廣東復(fù)雜地層下TBM刀具比選研究

楊孟

（廣東華隧建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510228）

在TBM隧道施工中，項(xiàng)目是否能夠高效、經(jīng)濟(jì)地完成，刀具的選型和管理是最關(guān)鍵的因素之一。在刀具磨損方面已經(jīng)有較多的研究，例如，秦銀平等基于Rabinowicz磨粒磨損引入CSM破巖模型對(duì)磨損進(jìn)行研究；張厚美TBM盤(pán)形滾刀磨損與滾刀滑動(dòng)距離關(guān)系研究；張寧川通過(guò)對(duì)TBM、盾構(gòu)盤(pán)形滾刀硬巖掘進(jìn)的刃口磨損形狀分析及優(yōu)化對(duì)策；喬世范等基于磨粒磨損機(jī)理的TBM滾刀壽命預(yù)測(cè)。

上述研究提供了大量的理論基礎(chǔ)，但是，對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)外刀具應(yīng)用情況分析較少。本文通過(guò)對(duì)11家國(guó)內(nèi)外刀具試驗(yàn)，以及榕江關(guān)埠引水項(xiàng)目刀具消耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析。以單刀圈的平均破巖量以及刀盤(pán)貫入度作為研究對(duì)象，以找到提高掘進(jìn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的更優(yōu)刀具配置方案及掘進(jìn)參數(shù)。

1 刀盤(pán)刀具介紹

本文研究的背景：榕江關(guān)埠引水項(xiàng)目，工程輸水總線路35km，其中TBM隧道27km。采用3臺(tái)中鐵裝備雙護(hù)盾TBM施工。最大開(kāi)挖直徑5060mm，最大推力為10500kN。其中4把17寸中心滾刀、27把19寸單刃滾刀。如圖1所示。

2 刀具試驗(yàn)

T1隧洞圍巖基本穩(wěn)定后，對(duì)國(guó)內(nèi)外11家刀具開(kāi)展2輪次試驗(yàn)工作，其中國(guó)內(nèi)9家，國(guó)外2家。試驗(yàn)分正面刀和邊刀試驗(yàn)，從不同維度進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1 正面刀試驗(yàn)

正面刀試驗(yàn)時(shí)，將刀具同時(shí)安裝在刀盤(pán)上，所有刀具遇到的地質(zhì)條件、掘進(jìn)參數(shù)視同完全一致。正面刀與掘進(jìn)方向平行，軸承與刀刃主要受徑向載荷，糾偏或者地層不均造成其他未知因素忽略不計(jì)。

本項(xiàng)目TBM刀盤(pán)的9#～26#刀刃是正面刀位，共18把。試驗(yàn)選取國(guó)內(nèi)制造商每家2把刀具，9家共18把。刀圈全部采用TBM專(zhuān)用光面刀圈，刀圈的刃型、硬度由廠家自主決定，刀具參數(shù)和分組表見(jiàn)表1。每個(gè)試驗(yàn)組中的兩把刀位的工作軌跡線之和長(zhǎng)度基本一致，即每組刀具的破巖量一致。磨損量達(dá)到20mm或者出現(xiàn)偏磨、斷刀圈等異常損壞則試驗(yàn)結(jié)束。試驗(yàn)期間總推力在4000～6100kN浮動(dòng)，試驗(yàn)截止時(shí)每組刀具總的磨損量結(jié)果，如表1所示。

結(jié)果僅考慮徑向總磨損量，磨損量越小成績(jī)?cè)胶?，如?排名1所示。國(guó)內(nèi)9以33mm取得第1名的成績(jī)，國(guó)內(nèi)8以34mm取得第2名。其他第3名到第9名磨損量在37～40mm，這7家成績(jī)比較接近。進(jìn)一步把刃寬因素加進(jìn)去分析，基于金屬總消耗量進(jìn)行排名，情況如（排名2）所示，原來(lái)第1名和排名3～9名的廠家名次變化較小，但是，國(guó)內(nèi)廠家8由原來(lái)的第2名變?yōu)榈?名，國(guó)內(nèi)廠家9仍然位居第1名。從總金屬消耗量看各家單位的成績(jī)?cè)?13%～10%浮動(dòng)，造成廠家8名次較大變化的主要原因?yàn)樵搯挝徊捎昧巳袑捿^大的刀圈，其總金屬消耗量較大。

