TBM的刀具改性與輔助破巖技術(shù)研究現(xiàn)狀

聶佳輝，吳志鑫，雷磊，鄭靖，周仲榮

TBM的刀具改性與輔助破巖技術(shù)研究現(xiàn)狀

聶佳輝，吳志鑫，雷磊，鄭靖*，周仲榮

（西南交通大學 材料先進技術(shù)教育部重點實驗室 摩擦學研究所，四川 成都 610031）

硬巖掘進機（TBM）主要依賴滾刀－巖石界面的滾壓作用進行隧道掘進作業(yè)，滾刀刀圈磨損嚴重、更換頻繁，嚴重影響TBM掘進效率。本文介紹了TBM滾刀破巖原理與典型失效形式；從滾刀材料改性和結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度歸納總結(jié)了TBM刀具改性的研究現(xiàn)狀，指出單純的滾刀改性優(yōu)化對TBM掘進效率的提升作用有限；進而介紹了水射流、超聲、激光和微波等外加物理場輔助破巖技術(shù)的研究進展；最后，從巖石力學性能化學弱化角度探討了輔助破巖技術(shù)的新思路。

TBM刀具；磨損；破巖效率；刀具改性；輔助破巖

TBM（Tunnel Boring Machines，硬巖掘進機）廣泛用于隧道施工。我國是隧道工程超級大國，地質(zhì)條件復雜，施工難度高。隨著川藏鐵路、深部資源開發(fā)、深地空間開發(fā)等國家“十三五”重大戰(zhàn)略工程的啟動，迫切需求高效率、高性能TBM，以提高隧道施工速度、降低成本。

TBM主要利用刀具與巖石之間的沖擊和摩擦作用誘發(fā)巖石塑性屈服和脆性破壞，從而實現(xiàn)巖石材料去除，進行掘進施工。TBM刀盤與破巖掌子面如圖1所示。由于巖石硬度高、磨蝕性強，TBM刀具在掘進過程中磨損嚴重、更換頻繁，導致掘進效率低、施工成本高[1-2]。據(jù)報道，在TBM掘進施工過程中，刀具消耗資金約占整個工程造價的20%～30%，刀具的檢查、更換和刀盤維護等作業(yè)時間約占整個工程施工時間的三分之一[3]。因此，實現(xiàn)TBM高效掘進的關(guān)鍵前提是有效提升刀具破巖效率和耐磨性能，延長刀具的服役壽命。

圖1 TBM刀盤與破巖掌子面

鑒于TBM掘進過程的本質(zhì)是巖－刀作用過程，因此，從刀具改性入手，通過提高刀具材料力學性能和優(yōu)化刀具結(jié)構(gòu)，可以改善刀具磨損嚴重、更換頻繁的問題，另一方面，從巖石力學性能弱化入手，采用高壓水射流、超聲振動等外加輔助措施來增加巖石內(nèi)部缺陷，使巖石更容易被破碎、去除，從而改善巖－刀界面受力狀況，也是降低刀具磨損、提升破巖效率的有效途徑。

本文在介紹TBM刀具破巖原理和失效形式的基礎(chǔ)上，綜述了TBM的刀具改性與輔助破巖技術(shù)的研究現(xiàn)狀。

1 TBM刀具破巖原理與失效形式

1.1 破巖原理

TBM主要依賴滾刀的滾壓破巖行為進行隧道掘進作業(yè)，掘進速度和掘進成本與滾刀的破巖效率和耐磨性能密切相關(guān)。如圖2所示，滾刀在推進力的作用下接觸并貫入巖石，隨著刀盤轉(zhuǎn)動，滾刀同時發(fā)生自轉(zhuǎn)；一旦作用應力超過巖石斷裂極限，則巖石表面發(fā)生破碎[4-5]。

