀的磨損規(guī)律還沒有完全揭示清楚，相關(guān)刀盤掘進(jìn)參數(shù)、刀具參數(shù)對(duì)于盤形滾刀磨損影響的研究不足；特別是在高磨蝕性硬巖地層，刀具磨損量增大，刀具更換時(shí)間不易把握，對(duì)刀具的磨損預(yù)測研究缺乏成熟的實(shí)驗(yàn)方案。因此，開展高磨蝕性硬巖地層TBM刀具磨損預(yù)測研究，建立刀具磨損預(yù)測模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)該地層下TBM滾刀磨損的準(zhǔn)確預(yù)測，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞TBM施工段嶺南工程主洞工程全長18 275 m，采用1臺(tái)φ8.02 m敞開式硬巖掘進(jìn)機(jī)施工。刀盤上布置了4把43.18 cm(17英寸)的中心雙刃滾刀，刀刃編號(hào)為1#—8#；布置了43把50.8 cm(20英寸)的單刃滾刀，刀刃編號(hào)為9#—51#，其中刀號(hào)為9#—39#的31把滾刀為正面滾刀，刀號(hào)為40#—51#的12把滾刀為邊緣滾刀，刀間距依次減小。TBM滾刀間距布置如圖1所示。

工程位于秦嶺嶺脊高中山區(qū)及嶺南中低山區(qū)，地形起伏，高程為1 050～2 420 m，洞室最大埋深約2 000 m。工程范圍內(nèi)主要涉及地層為下元古界長角壩巖群黑龍?zhí)稁r組石英巖、印支期花崗巖、華力西期閃長巖以及斷層碎裂巖、糜棱巖。地層以石英巖和花崗巖為主，圍巖以Ⅱ、Ⅲ級(jí)為主，穩(wěn)定性較好。石英巖干抗壓強(qiáng)度為86.1～216 MPa，石英含量為58%～97%；花崗巖干抗壓強(qiáng)度為96.7～242 MPa，石英含量為25%～30%。地層對(duì)刀具的磨蝕性強(qiáng)，地質(zhì)剖面見圖2。

圖1 TBM滾刀間距布置(單位：mm)Fig.1 Span of TBM disc cutter (unit: mm)

圖2 里程沿洞線方向的地質(zhì)剖面圖Fig.2 Geological profile

2 基于磨粒磨損機(jī)制的滾刀磨損速率理論預(yù)測模型

根據(jù)課題組前期研究結(jié)果[12]，針對(duì)磨粒磨損機(jī)制，依據(jù)Rabinowicz磨粒磨損模型，推導(dǎo)出盤形滾刀磨損速率(單位掘進(jìn)距離刀圈的徑向磨損量)

(1)

式中：ks為磨粒磨損系數(shù)；s為刀間距；σc為地層抗壓強(qiáng)度；Ri為滾刀半徑；T為滾刀的刀刃寬度；D0為滾刀的直徑；σs為被磨損材料的屈服強(qiáng)度；h為滾刀的貫入度。

3 滾刀磨損速率實(shí)驗(yàn)方案及預(yù)測模型

3.1 滾刀磨損實(shí)驗(yàn)方案

首先，進(jìn)行刀圈試制，制作材料和工藝完全相同的縮尺滾刀與實(shí)際刀圈作為標(biāo)定滾刀。然后，用縮尺滾刀開展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，測試刀圈材料質(zhì)量磨損速率w(mg/100 m)；用實(shí)際刀圈開展現(xiàn)場試驗(yàn)，測試滾刀刀圈的綜合磨損速率W(mm/m)。最后，確定兩者之間的比例系數(shù)k，建立滾刀磨損預(yù)測模型。

刀圈材料質(zhì)量磨損速率w利用盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研制的縮尺滾刀復(fù)合磨損實(shí)驗(yàn)平臺(tái)獲取[13-14]；所使用的巖樣從引漢濟(jì)渭施工現(xiàn)場獲取，通過表面加工得到。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用的縮尺滾刀根據(jù)實(shí)際滾刀尺寸，按照1∶10的比例縮小，縮尺滾刀的材質(zhì)和加工工藝與實(shí)際刀圈保持一致。縮尺滾刀與實(shí)際刀圈材料一致、材料磨損的機(jī)制一致，是滾刀縮尺實(shí)驗(yàn)的主要依據(jù)?？s尺滾刀以設(shè)定貫入速度在巖樣表面連續(xù)滾壓100 m，對(duì)巖樣進(jìn)行破壞，測試縮尺滾刀滾壓前后的質(zhì)量差，作為刀圈材料質(zhì)量磨損速率w。

刀圈綜合磨損速率通過實(shí)際刀圈在引漢濟(jì)渭現(xiàn)場使用獲取，為了評(píng)價(jià)滾刀現(xiàn)場的磨損速率，建立滾刀的徑向磨損速率和綜合磨損速率2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。由于滾刀在TBM刀盤上的安裝半徑不同(也稱刀位不同)，滾刀行走的線距離不同，因此不同安裝半徑上的滾刀徑向磨損速率不同。在刀刃間距相同的情況下，滾刀安裝半徑越大，滾刀徑向磨損速率越快[15]。為了避免安裝半徑對(duì)磨損速率的影響，定義綜合磨損速率來衡量滾刀磨損的快慢。徑向磨損速率=滾刀徑向累計(jì)磨損量/TBM的累計(jì)掘進(jìn)距離，單位為mm/m；綜合磨損速率=滾刀徑向累計(jì)磨損量/(TBM累計(jì)掘進(jìn)距離×刀位磨損系數(shù))。

