TBM 滾刀磨損研究現(xiàn)狀及展望

黃 丹 馬 昊 楊小聰 李玉選 鄭志杰

（1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.國家金屬礦綠色開采國際聯(lián)合研究中心，北京 102628）

0 引言

隨著大量中西部山區(qū)交通、水利基礎設施規(guī)劃和實施，一批大型水資源開發(fā)及跨區(qū)域調(diào)配工程相繼開工，礦產(chǎn)資源開發(fā)向深部進軍，需要建設大量的深長隧道，其面臨的地質(zhì)條件越來越復雜，對工期和成本的控制要求越來越嚴格，因此對施工技術和施工管理水平的要求也越來越高。

目前國內(nèi)深長隧道的施工主要采用鉆爆法和全斷面隧道掘進機（Tunnel Boring Machine，TBM）工法。得益于機械裝備制造水平和世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，近15 年內(nèi)TBM 廣泛應用于我國水利、交通和礦山工程。國內(nèi)外工程經(jīng)驗表明，TBM 的掘進速度可達鉆爆法的3～10 倍[1]，且超挖量小、成洞質(zhì)量高。

TBM 依靠刀盤的轉(zhuǎn)動和推進帶動刀盤上的滾刀貫入和切削巖石從而實現(xiàn)破巖掘進。當巖石較硬時，滾刀在破巖過程中會承受很高的巖石作用力，巖石對滾刀產(chǎn)生強烈的磨蝕效應，導致滾刀刀刃不斷變寬，與巖石的接觸面積不斷變大，直至改變原有的滾刀破巖方式。因此，在刀盤推力不變的情況下，滾刀的磨損大大降低TBM 的掘進效率。當滾刀磨損量超過允許值時，就必須更換新的滾刀，否則會加劇該滾刀和相鄰滾刀的磨損、造成刀圈崩壞、脫落和軸承漏油。滾刀磨損會顯著增加掘進成本，據(jù)統(tǒng)計，在某些高磨蝕性地層中掘進（如西康鐵路隧道和引漢濟渭隧洞），刀具的費用可達總施工成本的1/3，檢查和更換刀具所需要的時間約占施工總時間的1/3[2]。研究TBM滾刀磨損對合理預測TBM 掘進的工期和成本并及時采取有效措施縮短工期及降低成本具有重要作用[3]。

本文從刀具磨損研究的幾個方面綜述了國內(nèi)外研究進展，包括滾刀磨損破壞形式、滾刀磨損影響因素、滾刀磨損檢測與更換方式和滾刀磨損的預測方法。

1 滾刀的磨損破壞形式

TBM 滾刀在破巖過程中，滾刀的磨損可分為正常磨損和非正常磨損，正常磨損指滾刀的均勻磨損[4]，非正常磨損包括刀圈偏磨及弦磨[4]、刀圈崩刃及斷裂、擋圈脫落、軸承失效、漏油等（見圖1）。

圖1 刀圈磨損形式圖

正常情況下，滾刀破巖時，刀刃各處均勻受到巖石的摩擦作用，刀刃各處的磨損量相同，即刀圈產(chǎn)生均勻磨損。在巖石比較堅硬的地層中，此類磨損占全部損壞刀具的80%以上[5]。

當TBM 在軟弱破碎地層或軟硬復合地層中掘進時，由于巖體不能為滾刀提供足夠的轉(zhuǎn)動力矩，同時細粒巖渣進入刀箱后若不及時清理，會產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)動阻力矩，導致滾刀不能正常轉(zhuǎn)動[6]，從而使?jié)L刀產(chǎn)生弦磨。滾刀軸承損壞，例如軸承進砂、滾珠破碎、密封構件損壞導致潤滑油泄露等，也會影響滾刀轉(zhuǎn)動導致弦磨。

當巖石強度較低而磨蝕性較高時，往往滾刀的貫入度較大，刀刃側(cè)邊磨損嚴重，刀刃寬度顯著減小，而刀圈直徑幾乎不變，導致刀刃偏磨。

破巖過程中刀圈會承受較大的沖擊力，尤其巖層中存在軟硬不均的巖石時，刀圈可能會以較大的速度沖擊硬巖，在刀圈、刀體和軸承中產(chǎn)生很高的應力，因此可能發(fā)生刀圈斷裂和局部甚至是整體脫落[7]、軸承損壞或者密封構件失效引起漏油。擋圈也會與碎石接觸產(chǎn)生摩擦磨損，當磨損量過大時會引起擋圈斷裂脫落。