圖2 滾刀破巖示意圖

破巖過程分為四個階段：彈塑性壓縮階段、密實核形成階段、徑向裂紋形成階段和裂紋貫通及片裂破壞階段[6-7]。在初始彈塑性壓縮階段，接觸區(qū)巖石首先以彈性變形為主，隨后逐漸產(chǎn)生不可逆的塑形變形。隨著推進力的增大，滾刀下方的巖石由于高度應力集中產(chǎn)生大量微裂紋、碎化成粒徑極小的巖屑，進而被滾刀壓實、形成密實核。高度壓實的密實核將載荷傳遞至周圍巖石，使得塑性區(qū)范圍逐漸擴大，并沿密實核邊界的切線方向產(chǎn)生拉應力，導致周圍巖石萌生裂紋。隨著滾刀推進力及貫入度的進一步增大，裂紋進入失穩(wěn)狀態(tài)并迅速擴展，向自由面擴展的部分徑向裂紋導致巖石發(fā)生片裂破壞，向縱深擴展的部分徑向裂紋則形成中間主裂紋。當存在多把相鄰滾刀共同作用時，徑向裂紋擴展貫通，形成較大的片狀碎屑剝落。在TBM施工過程中，滾刀破巖是擠壓破巖、剪切破巖、張拉破巖等多種破壞機理的綜合體現(xiàn)。

1.2 TBM滾刀失效形式

滾刀由刀圈、刀體、軸承等零部件組成，其中刀圈[10]是破碎巖體、實現(xiàn)掘進的關(guān)鍵零部件。在破巖過程中，刀圈在推進力的作用下直接作用于高磨蝕性的巖石表面，發(fā)生重載沖擊磨粒磨損[1-2]。如圖3所示，滾刀刀圈的失效形式主要分為均勻磨損、偏磨、崩刃和多邊形磨損[11-12]。

（1）刀圈均勻磨損：當滾刀刀圈周邊各處的磨損程度相近時，稱為均勻磨損。這種磨損是刀具失效的主要形式，約占75%～90%[13]。

（2）刀圈偏磨：是指滾刀刀圈各個位置的磨損程度不一致，通常表現(xiàn)為沿著刀圈外圓的一條或幾條弦形成磨損，也稱為非均勻磨損。造成滾刀偏磨的主要原因是滾刀設(shè)定的啟動扭矩過大。

（3）刀圈崩刃：指刀圈開裂或崩角。主要原因是TBM施工時，大塊巖石掉落與刀圈發(fā)生碰撞或巖石硬度變化較大，造成刀圈局部過載。

（4）刀圈多邊形磨損：在復合地層掘進時，滾刀難以連續(xù)轉(zhuǎn)動，就會導致刀圈發(fā)生多邊形磨損。

針對巖石硬度高、磨蝕性強導致TBM刀具磨損嚴重、掘進效率低的問題，現(xiàn)有研究主要從刀圈材料改性、刀圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化和外加輔助場破巖三個方面進行改進。

圖3 TBM滾刀示意圖和刀圈失效形式

2 TBM刀具改性

2.1 滾刀刀圈材料改性

滾刀刀圈作為TBM掘進中與巖石直接接觸的零部件，其材料性能直接影響TBM的掘進效率與施工成本。針對TBM滾刀高磨蝕性、強沖擊的服役環(huán)境，國內(nèi)外研究主要集中于開發(fā)高硬度、高韌性的新型TBM刀圈材料[16-17]。

國外在刀具材料的研究與應用領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，但關(guān)鍵技術(shù)大多保密，相關(guān)報道極少。目前，工程常用TBM刀具多為美國Robbins公司，德國Wirth公司、Herrenknecht AG公司、CTS公司以及意大利Palmieri SPA公司等的產(chǎn)品，其中，Robbins滾刀和Wirth滾刀性能優(yōu)越，在TBM施工中應用最為廣泛。Robbins滾刀采用特定熱處理工藝優(yōu)化后的低合金高強度鋼作為刀圈材料，材料組織成分以回火馬氏體為主，強度和韌性較高[17]；Wirth滾刀采用熱作模具鋼作為刀圈基體材料，通過熱處理得到回火托氏體，基體材料中彌散分布著大量MC型和MbC型細小碳化物，刀圈的硬度和耐磨性均較高[18]。