刀位磨損系數(shù)通過不同刀位滾刀徑向累計(jì)磨損量與某一個(gè)刀位滾刀徑向累計(jì)磨損量的比值獲得。將引漢濟(jì)渭工程22#刀位磨損系數(shù)定為1，其他刀位根據(jù)前2 000 m試掘進(jìn)段各刀位累計(jì)磨損量與22#刀位累計(jì)磨損量的比值計(jì)算得到，則試驗(yàn)刀位41#～48#的刀位磨損系數(shù)如表1所示。

表1 滾刀刀位磨損系數(shù)Table 1 Disc cutter number and relative abrasion coefficients

雖然縮尺滾刀與實(shí)際滾刀的運(yùn)動(dòng)軌跡存在差異，但對(duì)于滾刀材料磨損而言，兩者材料磨損機(jī)制一致；因此，兩者之間的比例系數(shù)可以反映滾刀材料的磨耗關(guān)系，但滾刀縮尺后由于邊界條件的變化，作用力是不相似的。

3.2 基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的理論預(yù)測模型

針對(duì)引漢濟(jì)渭高磨蝕性硬巖，現(xiàn)場跟蹤前2 000 m試掘進(jìn)段刀具使用情況，通過現(xiàn)場采樣，開展縮尺滾刀磨損實(shí)驗(yàn)，縮尺滾刀直徑5.08 cm(2.0英寸)、刃寬2.5 mm。通過縮尺滾刀室內(nèi)實(shí)驗(yàn)測試得到的質(zhì)量磨損速率如表2所示。通過實(shí)際刀圈在現(xiàn)場試驗(yàn)獲得的綜合磨損速率如表3所示。

表2 縮尺滾刀室內(nèi)實(shí)驗(yàn)質(zhì)量磨損速率w統(tǒng)計(jì)Table 2 Weight abrasion rate of disc cutter in laboratory scale test mg/100 m

表3 實(shí)際刀圈現(xiàn)場試驗(yàn)綜合磨損速率W統(tǒng)計(jì)Table 3 Comprehensive abrasion rate of cutter ring in filed test mm/m

通過標(biāo)定滾刀磨損實(shí)驗(yàn)(室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場試驗(yàn)的刀具材料磨損機(jī)制相同)，確定針對(duì)引漢濟(jì)渭巖樣的比例系數(shù)k=0.143/20=0.007 15。則滾刀實(shí)驗(yàn)?zāi)p預(yù)測模型為：

W=k·w=0.007 15w。

(2)

其中，比例系數(shù)k隨著巖樣的改變而改變，針對(duì)不同的巖樣，得出不同的結(jié)果。

4 滾刀磨損預(yù)測現(xiàn)場驗(yàn)證及應(yīng)用

4.1 滾刀現(xiàn)場試驗(yàn)及磨損預(yù)測驗(yàn)證

針對(duì)引漢濟(jì)渭嶺南工程前2 km刀具消耗過快的問題，選取3個(gè)刀具廠家，在引漢濟(jì)渭現(xiàn)場開展?jié)L刀磨損試驗(yàn)，評(píng)價(jià)各廠家刀具適應(yīng)性，為引漢濟(jì)渭工程刀具的選擇提供參考。3個(gè)廠家分別為廠家Z、廠家H和廠家R。

4.1.1 引漢濟(jì)渭滾刀現(xiàn)場試驗(yàn)方案

試驗(yàn)主要針對(duì)各個(gè)廠家滾刀的耐磨性和穩(wěn)定性開展，要求刀具尺寸符合羅賓斯TBM刀具安裝標(biāo)準(zhǔn)，并在圍巖完整性好、巖石參數(shù)接近的地層開展試驗(yàn)。采用滾刀批量試驗(yàn)方案，即每個(gè)廠家提供10把整刀，其中8把批量安裝在41#—48#刀位，另外2把備用，該區(qū)域?yàn)榈侗P的邊滾刀區(qū)域，屬于滾刀磨損最快的區(qū)域；待一個(gè)廠家的滾刀測試完畢后，更換另一個(gè)廠家的滾刀。

4.1.2 滾刀批量試驗(yàn)

4.1.2.1 滾刀批量試驗(yàn)測試與記錄

各廠家滾刀批量試驗(yàn)段對(duì)應(yīng)的巖石抗壓強(qiáng)度與等效石英含量和滾刀批量試驗(yàn)使用滾刀的刀圈硬度等參數(shù)如表4和表5所示，各廠家刀具批量試驗(yàn)結(jié)果如表6和表7所示。

