復雜地質(zhì)條件下TBM刀具失效形式及原因分析與應對措施

馮歡歡， 王樹英， 楊露偉， 楊延棟， 王文超， 夏 明

(1. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458； 2. 中南大學土木工程學院， 湖南 長沙 410075； 3. 盾構(gòu)及掘進技術(shù)國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001； 4. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

0 引言

刀具作為巖石隧道掘進機(TBM)破巖的核心工具，其性能優(yōu)劣及選型是否合理直接關系到TBM施工效率，也影響工程項目的經(jīng)濟成本[1-2]。據(jù)統(tǒng)計，復雜地質(zhì)條件下因檢查及更換刀具造成的TBM停機時間、刀具消耗費用，分別約占TBM施工總時間及成本的15%、30%[3]，分析刀具失效形式及原因，從刀具選型、掘進參數(shù)控制等方面研究優(yōu)化措施顯得尤為重要。

段志偉等[4]基于新疆EN隧洞工程，開展了不同圍巖條件下國產(chǎn)刀具性能現(xiàn)場測試，得出滾刀在泥灰?guī)r地層的磨損速率是閃長巖和花崗巖的1/8；武志鵬等[5]以越南某水電項目TBM施工為例，分析了刀具失效形式及損壞原因，提出刀具磨損受刀具質(zhì)量、圍巖條件、施工環(huán)境等因素影響較大；閆長斌等[6]通過擬合分析刀具消耗數(shù)據(jù)，建立了基于不同圍巖和不同滾刀直徑條件下刀具消耗的預測方法，并在蘭州水源地輸水隧洞工程通過現(xiàn)場試驗進行了驗證；Farrokh等[7]基于多項TBM隧道工程案例，結(jié)合室內(nèi)滾刀磨蝕性試驗，研究分析了不同磨蝕性指數(shù)與刀具磨損量之間的定量關系；Yang等[8]通過理論公式模型推導和現(xiàn)場數(shù)據(jù)回歸分析，建立了刀具消耗評價方法和預測模型，得出刀具磨損速率與巖體完整性系數(shù)和巖石磨蝕性指標的乘積呈指數(shù)函數(shù)關系；夏明[9]通過引漢濟渭隧洞現(xiàn)場試驗，建立了TBM刀具選用方法和刀盤刀具修復方法；張凌等[10]通過分析TBM刀具失效原因，提出了刀具安裝結(jié)構(gòu)的改進方法；李金霖[11]以引漢濟渭秦嶺隧洞工程為例，分析了高磨蝕性硬巖地段TBM刀具消耗情況；李小玲[12]針對盾構(gòu)工程分析了刀具的失效形式，提出刀具管理和維修措施。上述對TBM刀具磨損評價與預測、刀具選用及修復等進行了研究，對于刀具選型優(yōu)化、消耗評估等具有一定的指導意義，但缺少對刀具不同失效形式及其影響因素的系統(tǒng)研究，難以為刀具優(yōu)化及管理措施的制定提供切實依據(jù)，仍有待結(jié)合更多的工程實踐數(shù)據(jù)，進行更深入的總結(jié)與分析。

本文依托引漢濟渭秦嶺隧洞、中天山隧道等工程，通過統(tǒng)計刀具在不同地質(zhì)條件下的消耗情況，分析刀具消耗的影響因素，進而分析刀具使用及管理方面存在的不足，并提出優(yōu)化建議，以期更好地解決刀具選型及管理問題，從而提高TBM施工效率、節(jié)約施工成本。

1 刀具常見失效形式

1.1 正常磨損

刀具進行破巖時，破巖效率與刀圈刃口寬度有關，隨著刀圈磨損量的增加，刃口寬度增加，粉碎區(qū)也逐漸增加，達到一定范圍時會影響掘進速度，此類情形下的磨損稱之為正常磨損。

1.2 弦磨

弦磨是指滾刀刀圈被磨成1條或幾條弦的現(xiàn)象，它是最常見的刀具異常磨損形式。造成刀圈弦磨的原因主要有： 1)刀圈自身質(zhì)量問題； 2)刀具軸承損壞不能轉(zhuǎn)動； 3)刀具裝配時刀具啟動轉(zhuǎn)矩設置不合適； 4)密封損壞導致刀具漏油，同時巖渣進入密封腔，導致軸承損壞； 5)滾刀與刀座之間空隙擠進入石塊，導致刀具卡死； 6)設備掘進時參數(shù)控制不當，造成軸承過載； 7)刀具軸承因過熱而出現(xiàn)抱死。