國內(nèi)的TBM刀圈材料經(jīng)過科研院所和相關(guān)工程單位的技術(shù)攻關(guān)，目前已接近國際水平。2011年，河冶科技、燕山大學等單位[19]合作優(yōu)化了滾刀刀圈常用材料H13，開發(fā)出滾刀刀圈專用鋼H13E，并形成了成熟的刀圈坯生產(chǎn)工藝。2013年，李仕宏等[20]對三種TBM滾刀刀圈常用材料在不同熱處理工藝條件下的組織結(jié)構(gòu)、沖擊韌性、硬度、耐磨性等特性進行了分析，為不同地質(zhì)條件下TBM施工選擇合適的刀圈材料及最優(yōu)的熱處理工藝提供了依據(jù)。同年，張忠健等[21]研究發(fā)現(xiàn)，當熱處理工藝相同時，刀圈材料的硬度和耐磨性與其含碳量成正比，并制備出具有良好沖擊韌性和耐磨性的硬質(zhì)合金，可用于制作刀圈合金齒，提升刀圈耐磨性。

綜上，目前TBM滾刀刀圈材料硬度基本滿足使用需求，然而，刀圈材料韌性方面的改進還不夠充分，幾乎沒有高硬度且韌性好的刀圈材料問世，刀圈材料的綜合力學性能亟待提升。

2.2 滾刀刀圈結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（1）盤形滾刀刀圈結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

現(xiàn)階段，TBM掘進施工中應用最多的是盤形滾刀，如圖4（a）所示。盤形滾刀問世至今，研究人員一直致力于刀圈構(gòu)型的設(shè)計優(yōu)化，先后經(jīng)歷了尖楔形截面刀圈、楔形截面刀圈和近似常截面刀圈三種截面類型[22]。現(xiàn)有TBM多采用近似常截面滾刀刀圈進行破巖作業(yè)，這是因為近似常截面滾刀在掘進過程中，截面尺寸基本不變，從而保證TBM掘進工況的穩(wěn)定性。

目前，相關(guān)研究主要通過改變盤形滾刀的刀圈直徑、刀刃角和刀尖圓弧半徑（或刀尖寬度）等幾何參數(shù)對盤形滾刀進行優(yōu)化設(shè)計[23]。Teale[24]對不同刀刃角的系列滾刀進行了破巖試驗，發(fā)現(xiàn)刀圈所受側(cè)向力隨著刀刃角的減小而增大，但刀刃角減小會導致刀圈剛度下降，加劇刀具破壞，因此，應該根據(jù)不同地質(zhì)條件合理設(shè)計刀刃角。薛靜等[25]利用有限元軟件建立盤形滾刀破巖過程模型，分析盤形滾刀幾何參數(shù)和工作參數(shù)等對破巖的影響規(guī)律，結(jié)果表明，刀刃角的影響較大，刀刃寬度的影響較小，切削速度的影響大于切削深度。孫偉等[26]利用離散元軟件建立雙滾刀線性切削巖石三維離散元模型，發(fā)現(xiàn)刃寬對滾刀受力及破巖量的影響大于刃角，并建立了刀圈結(jié)構(gòu)參數(shù)與破巖效率的映射關(guān)系。Roby等[27]提出可以通過增大刀刃寬度與刀圈直徑來增加滾刀刀圈的可磨損量，進而減少換刀次數(shù)，但刀圈寬度增加會影響滾刀對巖石的貫入度，從而對破巖產(chǎn)生不利影響。

總的來說，盤形滾刀刀圈對地層的適應范圍較廣，但受自身結(jié)構(gòu)的限制，通過優(yōu)化刀圈結(jié)構(gòu)參數(shù)，盤形滾刀的耐磨性能和破巖效果提升有限。