此外，滾刀與巖石相互擠壓、摩擦和沖擊過程會引起刀具發(fā)熱，從而降低滾刀硬度，加快磨損。在某些極硬巖地層中掘進時，會因為滾刀刀圈硬度不夠大變成蘑菇狀，如圖1(d)所示。過高的溫度也可能引起軸承損壞和刀具漏油。

2 滾刀磨損的影響因素

滾刀破巖時受力過程復雜，滾刀磨損受到多種機制的共同作用，根據(jù)摩擦方式可以分為滾動摩擦和滑動摩擦，根據(jù)磨損機理可分為磨粒磨損、疲勞磨損和粘著磨損[8]。從參與磨損的作用對象和作用方式分析，影響滾刀磨損的主要因素可分為地質(zhì)參數(shù)、刀盤設計參數(shù)和掘進參數(shù)三個方面。刀盤設計參數(shù)和掘進參數(shù)應與地質(zhì)參數(shù)優(yōu)化匹配，因此地質(zhì)參數(shù)是決定滾刀磨損的根本性因素。

地質(zhì)參數(shù)包括完整巖石的物理力學性質(zhì)和巖體結(jié)構特征，刀盤設計參數(shù)包括刀圈質(zhì)量（硬度、韌性、耐磨性、軸承密封性等）、滾刀啟動扭矩、滾刀在刀盤上的布置形式、滾刀直徑和數(shù)量，掘進參數(shù)包括滾刀貫入度和刀盤轉(zhuǎn)速。以下從這三個方面分析不同因素對滾刀磨損的影響。

2.1 地質(zhì)參數(shù)影響

（1）巖石物理力學性質(zhì)影響

完整巖石強度、硬度和磨蝕性是影響滾刀磨損的主要巖石物理力學性質(zhì)，巖石強度越大、硬度越高、磨蝕性越高，滾刀磨損越嚴重。巖石強度是滾刀破巖力主要影響因素之一，強度越高則滾刀需要的破巖力越大，滾刀與巖石間的相互作用越強烈，磨損也越嚴重；巖石的硬度和磨蝕性高時，如巖石石英含量很高時[9]，滾刀發(fā)生顯著的磨粒磨損，滾刀磨損速率加速。

（2）巖體結(jié)構特征影響

巖體完整性越好，在TBM 凈掘進速度不變的條件下所需的刀盤推力越大，滾刀受到的巖石反作用也越大，滾刀磨損越嚴重。孫紅等[10]統(tǒng)計了TBM 刀具消耗與巖體完整性間的關系，如圖2 所示。

圖2 巖體完整性與刀具掘進消耗率的關系

此外，當TBM 掘進遇到復合地層時，滾刀由較軟巖石進入較硬巖石時易受到很大的沖擊力，加劇滾刀磨損，甚至造成滾刀崩刃、刀圈斷裂或者擋圈脫落。

2.2 刀盤及滾刀設計參數(shù)因素

（1）滾刀軸承及軸承密封件

軸承質(zhì)量不好時，長時間工作后會產(chǎn)生較大變形；密封件質(zhì)量不好時，水和巖渣可能進入軸承。這些結(jié)果都會影響刀具正常轉(zhuǎn)動，造成刀圈弦磨、崩刃或斷裂。

（2）滾刀的啟動扭矩

啟動扭矩過大，TBM 在較軟巖層中掘進時易出現(xiàn)滾刀難以轉(zhuǎn)動而導致弦磨。啟動扭矩過小則往往需要犧牲軸承密封性能，掘進過程中易導致密封失效。

（3）滾刀間距

刀盤上滾刀間距越小，相同面積上安裝的滾刀數(shù)量越多，TBM 掘進時滾刀所受的平均荷載越小，滾刀磨損速率越低。

（4）滾刀的布置形式

刀盤上不同位置滾刀的安裝半徑不同，安裝半徑越大，TBM 掘進過程中滾刀的線速度越大，滾刀與巖石的沖擊作用更強，滾刀滾動的距離越長，造成滾刀磨損越嚴重?？拷侗P邊緣的滾刀間距應比靠近中間的滾刀間距小，以減少受力、減輕磨損。刀盤上所有滾刀的排布形式對滾刀磨損也有影響，不合理的排布形式會導致掘進過程中刀盤受到偏心力矩作用，滾刀貫入度不一樣，受力不均勻，且滾刀容易受到沿刀盤徑向的荷載作用，從而加快滾刀磨損。