1.3 刀圈斷裂

在掘進過程中，刀圈斷裂的情況也時有發(fā)生。主要原因是： 1)因地質(zhì)條件突然變化或刀刃與圍巖間卡入異物，導致刀圈局部過載； 2)刀圈與刀體配合過盈量過大； 3)刀圈質(zhì)量問題； 4)刀盤啟轉(zhuǎn)時，推力過大或推進速度過快，刀具與巖石突然碰撞； 5)進行TBM掘進方向調(diào)整時，調(diào)整幅度過大。

1.4 刀具漏油

造成刀具漏油的原因很多，主要有： 1)刀具軸承或密封失效； 2)刀具修理時裝配不當或混入雜物； 3)刀盤噴水系統(tǒng)工作性能不足，導致軸承及潤滑油溫度過高； 4)由于地質(zhì)突變或人為操作不當?shù)仍颍斐傻毒哌^載，導致軸承滾子剝落，剝落的金屬碎片及顆粒造成密封失效； 5)刀具密封自身質(zhì)量問題。

2 刀具異常損壞影響因素

2.1 掘進參數(shù)對刀具異常損壞的影響分析

2.1.1 總推力

在軟弱圍巖或巖石強度較小的圍巖掘進，刀盤施加較小的總推力即可將巖石由掌子面破碎下來，刀具受荷載力較小，刀圈磨損較慢，滾刀軸承在低負荷狀態(tài)下使用壽命較長；同時，刀具正常運轉(zhuǎn)溫度較低，密封元件不易出現(xiàn)異常損壞。在巖石強度較高的圍巖掘進，刀盤需施加較大的總推力，才能將巖石由掌子面破下來，刀具所受荷載較大，刀圈磨損較快，尤其是邊刀區(qū)域磨損更加嚴重；滾刀軸承在高負荷狀態(tài)下運轉(zhuǎn)，使用壽命大幅度降低；刀具運轉(zhuǎn)溫度較高，潤滑油脂因高溫易失效，密封元件因老化斷裂失效。TBM在掘進施工時，隨著巖石強度的增大，刀盤將掌子面巖石破碎下來所需的總推力越大，刀具消耗越嚴重。

2.1.2 刀具貫入度

TBM在地質(zhì)條件相差不大且轉(zhuǎn)速相同的情況下掘進時，為取得較大的刀具貫入度，必須增大刀盤推力。隨著推力增大使刀具貫入度增加，即刀具受力增大，導致刀圈出現(xiàn)不同程度的塑性變形、卷刃、崩刃，加大了刀圈的磨損量；軸承載荷偏大甚至超載，出現(xiàn)大斑點狀點蝕、剝落掉塊等異常損壞。

2.1.3 刀盤轉(zhuǎn)速

TBM掘進過程中，為了提高掘進速度，通常采用提高刀具貫入度或刀盤轉(zhuǎn)速的方式來實現(xiàn)，刀具貫入度隨刀盤推力呈曲線性變化，當?shù)侗P推力達到額度推力時，只有提高刀盤轉(zhuǎn)速才能進一步提高掘進速度。刀盤轉(zhuǎn)速增大后，刀具單位時間內(nèi)自轉(zhuǎn)的線距離相應增加，首先，刀具轉(zhuǎn)速增快，刀圈易出現(xiàn)過載崩刃，增加刀具異常消耗量；其次，刀具溫度明顯提升，易出現(xiàn)密封失效、潤滑油脂失效等現(xiàn)象。

以引漢濟渭秦嶺隧洞工程為例： 1)TBM油缸推力控制在28～32 MPa，當?shù)毒哓炄攵葹? mm/r時，刀具異常損壞率為8.83%；當?shù)毒哓炄攵葹? mm/r時，刀具異常損壞率為12.22%。2)TBM貫入度控制在3～4 mm/r，當TBM油缸推力為26～28 MPa時，刀具異常損壞率為11.54%，當TBM油缸推力為28～32 MPa時，刀具異常損壞率為12.22%。由此可以看出，刀具異常損壞率與刀具貫入度、TBM推力均成正比關系，但由于造成刀具異常損壞的因素較多，很難精確分析某一因素的影響程度。在TBM施工過程中，需要綜合考慮不同掘進參數(shù)、地質(zhì)條件及刀具選型等對刀具異常損壞的影響，同時還應兼顧對TBM掘進效率的影響等方面。