（2）鑲齒滾刀

鑲齒滾刀大多是在盤形滾刀刀圈上鑲嵌硬質(zhì)合金“齒凸”制備而成，如圖4（b）（c）所示。鑲齒滾刀的破巖效率優(yōu)于盤形滾刀，刀圈在掘進中不易磨損，且刀圈的凹凸不平作用能增加掌子面巖土對滾刀的主動轉(zhuǎn)矩、減少滾刀偏磨發(fā)生的幾率，從而使盾構(gòu)掘進的長距離換刀成為可能，降低施工成本。譚青等[28]采用數(shù)值仿真分析球齒滾刀侵入砂石的過程，試驗模擬裂紋的萌生與擴展，研究了球齒滾刀在淺地層的破巖機制。2018年，吳帆等[29]在自主設(shè)計開發(fā)的機械破巖試驗機上，選用球齒滾刀對花崗巖進行旋轉(zhuǎn)破巖試驗，對破巖過程、貫入度、裂紋分布、破碎塊度分布等進行分析，探討了球齒滾刀破巖機理與破巖效率的影響因素。

需要指出的是，盡管鑲齒刀圈有鑲球頭齒刀圈、平頭齒刀圈以及鑲齒焊敷刀圈等多個品種[30]，但其地層適應性不強，在堅硬巖石地層施工時易發(fā)生鑲齒崩裂。目前鑲齒滾刀多用于軟巖掘進，在TBM上的應用較少。

3 輔助破巖技術(shù)

巖石的高硬度和強磨蝕性是TBM掘進效率低、刀具磨損嚴重的主要誘因。巖石是非均質(zhì)脆性材料，內(nèi)部存在大量的微裂紋、孔隙、節(jié)理、裂隙等缺陷，其破碎和摩擦去除主要受巖體內(nèi)部缺陷控制[31]。因此，通過輔助手段在巖石表面產(chǎn)生外加應力場或熱場，誘發(fā)或增加巖石表面的結(jié)構(gòu)缺陷，可以有效弱化巖石力學性能，降低巖石磨蝕性，進而減輕刀具磨損、提高破巖效率。目前，輔助破巖技術(shù)涉及高壓水射流、超聲振動、激光和微波等。

3.1 高壓水射流

1965年，F(xiàn)armer等[32]首次提出可以利用連續(xù)不斷的高速水射流破碎巖石。高壓水射流輔助破巖是利用“水錘效應”多次沖擊巖石表面，誘發(fā)巖石內(nèi)部裂紋萌生與擴展，導致巖石大范圍破壞[33]，如圖5所示。水射流輔助破巖系統(tǒng)由高壓泵、噴嘴和介質(zhì)輸送系統(tǒng)等組成，其輔助破巖效果與噴射參數(shù)（噴射壓力、噴射速度和噴射體積等）和巖石強度密切相關(guān)[34]。

圖4 TBM滾刀

圖5 水射流輔助破巖示意圖和現(xiàn)場施工圖

高壓水射流分為純水射流、磨料射流、空化射流和脈沖射流等類型[36]。純水射流的工作介質(zhì)是水，主要利用高速水流沖擊破碎巖石。磨料射流是在純水射流中加入一定數(shù)量的磨料顆粒。磨料密度較大，能夠集中射流動能，增強對巖石的磨削和沖擊作用?？栈淞魇菍⑺淞骷夹g(shù)與空化現(xiàn)象相結(jié)合，借助空泡破裂時產(chǎn)生的強大沖擊力來增強射流的破巖效果。脈沖射流是將水射流以脈沖的形式作用于巖石上，形成類似炮彈的水團，充分利用水錘效應來增大水射流對巖石的作用力。