表1 正面刀試驗(yàn)表

式中，Δr為總徑向磨損量，d為刃寬。

注：該計(jì)算為定性計(jì)算，采用近似計(jì)算只是用來(lái)快速判斷刀圈金屬的大概剝落量，忽略掉刃口刃型、徑向磨損量差異造成計(jì)算誤差。

上述試驗(yàn)在排除地層、推力、破巖量等一系列干擾因素得到準(zhǔn)確的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，對(duì)結(jié)果分析可知，采用總金屬消耗量代替徑向磨損量來(lái)評(píng)價(jià)刀圈的耐用性更加準(zhǔn)確。

2.2 邊刀試驗(yàn)

邊刀位于刀盤(pán)弧面區(qū)，工作時(shí)，刀刃與掘進(jìn)方向有一定的夾角，軸承與刀刃除受徑向力外，還受到軸向力作用，掘進(jìn)過(guò)程中存在一定的軸向滑動(dòng)摩擦以及二次磨損。因此，邊刀磨損較快、承載要求高。

本次試驗(yàn)選取最外沿的34#、35#刀位。除國(guó)內(nèi)8不再參與外，其他8家單位均繼續(xù)參加試驗(yàn)，另外邀請(qǐng)國(guó)外1和國(guó)外2兩家國(guó)外制造商參與試驗(yàn)，共計(jì)10家。每個(gè)廠家分別提供2把刀具，依次進(jìn)行試驗(yàn)、磨損量達(dá)到10mm或者出現(xiàn)偏磨、斷刀圈等異?，F(xiàn)象則試驗(yàn)結(jié)束。本次試驗(yàn)時(shí)，要求廠家對(duì)刀具進(jìn)行檢修，并換統(tǒng)一刃型的刀圈，除國(guó)外兩家單位因生產(chǎn)周期原因外，其他單位均按要求提供刀具。試驗(yàn)期間總推力在4000～7200kN浮動(dòng)，在試驗(yàn)截止時(shí)，各家刀具均未出現(xiàn)偏磨、斷刀圈等異常損壞現(xiàn)象，每組刀具總的磨損量和掘進(jìn)里程如表2所示。

表2 邊刀試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

表3 日常刀圈消耗情況統(tǒng)計(jì)

如表2所示，10家刀具在試驗(yàn)中，掘進(jìn)里程28.4～64.73m，未有明顯規(guī)律。那么采用總金屬消耗量的方法評(píng)價(jià)，各家成績(jī)和排名如表2中排名1所示，顯然這次試驗(yàn)成績(jī)的浮動(dòng)比較大。邊刀試驗(yàn)時(shí)，各家刀具在不同地層掘進(jìn)，僅考慮單位金屬消耗量顯然是不能客觀體現(xiàn)刀具的性能。用推力大小來(lái)代替地層系數(shù)，計(jì)算基于地層因素單位金屬消耗量，具體公式如下文，計(jì)算結(jié)果如表2中排名2所示，最優(yōu)和最差在-36%～44%浮動(dòng)。可見(jiàn)在加入推力因素后，各家的成績(jī)差異更大，再與正面刀試驗(yàn)各家成績(jī)進(jìn)行比較，仍未發(fā)現(xiàn)有關(guān)聯(lián)性。綜上，在統(tǒng)一刃寬和刃型的情況下，無(wú)論是從掘進(jìn)里程、單位金屬消耗量、疊加推力因素三個(gè)方面分析后，均未找到一致性的規(guī)律。驗(yàn)證了邊刀磨損因素的復(fù)雜性，其磨損的規(guī)律性不強(qiáng)，從而證明傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中通過(guò)邊刀掘進(jìn)里程來(lái)判斷刀圈耐磨性是不準(zhǔn)確的。