2.2 地質(zhì)條件對刀具磨損的影響分析

基于引漢濟渭秦嶺隧洞某TBM區(qū)間實際刀具更換統(tǒng)計數(shù)據(jù)，通過對比不同條件下的刀具消耗量，來分析不同圍巖單軸抗壓強度及圍巖石英質(zhì)量分數(shù)對刀具磨損程度的影響關系。

2.2.1 圍巖單軸抗壓強度

當石英質(zhì)量分數(shù)一定時，以石英質(zhì)量分數(shù)70%的區(qū)段為例，圍巖強度-刀具消耗關系曲線如圖1所示。從圖中可以看出： 圍巖強度越高，刀具消耗量越大，即對刀具的磨損影響程度越大。

圖1 圍巖強度-刀具消耗關系曲線圖

2.2.2 圍巖石英質(zhì)量分數(shù)

當圍巖強度一定時，以圍巖強度為150 MPa的區(qū)段為例，石英質(zhì)量分數(shù)-刀具消耗曲線如圖2所示。從圖中可以看出： 刀具消耗量與石英質(zhì)量分數(shù)成正相關關系，且變化率逐漸增大。

圖2 石英質(zhì)量分數(shù)-刀具消耗曲線圖

結(jié)合工程統(tǒng)計數(shù)據(jù)及以上分析結(jié)果，繪制圍巖強度、石英質(zhì)量分數(shù)與刀具消耗之間的關系曲線如圖3所示。

由圖3可知，從整體上可以判斷圍巖強度、石英質(zhì)量分數(shù)與刀具消耗均近似線性關系，進而推導出不同工況下的刀具消耗情況如表1所示，為今后類似TBM工程施工過程中的刀具更換與管理提供參考。但刀具的消耗除此外還受多種因素影響，在某些特殊情況下(如遇掌子面塌方、巖爆等)，也會對刀具的消耗產(chǎn)生明顯影響。如K28～K29的第1個波峰： 該段為石英巖與花崗巖交接過渡段，掌子面巖石破碎，節(jié)理發(fā)育，刀具異常損壞較多，導致其與圍巖強度、石英質(zhì)量分數(shù)走向偏離。K34之后波峰： K33+860之后，隧洞埋深超過1 300 m，巖爆發(fā)生頻率較高，且以中等以上為主,偶爾發(fā)生強烈?guī)r爆，導致刀具消耗規(guī)律異常。

表1 不同圍巖強度不同石英質(zhì)量分數(shù)下刀具消耗情況

3 工程案例分析

3.1 中天山隧道

中天山隧道位于托克遜、和碩間中天山東段的嶺脊地區(qū)，是南疆鐵路增建吐魯番至庫爾勒段的控制性工程。隧道全長22 467 m，穿越地層主要為變質(zhì)砂巖、花崗巖、片巖夾大理巖等。進口段采用直徑8.8 m敞開式TBM施工，其中Ⅱ、Ⅲ級圍巖約占全隧長度的78.8%(見表2)。

表2 TBM段圍巖情況表

3.1.1 刀具消耗情況

3.1.1.1 整體消耗情況分析

TBM刀盤共配置有6把單刃中心刀、62把正滾刀、3把邊滾刀及2把雙刃擴孔刀，均采用43.18 cm(17英寸)盤型滾刀；另設置8個邊緣鏟斗、4個正面鏟斗(見圖4)。TBM施工過程中，共計更換正滾刀4 407把、邊滾刀445把、中心刀154把、擴孔刀32把。刀具更換原因統(tǒng)計情況見表3。

經(jīng)研究對比，中天山隧道TBM掘進參數(shù)控制基本合理，造成刀具異常消耗量較大的原因主要有2個方面： 1)TBM累計穿越4條花崗巖節(jié)理密集帶(合計長度超過600 m)、1條石英巖脈發(fā)育的砂巖夾片巖節(jié)理密集破碎帶，圍巖軟硬不均、節(jié)理十分發(fā)育，主應力方向與隧道軸線方向基本一致，大塊巖石塌落現(xiàn)象頻發(fā)，導致刀具被砸而出現(xiàn)崩刃；同時，由于大石塊卡滯，導致刀具無法轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生弦磨，并造成刀具螺栓失效、刀具漏油及其他形式的損壞。2)TBM穿越長度2 755 m的華力西期花崗巖復雜洞段，該段地質(zhì)情況異常復雜，掌子面及兩側(cè)洞壁巖爆、坍塌現(xiàn)象時有發(fā)生，在掌子面形成臺階及孤石，使得刀盤旋轉(zhuǎn)過程中與孤石頻繁沖擊，導致刀具異常損壞，刀具消耗成幾何級數(shù)增加。