Wang等[37]對比研究了傳統(tǒng)TBM破巖和高壓水射流輔助TBM破巖的掘進效率，發(fā)現(xiàn)水射流輔助TBM破巖技術(shù)的掘進效率提高了40%～48%，施工成本降低了14%～24%。中鐵工程裝備集團有限公司[38]研究發(fā)現(xiàn)，花崗巖表面經(jīng)240 MPa壓力的水射流持續(xù)切割3 min后，切削深度達到11 mm，該公司預測，在水射流作用下，TBM刀盤推進力和刀具磨損量可以減少30%～40%，并設(shè)計制造了配有高壓水射流裝置的TBM。Zhang[39]研究了水射流噴射壓力、噴嘴直徑和噴嘴移動速度等水射流參數(shù)對滾刀破巖載荷和破巖效率的影響，結(jié)果表明，高壓水射流可以在花崗巖上產(chǎn)生滾刀破巖所需的規(guī)則切縫，能使?jié)L刀破巖所需的載荷降低約40%，從而顯著提高破巖效率。Fenn[40]通過一系列測試來評估水射流與滾動切割機聯(lián)合使用的效果，以確定噴射和切割參數(shù)對破巖效率的影響規(guī)律，研究發(fā)現(xiàn)，在5～40 MPa的壓力下使用水射流，可以使刀具在硬巖表面掘進所需的切割力降低40%。黃飛等[41]利用有限元方法，模擬了水射流破碎砂巖的過程，分析了應力波在巖石內(nèi)的傳播規(guī)律和巖石裂紋的產(chǎn)生過程，研究發(fā)現(xiàn)，當水射流速度大于72 m/s時，砂巖表面開始出現(xiàn)破碎坑和環(huán)形裂紋，當射流速度為300～700 m/s時，砂巖受到徑向拉應力作用，產(chǎn)生大量的橫向裂紋并發(fā)生破碎，當射流速度大于700 m/s時，砂巖產(chǎn)生的橫向裂紋減少，其破壞形式以劈裂剪切方式為主?？涤碌萚42]將力學分析與試驗模擬相結(jié)合，研究了磨料射流沖蝕深度與刀具破巖能力之間的關(guān)系，結(jié)果表明，隨著沖蝕深度的增加，刀具的破巖效率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這表明磨料射流存在一個最優(yōu)的沖蝕深度，在同等推力與扭矩下，磨料射流可以將刀具掘進效率提高63.4%。朱團輝等[43]利用正交試驗研究了水射流壓力、噴嘴直徑和移動速度對刀具破巖深度與寬度的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)高壓水射流輔助TBM破巖時，適當減少沖射角以增大水射流切深，可以在低水射流能耗下增加滾刀貫入度，從而降低刀具破巖功率，提高刀具破巖效率。

高壓水射流輔助破巖能顯著降低TBM刀具磨損、提高掘進效率，但高壓泵長時間工作存在安全隱患。此外，水射流輔助破巖機制目前尚不清楚，只能通過加大壓力與噴嘴數(shù)量來提高破巖效率，能量消耗大[34]。

3.2 超聲振動

1940年左右，Barkan[44]首次提出將聲波鉆進法引入地質(zhì)勘探鉆井，隨后又對聲波鉆井破巖技術(shù)進行了研究。超聲波是頻率大于20 kHz的高頻率聲波，能以機械振動的方式在介質(zhì)中傳播能量，具有方向性好、能量高且集中、穿透效果好、易于產(chǎn)生和接收等優(yōu)點[45]。硬巖固有頻率多為20～40 kHz[46]，因此，超聲振動輔助破巖技術(shù)通過施加與巖石固有頻率相近的超聲振動，誘發(fā)巖石內(nèi)部產(chǎn)生損傷，降低巖石的破碎難度，從而提高TBM刀具的破巖效率[47]。

Zhao等[48]利用熱紅外無損檢測技術(shù)研究了超聲波振動作用下巖石的損傷特性，發(fā)現(xiàn)巖石的破壞過程分為彈性變形、微裂紋與屈服、宏觀裂紋與破壞三個階段。黃家根等[49]提出超聲波激勵下的沖擊鉆進破巖概念，并建立了高頻沖擊鉆進模型。Fernando等[50]選用三種巖石進行旋轉(zhuǎn)超聲破巖試驗，發(fā)現(xiàn)超聲振動可以顯著提高巖石的去除效率。楊威等[51]分析了巖石共振機理及巖石裂隙擴張理論，提出當超聲波激勵施加的能量大于巖塊阻尼損失的能量時，巖塊發(fā)生破碎。田仲喜等[52]利用有限元方法模擬超聲波激勵下巖石的響應特征，結(jié)果表明，巖石尺寸越大，受超聲波激勵后產(chǎn)生的應變越小。韓君鵬等[53]采用離散元軟件模擬超聲振動輔助滾刀破巖的過程，研究發(fā)現(xiàn)，超聲振動能夠產(chǎn)生周期性應力波并向巖石內(nèi)部傳播，在巖石的近表面區(qū)域出現(xiàn)較強的拉應力，加速巖石的裂紋萌生與擴展，顯著提高滾刀的破巖效率，另外還發(fā)現(xiàn)，超聲振動輔助破巖時，巖石表面的裂紋生成更加平穩(wěn)，躍進式破碎現(xiàn)象減少，這可以有效避免劇烈振動，降低滾刀在破巖過程中的沖擊損壞。