（5）滾刀直徑

滾刀直徑越大，則承載能力越大、滾動阻力越小、破巖量一定時滾刀刀圈轉(zhuǎn)動圈數(shù)越少，使得滾刀磨損量減小。由于大直徑滾刀可提高滾刀承載力并降低滾刀磨損速率，因此近年來滾刀設計不斷朝著大直徑的方向發(fā)展。

（6）滾刀類型

早期的滾刀以V 型刃為主，但V 型刃較窄，掘進初期具有良好的掘進性能，但隨著掘進刀刃磨損較快，貫入巖石能力快速下降。后來大部分TBM 均使用常截面滾刀，除了磨損速率比V 型滾刀慢，磨損后截面積變化較小，能在一定限度內(nèi)保持比較穩(wěn)定的掘進性能。

（7）刀圈材質(zhì)

滾刀刀圈自身的耐磨性對滾刀磨損具有很大影響。質(zhì)量好的刀圈具有較高的硬度和耐磨性，同時具有良好的韌性，抗磨性能和抗疲勞性能均較好，質(zhì)量差的刀圈則相反。

2.3 掘進參數(shù)影響

影響滾刀磨損的掘進參數(shù)主要是滾刀貫入度和刀盤轉(zhuǎn)速。

滾刀貫入度越大，所需要的破巖力越大，滾刀與巖石的相互作用越強烈，因此磨損越嚴重。楊延棟等[11]根據(jù)秦嶺某引水隧洞現(xiàn)場掘進參數(shù)和刀具磨損情況的統(tǒng)計，分析了切深指數(shù)對滾刀磨損的影響，得到了正滾刀平均磨損速率與現(xiàn)場貫入度指數(shù)（FPI）間的關系（見圖3），并指出隨FPI 增大滾刀平均磨損速率呈線性增大。

圖3 正滾刀平均磨損速率與場切深指數(shù)擬合關系

刀盤的轉(zhuǎn)速決定了滾刀的線速度，刀盤轉(zhuǎn)速越大，滾刀沿刀盤中心的公轉(zhuǎn)速度越大，與巖體或巖渣的摩擦和沖擊作用越強，并可能導致滾刀溫度較高，加劇滾刀磨損。

3 刀具磨損檢測

TBM 掘進過程中，刀具磨損是無法避免的，當磨損量超過允許值時應及時更換刀具，否則可能造成掘進推力增大、掘進效率降低和刀具或刀盤的損害，因此及時檢測刀具的磨損情況并根據(jù)要求及時更換刀具非常重要。刀具的磨損檢測方法主要包括開倉檢查和刀具磨損狀態(tài)在線監(jiān)測。通常17 英寸和19 英寸滾刀的最大允許磨損量分別為25 mm 和30 mm。

3.1 開倉檢查

開倉檢查主要根據(jù)施工人員的經(jīng)驗判斷是否需要進行檢測。檢測時需要TBM 停機，由人工采用專用量具測量，一般對每把滾刀測量刀圈上三處的磨損量，然后取平均值。開倉檢測過程耗時較長且具有較大安全風險，開倉會導致掌子面卸載，可能引發(fā)掌子面坍塌。若檢測頻率過低，不能及時發(fā)現(xiàn)損壞或者磨損量過大的滾刀；若檢測頻率過高，發(fā)現(xiàn)刀具未損壞且未超過磨損允許值時，就造成了人工資源浪費和施工效率損失。

3.2 刀具磨損在線監(jiān)測

為了高效地檢測刀具磨損情況，提高TBM 施工效率，刀具狀態(tài)實時在線監(jiān)測技術應運而生。通過相應的在線監(jiān)測平臺實時掌握刀具的磨損情況，可以讓施工人員判斷出準確的換刀時機。常見監(jiān)測方法有電流監(jiān)測法、壓力監(jiān)測法、異味監(jiān)測法、渦流監(jiān)測法、磁力線監(jiān)測法、超聲波監(jiān)測法、掘進參數(shù)分析法和渣片形態(tài)分析法。