圖4 刀具配置示意圖

表3 刀具更換原因統(tǒng)計情況

3.1.1.2 正、邊滾刀消耗情況

正、邊滾刀正常更換2 367把，占比48.8%；弦磨、漏油、刀圈斷裂等異常更換2 485把，占比51.2%。異常換刀對TBM掘進進度影響較大。

3.1.1.3 中心刀消耗情況

中心刀正常更換119把，占比77.4%;異常換刀35把，占比22.6%。

3.1.2 刀具失效形式分析

3.1.2.1 刀具磨損

刀具磨損占刀具失效近3/4，其中，正常磨損刀具占比48.8%。對這類換刀要統(tǒng)籌安排，批量進行更換，盡可能減少對掘進的影響。弦磨刀具約占失效刀具的25.1%，但及時發(fā)現(xiàn)刀具弦磨非常困難，弦磨刀一般只能拆解后進行全面檢測，才能準確判斷其故障原因。

3.1.2.2 刀具漏油

刀具漏油的情況也比較常見，占刀具失效的10%。

3.1.2.3 擋圈斷裂或脫落

擋圈脫落的情況在施工過程中時有發(fā)生，占總比的1.9%。造成該情況的主要原因是： 擋圈安裝不當或焊接不牢、擋圈被石塊砸斷或脫落等。

3.1.2.4 刀具螺栓松、掉、斷及飛刀等情況

刀具螺栓松、掉、斷及飛刀的現(xiàn)象也較明顯，占刀具失效的8.1%。造成刀具螺栓問題的原因主要有：刀具螺栓性能下降、刀具安裝不當、螺栓本身質(zhì)量問題、刀具螺栓預緊轉(zhuǎn)矩未達到規(guī)定等。

3.2 引漢濟渭隧洞

引漢濟渭工程秦嶺隧洞洞線長81.779 km，以其中位于秦嶺嶺脊高中山區(qū)及嶺南中低山區(qū)的某標段為例，該標段全長18.717 km，高程1 050～2 420 m，隧洞最大埋深約2 000 m，所穿越石英巖、花崗巖及閃長巖約占圍巖總量的75%以上，其中石英巖中的石英質(zhì)量分數(shù)最高達97%、花崗巖最高達30%、閃長巖最高達18%；標段最高巖石強度達320 MPa，采用直徑8.02 m敞開式TBM施工。主要采用43.18 cm(17英寸)中心滾刀、50.8 cm(20英寸)正滾刀及邊刀進行破巖。刀具布置情況如圖5所示。

圖5 刀具布置示意圖

3.2.1 刀具消耗情況分析

3.2.1.1 單刃滾刀消耗

TBM某施工段共計更換單刃滾刀5 961把，其中，正常磨損更換5 094把，占比85.46%；非正常損壞更換867把(見圖6)，占比14.54%。單刃滾刀失效原因統(tǒng)計如圖7所示。

(a)

(b)

圖7 單刃滾刀失效原因統(tǒng)計

3.2.1.2 中心刀消耗

TBM第1掘進段共計更換雙刃中心刀161把，正常更換60把，非正常損壞更換101把(見圖8)。

圖8 中心刀失效原因統(tǒng)計

3.2.1.3 鏟齒消耗

TBM第1掘進段共計更換鏟齒2 687塊，達到0.32塊/延米。鏟齒更換以正常磨損為主，占比91%；異常更換主要為受高強度巖體沖擊導致鏟齒螺栓斷裂、鏟齒掉落，占比9%。鏟齒消耗主要集中在刀盤過渡區(qū)域位置，由于該區(qū)域刀具磨損較快，造成該區(qū)域鏟齒更換量占比80%以上。

3.2.2 刀具失效形式分析

引漢濟渭第1掘進段異常磨損滾刀共計938把，其中，刀圈崩刃占比44%，偏磨占比32%，其他原因占比24%。具體分析如下。

1)引漢濟渭工程中巖爆頻發(fā)，巖爆引起巖石發(fā)生塌落，對滾刀產(chǎn)生強烈沖擊，進而導致刀圈崩刃、斷裂，這是造成刀圈崩刃損壞的主要因素。

選頰車、下關、四目、印堂、風池、翳風、地倉,艾絨中加入麝香、雄黃、乳香、當歸、冰片、沒藥、紅花、水蛭等藥物,增強艾條功用。每穴以雀啄法灸5min,皮膚潮紅為適宜,耳后部熱氣向面部傳導且面部有發(fā)熱感覺時療效更佳。1次/d,1療程10d,每個療程后休息1d,根據(jù)治療效果決定是不進入下一療程。施灸時注意力要集中,患者取舒適、自然體位,穴位精確,艾條與穴位距離有稍遠一些,避免燙傷皮膚,且不影響治療效果。施灸結(jié)束30min內(nèi),患者要避免外出或吹風受涼。