需要指出的是，超聲波輔助破巖技術(shù)的研究還不夠深入，在實際工程領(lǐng)域應用上尚存在諸多難題，目前并未應用于TBM掘進施工。

3.3 激光

1968年，Moavenzadeh等[54]首次提出利用激光破碎巖石。激光是一種單色性和方向性極好、亮度極高、相干性極強的受激輻射光源，可以通過聚焦獲得高密度能量，瞬間熔化、甚至蒸發(fā)固體材料[55]。激光破巖是非接觸式破巖，照射在巖石表面的激光光能轉(zhuǎn)換成熱能在巖石內(nèi)部傳導，高熱導致巖石迅速升溫，巖石的物理性能和力學性能發(fā)生變化。

激光破巖[56-57]有熱破碎、熔化和氣化三種方式。當巖石受激光輻射時，由于表面結(jié)構(gòu)和礦物組成不同，巖石內(nèi)部會產(chǎn)生不均衡的應力，一旦該應力超過巖石強度極限，巖石就會發(fā)生熱破碎；只有當溫度超過巖石熔點時，巖石才會發(fā)生熔化和汽化。因此，巖石熱破碎需要的能量比熔化和汽化需要的能量低得多[58-59]。激光輔助破巖效果與激光參數(shù)（波長、光束直徑、輸送方式、輻照時間等）和巖石特性（導熱性能、孔隙率、介電性能、機械強度等）密切相關(guān)[33]。

Ramezanzadeh等[60]對激光處理過的花崗巖進行TBM掘進作業(yè)試驗，發(fā)現(xiàn)激光輔助破巖技術(shù)能夠顯著提高掘進效率。易先中等[61]根據(jù)能量守恒原理，得到激光破巖的傳熱方程，并建立了激光破巖溫度場分析模型，研究表明，激光破巖速度主要與激光光束平均功率密度和巖石材料的熱物理性能有關(guān)。Xu等[62]研究了激光光束尺寸、功率、重復率、脈沖寬度、曝光時間和能量對巖石去除的影響，篩選獲取了不同種類巖石的最佳激光去除參數(shù)。李美艷等[63]研究了激光處理后花崗巖和砂巖的成分、結(jié)構(gòu)以及抗鉆特性的變化，發(fā)現(xiàn)花崗巖表面發(fā)生了熱應力破碎，抗鉆性顯著下降，而砂巖表面并無明顯裂紋產(chǎn)生，抗鉆性無明顯變化。牟海維等[64]分析了激光照射時巖石內(nèi)部溫度場的分布情況，并用數(shù)值模擬方法研究巖石內(nèi)部有無內(nèi)含物時的熱應力分布情況，結(jié)果表明，同一激光光束作用相同時間，有內(nèi)含物的巖石碎裂的可能性更大。孫嘉楠等[58]采用激光線性掃描和定點照射相結(jié)合的方法，分析不同功率密度激光照射后花崗巖表面的破碎效果，確定了花崗巖發(fā)生熱破碎而不熔化的激光功率范圍。

激光輔助破巖具有高效、適用范圍廣等優(yōu)點，但激光系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換率低、成本高、易受施工環(huán)境干擾（水分、灰塵和高溫等）。激光輔助破巖技術(shù)目前還處于室內(nèi)試驗和理論探索階段[33]。鑒于激光輔助破巖技術(shù)涉及多因素多物理場的耦合作用，如何協(xié)調(diào)多因素之間的共同作用來提高刀具破巖效率，是激光輔助破巖技術(shù)的發(fā)展趨勢。