電流監(jiān)測法是在刮刀中內(nèi)置線圈，當滾刀磨損量達到一定值后線圈導電性發(fā)生變化，以此表征滾刀磨損程度[12]。壓力監(jiān)測法是在刮刀刀頭內(nèi)置壓力傳感器，通過刀頭受力判斷刀具磨損程度[13]。異味監(jiān)測法是在滾刀潤滑油中加入具有特殊氣味的添加劑，當滾刀磨損量達到一定值時造成漏油，從而產(chǎn)生刺鼻味道[14]。這三種方法均會改變刀具的原有結(jié)構，從而影響刀具性能，且增加了刀具制造成本。

相比于上述需要改變刀具結(jié)構的監(jiān)測方法，無損傳感器監(jiān)測方法具有更高的精度和通用性。渦流監(jiān)測法[15—16]是利用電渦流傳感器獲取的電壓信號變化表征滾刀磨損量，并通過無線通信技術實現(xiàn)實時監(jiān)測。這種方法測量范圍大、靈敏度高、抗干擾能力強，且結(jié)構簡單、安裝方便，被普遍認為是最有前景的滾刀磨損監(jiān)測方法。電渦流監(jiān)測法往往因為傳感器功耗大，監(jiān)測使用時間比較短。為解決這個問題，龔秋明等[17]基于在磁傳感器上加設激勵磁體研發(fā)了一種滾刀磨損的磁力線監(jiān)測方法，并設計了有線和無線兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，該監(jiān)測方法量程大、精度高、功耗小，他們提出的刀盤狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)同時還可監(jiān)測滾刀轉(zhuǎn)速及刀盤溫度，并成功應用于武漢的東湖污水輸送工程[18]。超聲波監(jiān)測法[19]對刮刀發(fā)送超聲波，并通過超聲波傳感器測量超聲波的反射時間，從而計算刮刀的磨損量，目前這種方法對滾刀磨損的監(jiān)測誤差較大。

掘進參數(shù)分析法是一種間接監(jiān)測方法，通過刀具上的傳感器監(jiān)測滾刀的轉(zhuǎn)速、溫度與振動狀態(tài)或者通過TBM 自帶的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測刀盤的推力、扭矩和轉(zhuǎn)速[20—21]來綜合分析判斷刀具的磨損情況，當認為掘進參數(shù)異常時需要開倉進一步檢查刀具的實際磨損情況。這種方法一定程度上避免了盲目的開倉檢查，但難以準確監(jiān)測刀具的磨損量值，只能粗略地通過某種判據(jù)評估刀盤上的所有刀具是否整體上受到嚴重磨損。

渣片形態(tài)分析法是通過圖像識別技術分析TBM 掘進破巖產(chǎn)生的巖渣。新舊刀具切削土體產(chǎn)生的巖渣形狀、大小、切口斷面和斷裂棱角不同，可以據(jù)此判斷刀具的磨損情況[17]。由于巖渣形狀受到的影響因素較多，此方法難以獲得判斷滾刀磨損情況。

目前大部分滾刀磨損在線監(jiān)測技術仍處于試驗研究階段，尚未在TBM 施工中廣泛應用。

4 巖石磨蝕性試驗

巖石的磨蝕性是影響滾刀的磨損的主要因素之一，被作為多個滾刀磨損預測模型的主要參數(shù)之一。巖石的磨蝕性越高，滾刀的磨蝕程度越嚴重。影響巖石磨蝕性的因素主要有：巖石的礦物成分、礦物顆粒的大小和形狀、膠結(jié)類型和巖石的強度。巖石磨蝕性評價室內(nèi)試驗方法有壓入硬度試驗、鑿碎比功試驗、挪威科技大學AV/AVS 試驗、Cerchar 磨蝕性試驗和LCPC 試驗等，目前最常用的方法[22]為Cerchar磨蝕性試驗和挪威科技大學AV/AVS 試驗。

4.1 Cerchar 磨蝕性試驗

這種試驗方法最初由法國的Cerchar 研究所于1973 年提出，后來由West 于1989 年對109 個巖石樣本進行了量化分類，建立了巖石特性與磨蝕性系數(shù)間的關系[23]。試驗通過一根錐角為90 度、洛氏硬度為55+1 的鋼針在70 N 荷載作用下，以10 mm/min的速度在巖石表面移動10 mm，然后通過顯微鏡觀察測量鋼針針尖損失的直徑，將損失的平均直徑（以0.1 mm 為單位）定義為Cerchar 磨蝕性指數(shù)CAI[24]。