2)引起滾刀偏磨的原因較多，例如： ①過載沖擊使刀具軸承、刀體、刀圈損壞而未及時更換；②石塊擠入刀座與滾刀之間的空隙，導致刀具卡死；③密封損壞造成刀具漏油，同時巖渣進入密封腔，致使軸承損壞；④刀具裝配過程中啟動轉(zhuǎn)矩調(diào)整不當，使得刀具不能正常轉(zhuǎn)動。

3)除了以上崩刃、偏磨2個主要異常失效形式外，其他諸如螺栓松動或斷裂、端蓋移位、端蓋絲扣壞等也達到了24%的比例。其中，刀具固定螺栓的“松、掉、斷”是極硬巖地層TBM刀具使用與管理所面臨的技術(shù)難題之一。

4 應對措施分析

4.1 刀具選型

在滾刀易磨損地層，刀具的消耗以磨損為主，根據(jù)不同的地質(zhì)情況，應選用相對應的刀盤刀具配置，調(diào)整合適的刀間距避免巖面過度破碎形成刀具的二次磨損； 同時，增加施工時刀盤檢查頻次，做到提早發(fā)現(xiàn)、及時處理，避免因個別刀具出現(xiàn)磨損過快、崩刃等現(xiàn)象影響整盤刀具的正常運轉(zhuǎn)。在排除設備等外部原因?qū)е聺L刀磨損過快時，滾刀自身的配置尤為關鍵：

1)選擇合理的轉(zhuǎn)矩配置，在地質(zhì)情況發(fā)生變化時要相應調(diào)整刀具的轉(zhuǎn)矩，提高刀具壽命，防止因摩擦力不夠?qū)е碌毒咂ァ⑾夷ァ?/p>

2)選用高品質(zhì)浮動密封、軸承，確保在刀具運轉(zhuǎn)時不會因浮動密封、軸承失效而導致滾刀異常磨損。

3)選擇適用當前地質(zhì)情況的刀圈，如在掌子面圍巖坍塌掉塊較多的情況下采用加厚刀刃、刀圈采用中高頻梯度硬度處理提高韌性等措施；在巖層強度較高時則不宜采用刃口過寬的刀圈，否則會降低破巖效率加速刀圈的磨損。

在滾刀易磨損地層，刀圈新的工藝處理也能帶來很好的效果。如在刀圈上鑲嵌超硬合金，在巖層強度不高(≤40 MPa)的情況下能延長刀圈使用壽命，利用合金的高耐磨性實現(xiàn)刀具的耐磨性提升。

4.2 刀具檢查方法

4.2.1 刀具檢查頻次要求

1)刀具例行檢查標準： 根據(jù)TBM掘進速度(v)來制定刀具例行檢查頻率，v<2.6 m/h時，每掘進3個循環(huán)檢查1次； 2.6 m/h3 m/h時，每掘進5個循環(huán)檢查1次。

2)當出現(xiàn)主機振動大、刀盤內(nèi)有異響、刀盤轉(zhuǎn)矩或掘進推力異常增大等情況時，需立即停機對刀盤進行檢查。

3)刀具檢查人員觀察出渣皮帶時，如發(fā)現(xiàn)有長條形渣塊連續(xù)出現(xiàn)超過5 min，應停機檢查刀具。

4)皮帶上有刀具螺栓、刮板等物體時，需停機進行刀盤檢查。

4.2.2 刀具檢查主要內(nèi)容

1)刀盤清渣及清潔工作。

2)每20～30 m測量刀具的磨損量。中心刀及正滾刀的磨損極限值為38 mm，邊刀的磨損極限值為18 mm，出現(xiàn)特殊情況時應據(jù)實考慮每日檢查。