3.4 微波

微波輔助機械破巖是微波加熱技術(shù)和機械破巖技術(shù)相結(jié)合的一種混合型破巖方法，如圖6所示。

圖6 微波輔助破巖示意圖[70]

微波是頻率處于300 MHz～300 GHz的電磁波，波長在1 mm～1 m。一般情況下，微波可分為米波、厘米波和毫米波[65]。微波輔助破巖時，微波能在巖石內(nèi)部轉(zhuǎn)化成熱能。由于巖石中各種礦物組分吸收微波的能力和熱膨脹系數(shù)各不相同，因此，在微波作用下，巖石內(nèi)部會產(chǎn)生較強的內(nèi)應力，誘發(fā)沿晶斷裂和穿晶斷裂等破壞[66-67]。研究表明，微波能顯著降低巖石的點荷載強度、單軸抗壓強度和抗拉強度等力學特性[68-69]。巖石的單軸抗壓強度和抗拉強度是影響TBM盤形滾刀壽命和刀具侵入巖石深度的重要參數(shù)。因此，微波加熱技術(shù)和TBM掘進技術(shù)相結(jié)合，通過微波快速加熱巖石，降低巖石的單軸抗壓強度和抗拉強度，能有效降低TBM破巖過程中的刀具磨損，提高巖石破碎效率。影響微波輔助破巖效果的因素主要包括巖石尺寸、巖石礦物成分、巖石中的水含量、礦物結(jié)構(gòu)以及微波參數(shù)等。

Gushchin等[71]研制微波－機械聯(lián)合破巖設(shè)備并進行了掘進試驗，結(jié)果表明，微波－機械聯(lián)合破巖技術(shù)可將TBM掘進速度從0.2 m/h提升到0.7～0.8 m/h。Protasov等[72]開發(fā)了380 kW微波功率的微波－機械聯(lián)合破巖設(shè)備，掘進速度提高約2.5倍，刀具磨損量減少約60%。Koiw等[73]使用微波系統(tǒng)，將花崗巖在27 kW功率下處理12 min和在19 kW功率下處理30 min，可以發(fā)現(xiàn)花崗巖上出現(xiàn)了凹坑和20 cm的裂縫。Sikong等[74]研究發(fā)現(xiàn)使用1 kW微波輻照花崗巖30 min，花崗巖抗壓強度降低約40%。Jones等[75]建立了黃鐵礦/方解石系統(tǒng)的準靜態(tài)熱力學數(shù)值模型，對比研究了連續(xù)微波和脈沖微波對巖石力學性能的影響，發(fā)現(xiàn)脈沖微波處理能更有效地弱化巖石力學性能。周科平等[76]采用核磁共振技術(shù)，研究不同微波功率作用下紅砂巖孔隙結(jié)構(gòu)的演化特性，并利用超聲波波速測試與巖石力學強度測試等手段，對核磁共振結(jié)果進行驗證，結(jié)果表明，微波作用會導致紅砂巖內(nèi)部孔隙度增大、巖石單軸抗壓強度減小。

微波輔助破巖具有及時性、加熱溫度易于控制等特點，但能耗巨大，目前尚未應用于TBM掘進施工。

4 結(jié)束語

TBM由于施工的安全性、經(jīng)濟性和高效性，廣泛應用于隧道施工。早期研究主要基于TBM滾刀的破巖原理和磨損失效機制，對滾刀材料和刀圈結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，提升滾刀的耐磨性和破巖效率，延長滾刀服役壽命。TBM的巖－刀作用工況要求滾刀刀圈兼具耐磨性和沖擊韌性?，F(xiàn)階段，刀圈材料改性研究主要通過增加刀圈材料的硬度來提升滾刀耐磨性，這在一定程度上會導致刀圈韌性降低，造成局部崩刃。盤形滾刀由于地質(zhì)適應性強，在TBM施工中得到廣泛應用，通過刀圈結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化可以在一定程度上改善盤形滾刀在高磨蝕性掘進工況下的服役穩(wěn)定性，然而受自身結(jié)構(gòu)限制，盤形滾刀的破巖效率很難得到顯著提升。鑲齒滾刀的破巖效率和耐磨性通常優(yōu)于盤形滾刀，然而，現(xiàn)有鑲齒滾刀的刀圈拓撲結(jié)構(gòu)簡單、地層適應性不強，在硬巖巖石地層施工時易發(fā)生鑲齒崩裂，目前多用于軟巖掘進施工。