國際巖石力學學會（ISRM）[25]和美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）[26]均制定了相關的試驗標準，對試驗設備、試驗過程及試驗結(jié)果評價方法做出了詳細規(guī)定和說明，巖石磨蝕性分級標準如表1 所示。有研究表明，巖石強度[27]、鋼針材質(zhì)[28]和測試表面形態(tài)[29]對測試結(jié)果有均較大影響。2013 年Albert 等[25]向國際巖石力學學會推薦了一份巖石磨蝕性測試標準，相比ASTM 標準增加了當①鋼針洛氏硬度不為55+1 和②巖石測試面由鋸切制得的情況下測試結(jié)果的修正公式，但第二種情況下的修正公式不適用于堅硬且磨蝕性非常高的巖石。

表1 Cerchar 磨蝕性試驗CAI 分級標準

Cerchar 試驗操作簡單，且采用原巖試樣進行測試，測得的CAI 值被廣泛應用于各種滾刀磨損預測模型。

4.2 NTNU 巖石磨蝕性試驗

這種試驗方法[30]由挪威科技大學（Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet，NTNU）提出，是NTNU 滾刀磨損預測模型的一個專用試驗。試驗先把待測試巖樣碾碎為粒徑小于1 mm 的粉末，然后送進旋轉(zhuǎn)的鋼制圓盤上，上面固定與滾刀材料相同的試塊，試塊上加有10 kg 的重物。在鋼盤勻速旋轉(zhuǎn)過程中，試塊不斷被磨蝕。把鋼盤旋轉(zhuǎn)5 分鐘即100圈后，試塊損失的質(zhì)量定義為挪威磨蝕值AV。若測試的材料是滾刀刀圈上的材料時，把鋼盤旋轉(zhuǎn)1 分鐘即20 轉(zhuǎn)時材料的磨損量定義為AVS。

NTNU 巖石磨蝕性測試方法采用的被磨蝕材料與滾刀刀圈材料相同，可以直接測得該刀圈材料的耐磨性質(zhì)，但測試前需將巖樣碾成1 mm 的碎末，相對比較麻煩，且測試結(jié)果難以反映巖石結(jié)構對磨蝕性的影響。這種測試方法目前僅被NTNU 磨損預測模型采用。

5 滾刀磨損預測方法研究

為了在TBM 工程前期論證階段為TBM 設備選型和控制工期及成本提供依據(jù)，就需要研究基于TBM 設備參數(shù)和工程地質(zhì)條件的TBM 掘進性能預測方法，其中很重要的一項任務就是預測滾刀的磨損速率。

多年來國內(nèi)外學者基于室內(nèi)試驗、數(shù)值模擬和工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)對TBM 滾刀磨損進行了大量研究，提出了相應的單把滾刀磨損及工程滾刀消耗預測模型，單把滾刀磨損預測模型一般預測單把滾刀開挖單位體積/進尺巖體或者單位滾動距離條件下滾刀直徑或質(zhì)量的減少量，或者直接預測單把滾刀的最大滾動距離等；而工程滾刀消耗預測模型一般預測開挖單位體積或進尺時消耗的滾刀把數(shù)。這些模型總體上可分為半經(jīng)驗模型和經(jīng)驗模型。

5.1 半經(jīng)驗模型

半理論半經(jīng)驗模型通過對滾刀受力和磨損機理分析，結(jié)合試驗研究結(jié)果，并采用合理假設建立單把滾刀磨損的數(shù)學表達方法。

喬世范等[31]、楊延棟等[32]認為滾刀磨損機制主要為磨粒磨損，分別采用不同的磨損量計算公式并結(jié)合滾刀受力的CSM 預測模型進行分析，提出了單把滾刀磨損預測模型，并與TBM 工程現(xiàn)場的滾刀磨損數(shù)據(jù)進行了對比驗證，為滾刀磨損的定量預測提供了有益的研究思路。然而，滾刀磨損受到多種機制的共同影響，此類模型基于單一機制進行理論推導，且僅與單一工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行了對比，其實用性還有待進一步驗證。