表4 各廠家試驗(yàn)地層巖石參數(shù)Table 4 Rock parameters

注：取樣點(diǎn)選擇該廠家刀具在圍巖完整性好、巖石參數(shù)變化小的短試用區(qū)間內(nèi)的一個(gè)點(diǎn)位，以此位置的巖石參數(shù)代表試用段的巖石參數(shù)，每個(gè)點(diǎn)位取3組巖樣進(jìn)行測試，并取平均值。

表5 各廠家滾刀刀圈硬度Table 5 Rigidities of disc cutter rings provided by different manufactures HRC

注：HRC(洛氏硬度)。采用150 kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料。

表6 各廠家刀具批量試驗(yàn)結(jié)果(磨損)Table 6 Experimental results of abrasion of cutters provided by different manufactures

表7 各廠家刀具批量試驗(yàn)結(jié)果(掘進(jìn)參數(shù))Table 7 Experimental results of boring parameters of cutters provided by different manufactures

4.1.2.2 滾刀批量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表6和表7中的各廠家刀具批量試驗(yàn)是在圍巖完整性好、巖石參數(shù)接近的地層區(qū)間取樣進(jìn)行試驗(yàn)得出的結(jié)果，圍巖抗壓強(qiáng)度變化小。試驗(yàn)過程中，由于掘進(jìn)過程受到各種因素的影響，掘進(jìn)參數(shù)做不到完全相同，故會(huì)造成磨損速率的誤差，但不同廠家刀具磨損速率的差別遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于掘進(jìn)參數(shù)和圍巖參數(shù)所導(dǎo)致的磨損速率誤差，故不會(huì)影響試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)組3個(gè)廠家的滾刀磨損速率如表8所示。根據(jù)綜合磨損速率W值：廠家H<廠家R<廠家Z；W值越小，刀圈越耐磨。

表8 試驗(yàn)組滾刀磨損速率Table 8 Abrasion rates of tested disc cutters mm/m

4.2 滾刀磨損預(yù)測現(xiàn)場驗(yàn)證

根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)，得出H、Z、R 3個(gè)廠家綜合磨損速率現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果；通過實(shí)驗(yàn)預(yù)測模型(式2)，計(jì)算得到綜合磨損速率實(shí)驗(yàn)預(yù)測結(jié)果；通過理論預(yù)測模型(式1)，計(jì)算得到綜合磨損速率理論預(yù)測結(jié)果。將以上結(jié)果匯總并與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，即可得到實(shí)驗(yàn)預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確度。滾刀綜合磨損預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果比較見表9。

表9 滾刀綜合磨損預(yù)測結(jié)果與現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果比較Table 9 Comparison of field monitoring results and theoretically predicted results of abrasion rates of disc cutters provided by different manufactures mm/m

通過現(xiàn)場驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)預(yù)測結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，可準(zhǔn)確預(yù)測滾刀的磨損。理論預(yù)測方法由于滾刀磨損系數(shù)選取困難，且考慮的因素比較單一，預(yù)測結(jié)果偏差較大，需要進(jìn)一步研究和改進(jìn)。

5 結(jié)論與討論

結(jié)合引漢濟(jì)渭工程秦嶺輸水隧洞TBM掘進(jìn)施工因遭遇高磨蝕性硬巖地層，滾刀發(fā)生嚴(yán)重磨損的工程實(shí)際，通過縮尺滾刀室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，建立了基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)的理論預(yù)測模型。通過現(xiàn)場跟蹤引漢濟(jì)渭前2 000 m試掘進(jìn)段刀具使用情況，開展現(xiàn)場滾刀試驗(yàn)，揭示了實(shí)際滾刀現(xiàn)場綜合磨損速率與縮尺滾刀室內(nèi)質(zhì)量磨損速率的關(guān)系，驗(yàn)證了室內(nèi)縮尺滾刀磨損預(yù)測模型的預(yù)測結(jié)果相對(duì)誤差在10%以內(nèi)，具有較高的準(zhǔn)確性，為引漢濟(jì)渭工程TBM刀具的選擇提供了參考。所采用的研究方法與理論體系可為高磨蝕性硬巖地層TBM刀具磨損預(yù)測提供借鑒。

對(duì)于滾刀磨損的研究，需進(jìn)一步研究解決以下幾方面的問題。

1)對(duì)于滾刀的磨損機(jī)制，受地層條件與刀盤刀具布置的影響，會(huì)影響預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性；滾刀磨損理論預(yù)測模型中某些關(guān)鍵參數(shù)缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支撐并選取困難，導(dǎo)致理論預(yù)測模型很難應(yīng)用。

2)對(duì)于滾刀磨損實(shí)驗(yàn)，初步建立了實(shí)驗(yàn)方法，但由于巖石破碎的不確定性，導(dǎo)致載荷控制模式的實(shí)驗(yàn)無法開展；另外，針對(duì)不同工程的室內(nèi)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)場數(shù)據(jù)還較少，未能完整建立起可靠的刀具磨損數(shù)據(jù)庫，從而影響刀具磨損預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3)對(duì)于現(xiàn)場試驗(yàn)，不同掘進(jìn)段地層條件存在較大的不確定性和差異性，可能會(huì)影響刀圈試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。