鑒于巖石的破碎與去除主要受巖體內(nèi)部缺陷控制，因此，通過外加應力場或熱場弱化巖石的力學性能是解決硬巖破碎困難、掘進效率低的有效途徑之一。隨著高壓水射流、超聲、激光和微波等諸多高效破巖理論的完善，相應的輔助破巖技術(shù)得到了極大發(fā)展。值得注意的是，這些技術(shù)均是通過附加裝置在巖石表面產(chǎn)生外加應力場或熱場，不僅能耗巨大，而且附加裝置與TBM裝備的耦合設(shè)計難度較大，因此，雖然多數(shù)技術(shù)在20世紀60、70年代就被證實能有效降低刀具磨損、提高破巖效率，但迄今僅有高壓水射流應用于TBM輔助破巖。

另外，巖石是礦物顆粒的集合體，酸蝕溶解、水化等化學作用會導致巖石微觀結(jié)構(gòu)改變、內(nèi)部缺陷增多，使得巖石力學性能劣化，從而降低巖石的破碎難度、促進巖石材料摩擦去除。據(jù)報道，硫酸、鹽酸等無機強酸對巖石具有明顯溶蝕作用，可使巖石力學性能顯著下降[77-79]。然而，無機強酸會嚴重腐蝕設(shè)備、污染環(huán)境，且存在安全隱患，已有研究幾乎不涉及TBM掘進施工。對掘進施工來說，相比高壓水射流等物理輔助手段，利用化學作用促進巖石材料高效去除更加經(jīng)濟、低耗。因此，非常有必要探索適用于TBM掘進施工的化學輔助破巖技術(shù)。

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Review on the Modification and Assistant Rock Breaking Techniques of TBM Cutters

NIE Jiahui，WU Zhixin，LEI Lei，ZHENG Jing，ZHOU Zhongrong

(Tribology Research Institute, Key Laboratory of Advanced Technologies of Materials, Ministry of Education, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The tunneling excavation of tunnel boring machines (TBM) mainly relies on the rolling and penetration actions of cutters on rock surface. Due to high hardness and abrasiveness of rock material, serious wear and frequent replacement of cutter rings leads to low efficiency of tunneling. In this paper, main rock breaking mechanisms and typical failure modes of TBM cutters, as well as the modification of cutter material and structure were reviewed and the limitations were pointed out. The research situation of assistant rock breaking techniques including water jet, ultrasound, laser, and microwave was also presented. Finally, a new idea of assistant rock breaking technology was discussed from the perspective of chemical weakening of rock mechanical properties.

TBM cutter；wear；rock breaking efficiency；modification of cutter；assistant rock breaking

TH117.1

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.12.001

1006-0316 (2021) 12-0001-11

2021-05-06

四川省國際科技創(chuàng)新合作/港澳臺科技創(chuàng)新合作項目：基于天然牙表面拓撲結(jié)構(gòu)的TBM刀具耐磨仿生設(shè)計研究（2020YFH0018）；中鐵工程服務(wù)有限公司技術(shù)開發(fā)項目：盾構(gòu)刀盤刀具評價體系及摩擦學優(yōu)化設(shè)計（LR01HX1102Y19044）

聶佳輝（1996－），男，湖北天門人，碩士研究生，主要研究方向為仿生摩擦學，E-mail：350065885@qq.com。*通訊作者：鄭靖（1974－），女，河南南陽人，博士，研究員，主要研究方向為生物與仿生摩擦學，E-mail：jzheng168@home.swjtu.edu.cn。