Wijk[33]結(jié)合試驗研究結(jié)果和理論分析，提出了基于巖石磨蝕性指數(shù)、單軸抗壓強度和抗拉強度的楔形滾刀和常截面單把滾刀磨損速率的預測模型，并將單把滾刀的壽命通過最大滾動距離L來表征。

式中：∑ 為滾刀磨損系數(shù)；d為滾刀直徑；w為滾刀刀刃磨損后寬度；θ為滾刀邊角；F為滾刀法向力；σc為巖石單軸抗壓強度；σPLT為巖石點荷載強度；CAI 為基于Cerchar 試驗的巖石磨蝕性指數(shù)[34]。Wijk 進一步給出了不同巖體特征條件下掘進速率、滾刀消耗和費用等掘進參數(shù)瞬時值和累計值的計算方法。該半理論半經(jīng)驗公式為后人進行類似研究提供了思路，但該公式的提出存在較大的主觀性，且公式中的滾刀磨損系數(shù)∑ 取值較為困難。

Rostami[35]基于室內(nèi)試驗和理論分析提出了類似的單把滾刀壽命預測模型，但這個模型僅考慮了巖石的CAI 值。由于Rostami 的滾刀壽命預測模型建立在著名的CSM 滾刀受力模型基礎上，因此引起了學者的廣泛關注。

滾刀壽命的半理論半經(jīng)驗模型一般僅考慮完整巖石的一個或幾個物理力學性質(zhì)及滾刀的尺寸，較少考慮巖體完整性和掘進參數(shù)的影響，且由于推導過程中引入了假設，使得模型預測結(jié)果通常與工程現(xiàn)場實際有較大差異。

5.2 經(jīng)驗模型

經(jīng)驗模型主要根據(jù)TBM 掘進現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，通過回歸分析研究滾刀磨損數(shù)據(jù)與巖體參數(shù)、機器參數(shù)和掘進參數(shù)間的相關程度，篩選出最相關的幾個影響因素，建立滾刀磨損的經(jīng)驗公式。

楊媛媛等[36]分析了秦嶺隧道TBM 工程不同圍巖等級條件下的工程滾刀消耗，提出了根據(jù)圍巖TBM 工作條件等級預測工程滾刀消耗量的公式，但該公式基于的數(shù)據(jù)量很少，且只考慮巖體條件，沒有考慮TBM 刀具參數(shù)和施工參數(shù)的影響，因此預測精度不高。

閆長斌等[37]對山西萬家寨引黃工程南干線TBM 工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行了擬合分析，同樣基于圍巖TBM 工作條件等級，并引入滾刀直徑影響因子，提出了同時考慮地質(zhì)適宜性和滾刀直徑的工程滾刀消耗量預測公式。該公式是對楊媛媛公式的進一步改進，考慮了刀具直徑對磨損的影響，但沒有考慮其它刀具參數(shù)及掘進參數(shù)的影響，且所基于的工程數(shù)據(jù)也較少。

Gehring[38]基于韓國的一個隧道TBM 工程現(xiàn)場滾刀磨損數(shù)據(jù)和巖石CAI 值進行研究，發(fā)現(xiàn)滾刀磨損量與滾動距離成正比，并定義了一個單把滾刀磨損參數(shù)Vs—單位滾動距離的刀圈磨損質(zhì)量。

式中：d為滾刀直徑，mm；TL 為滾刀刀圈半徑減小量，mm；T為滾刀刀刃寬度；Rollingdistance 為滾刀距離。

Vs通過CAI 值預測：

公式（3）基于現(xiàn)場工程實測數(shù)據(jù)，采用了廣泛使用的巖石磨蝕性參數(shù)CAI，并且很容易能與滾刀位置參數(shù)、滾刀刀圈容許極限半徑減小量和滾刀貫入度建立聯(lián)系。但這個公式來源于單一工程數(shù)據(jù)，對其它地質(zhì)條件下的TBM 工程預測精度不高。