3)檢查刀具是否有弦磨、漏油、刀圈斷裂、刀圈移位、擋圈脫落，刀具螺栓是否松、斷、掉，并使用工具敲擊螺栓，判斷螺栓緊固狀況。

4)檢查刮板及刮板螺栓狀況。

5)檢查刀盤噴水系統(tǒng)是否完好。

4.3 更換刀具判斷標準

不同類型的換刀對應著不同的標準：

1)正常換刀。刀圈磨損到極限值，正滾刀、中心刀磨損到38 mm，邊滾刀磨損到18 mm。

2)非正常換刀。刀具弦磨、漏油、刀圈斷、刀圈移位5 mm以上。

3)調(diào)整高差的換刀。正滾刀相鄰刀具高差小于15 mm，邊刀高差小于5 mm。

4)成組更換刀具。中心刀成組更換時，必須更換1#正滾刀；更換邊刀同時更換55#～62#正滾刀。

4.4 更換刀具相關要求

1)刀具更換時，必須將刀具各個接觸面用角磨機打磨干凈，保證接觸面光滑無異物；托架與刀具的接觸面必須要用清水沖洗干凈，并用干凈棉布擦干后方可組裝，最后用扭力扳手擰緊到要求的力矩。

2)刀架與刀座一一對應，拆除的刀架重新安裝時要裝到原刀座。當?shù)都芑虻蹲枰鼡Q時，必須成套更換。

3)裝刀前需檢查刀座是否牢固，確保其不存在磨損或刀座螺栓斷裂等情況。緊固刀具螺栓應先用手帶入4～5個絲扣后，再用氣動扳手帶入，嚴禁直接用氣動扳手安裝螺栓；最后使用力矩扳手將螺栓緊固到位，螺栓緊固順序為對角緊固。

4)換刀人員要將刀座號、刀具更換的里程、刀盤工作時間、新裝刀體號、舊刀體號、新刀狀況及裝刀具的人員等信息，記在刀具更換記錄表中，并通報給主司機，予以記錄。

5 結(jié)論與建議

全斷面硬巖、斷層破碎帶等不同類型圍巖，所造成的TBM刀具破壞形式不盡相同；圍巖單軸抗壓強度、圍巖石英質(zhì)量分數(shù)等不同地質(zhì)參數(shù)，對刀具的影響程度不同；而不適宜的TBM掘進參數(shù)也會造成刀具的異常損壞，如總推力、刀盤轉(zhuǎn)速、刀具貫入度等。針對刀具不同類型的損耗，需準確分析原因，以采取針對性的處理措施，進而有效控制刀具消耗量，最終實現(xiàn)施工成本的降低、施工效率的提高。在做好刀具損壞原因分析及應對處理的基礎上，還應該從刀具配置技術(shù)及刀具狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)等方面加強研究，以減少刀具的異常損壞。具體結(jié)論與建議如下：

1)在不考慮掌子面塌方、巖爆等特殊情況對刀具異常損壞影響的前提下，圍巖強度、石英質(zhì)量分數(shù)與刀具消耗均近似成線性關系。

2)進一步研發(fā)刀間距可調(diào)的刀具配置技術(shù)。目前，關于TBM刀具配置設計，多是基于前期類似工程配置經(jīng)驗及施工效果進行類比設計，一旦刀具配置方式確定，后期施工中就不再改變，這樣便難以適應同一隧道不同地質(zhì)條件下的破巖需求。由于不同圍巖條件下的滾刀最優(yōu)破巖刀間距不同，目前只在室內(nèi)試驗平臺上實現(xiàn)了刀間距的可調(diào)，工程中尚未獲得應用，應進一步加強刀間距可調(diào)的刀盤刀具技術(shù)研究，以確保不同地質(zhì)條件下的TBM掘進效率。

3)加強新型刀具狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)及應用。目前，刀具狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在超大直徑盾構(gòu)常壓滾刀性能檢測方面有了較多的應用，但由于TBM裝備掘進過程中振動強烈、外界干擾大等不利因素影響，導致現(xiàn)有滾刀狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在TBM掘進過程中適應性較差、數(shù)據(jù)采集精度較低；另一方面，由于現(xiàn)場檢查TBM刀具狀態(tài)的條件相對便利，刀具狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)在TBM裝備上推廣應用極少。同時，在裝備無人化、信息化、智能化等發(fā)展趨勢的推動下，人工對刀具狀態(tài)進行不定時的檢查將難以滿足，有必要對刀具狀態(tài)進行實時掌握并提前預測其運行狀態(tài)，在超聲波探測法、電氣法等現(xiàn)有刀具狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上，進一步研發(fā)出能夠?qū)BM工作環(huán)境具有較強適應性的新型監(jiān)測系統(tǒng)尤為迫切。