單位金屬消耗量=L/（ΔR·d）

基于地層因素單位金屬消耗量=（L·（F-1000kN））/（ΔR·d）

式中，L為掘進(jìn)里程，F(xiàn)為掘進(jìn)是總推力，其中1000kN為盾體與地層的摩擦力。

3 長(zhǎng)距離超硬巖掘進(jìn)應(yīng)對(duì)策略

對(duì)1#TBM 10月—4月份掘進(jìn)過(guò)程刀圈消耗量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，很容易發(fā)現(xiàn)2月、3月刀圈破巖量急劇變小，下圖是2021年3月11日的掘進(jìn)參數(shù)，推力一直維持在系統(tǒng)允許最大10500kN，但是，平均貫入度僅有1.6mm/rev左右，期間僅掘進(jìn)9環(huán)。可見(jiàn)巖面抗壓強(qiáng)度極高，刀具對(duì)巖層的比壓沒(méi)有產(chǎn)生有效裂紋，進(jìn)而影響掘進(jìn)效率。挖掘出來(lái)渣樣少有塊狀，大部分是粉狀，也證實(shí)了這一點(diǎn)。

采用準(zhǔn)確度高且在TBM上應(yīng)用廣泛的CSM模型，對(duì)巖層強(qiáng)度進(jìn)行推算，其公式如下：

式中，F(xiàn)v1為垂直力，C為無(wú)量綱系數(shù)，取2.12，Φ為滾刀接觸角，R0為滾刀刀圈半徑；T為刀圈刃寬；ψ為刀圈刃口壓力分布系數(shù)，一般取0.1；S為滾刀刀間距；σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度；σt為巖石單軸抗剪強(qiáng)度，取0.1σc。

將掘進(jìn)時(shí)的相應(yīng)參數(shù)，代入上述公式，推算出巖石的單軸抗壓強(qiáng)度在200～230MPa。至此，找到了貫入度低、滾刀消耗大的主要原因。針對(duì)這種情況，采取以下應(yīng)對(duì)措施：

（1）通過(guò)修改TBM操作系統(tǒng)，將掘進(jìn)最大推力增至115000kN。

（2）將刃口由R10變更為R8，刃寬降低約15%。

（3）提前更換刀具，降低刀盤(pán)上刀具的平均刃寬。

在4月11日一次性更換17把刃口為R8的窄刃刀具，截至12日上午，貫入度未有明顯的改善。4月12日中午將推力提高10%后，貫入度變?yōu)?～6mm/rev，即使在極硬地層平均也可達(dá)3～4mm/rev（圖2、圖3）。在采取相關(guān)措施后，滾刀對(duì)巖層的比壓增大20%～25%，超過(guò)巖層的開(kāi)裂強(qiáng)度，產(chǎn)生了有效碎裂，調(diào)整后單刀圈的破巖量也大大的提高。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)本文的刀具試驗(yàn)、長(zhǎng)距離刀具的統(tǒng)計(jì)分析，得到以下結(jié)論：傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)中通過(guò)邊刀掘進(jìn)里程來(lái)判斷刀圈耐磨性是不準(zhǔn)確的，用總金屬消耗量來(lái)評(píng)價(jià)刀圈的耐用性更加準(zhǔn)確。目前，國(guó)內(nèi)TBM刀具具有較高性?xún)r(jià)比，能夠滿(mǎn)足大部分工況使用，但刀具的刃寬則需要根據(jù)圍巖情況及時(shí)調(diào)整，同時(shí)實(shí)時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，使巖層產(chǎn)生有效開(kāi)裂，進(jìn)而降低換刀量，提高經(jīng)濟(jì)性。