Hassanpour[14]對伊朗一條30 km 長的硬巖隧道27 個單元的工程地質(zhì)參數(shù)和17 寸滾刀磨損數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，將滾刀磨損Hf壽命定義為每把滾刀在被更換前所開挖的巖體體積，分析了不同巖石/巖體參數(shù)（包括維氏硬度VHNR、單軸抗壓強度UCS、石英含量、巖石磨蝕性指數(shù)ABI（VHNR/UCS）、單位體積節(jié)理數(shù)Jv、巖石質(zhì)量RQD、基本巖體分級指數(shù)BasicRMR 和地質(zhì)強度指數(shù)（GSI））與滾刀壽命Hf間的相關性，篩選出與Hf最相關的兩個巖石參數(shù)——VHNR 和UCS，并通過多元回歸分析建立Hf與VHNR 和UCS 的關系，提出了火山碎屑和鎂鐵質(zhì)火成巖條件下的工程滾刀消耗量經(jīng)驗模型。

但該經(jīng)驗模型基于一個特定工程，也沒有考慮TBM 刀具參數(shù)和掘進參數(shù)的影響。

挪威科技大學（NTNU）[39]研究人員統(tǒng)計分析了大量TBM 隧道工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)和室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)，提出了考慮刀盤直徑、滾刀直徑、滾刀間距、刀盤轉(zhuǎn)速、巖石磨蝕性礦物比例、刀盤推力和滾刀數(shù)量等因素的滾刀磨損預測模型。該模型隨著TBM 設備性能的發(fā)展和工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)的增加進行了多次改進，是目前獲得廣泛認可的單把滾刀磨損預測模型之一。Macias[40]提出了最新的2016 版NTNU 模型：

式中：H0為基本平均刀圈壽命，h；Hh為以h/cutter 為單位的平均刀圈壽命；Hm為以m/cutter 為單位的平均刀圈壽命；Hf為以m3/cutter 為單位的平均刀圈壽命；kD為 刀盤直徑修正系數(shù)；kQ為磨蝕性礦物修正系數(shù)；krpm為刀盤轉(zhuǎn)速修正系數(shù)；kN為 滾刀數(shù)量修正系數(shù)；kT為刀盤推力修正系數(shù)；Ntbm為實際滾刀數(shù)量；In為TBM 凈掘進效率；dtbm為刀盤直徑?；酒骄度勖麳0是滾刀壽命指數(shù)CLI 的函數(shù)，如圖4 所示。

圖4 17 英寸和19 英寸滾刀的基本平均刀圈壽命與滾刀壽命指數(shù)CLI 的關系

Ebranhim 和Dae[41]定義了一個反映單把滾刀磨損的參數(shù)Scwl，即開挖單位體積巖體的滾刀質(zhì)量損失。通過對25 條TBM 隧道工程的Scwl 數(shù)據(jù)和巖石CAI 值進行統(tǒng)計分析，建立了通過巖石CAI 值預測刀具Scwl 值的經(jīng)驗公式：

并給出了通過Scwl 計算Vs的公式：

式中：S為滾刀間距；P為滾刀貫入度。

他們提出了一種新的基于小尺寸常截面滾刀的巖石磨蝕性試驗方法，采用這種方法來測量相應滾刀磨損指標DWI，并測試了來自9 條近年完成的隧道TBM 工程巖樣的DWI 值，統(tǒng)計了相應的Scwl 值，建立了Scwl 與DWI 的關系，進而基于公式（9）得到了基于DWI 的Vs計算公式：

通過將新加坡的一條電纜傳輸隧道TBM 工程的現(xiàn)場磨損數(shù)據(jù)與公式（9）和公式（10）的預測結(jié)果對比分析，發(fā)現(xiàn)公式（9）和公式（10）的預測結(jié)果與現(xiàn)場數(shù)據(jù)都具有較好的一致性，公式（10）的預測精度更高。該方法需要更多的工程數(shù)據(jù)對公式進行檢驗和修正，以提高預測精度。

滾刀磨損經(jīng)驗模型基于實際TBM 工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)，當其它TBM 工程地質(zhì)條件與建立該模型所基于的地質(zhì)條件類似時，采用該模型能較好地預測滾刀磨損，但經(jīng)驗模型也有一定局限性。一方面由于影響滾刀磨損的因素很多，經(jīng)驗模型難以考慮所有因素，且很多因素間還有一定的相關性。另一方面經(jīng)驗模型往往基于有限的工程案例，地質(zhì)條件、TBM 設備參數(shù)和掘進參數(shù)數(shù)據(jù)庫樣本有限，因此將其應用到其它工程時往往出現(xiàn)較大誤差。

近年來國內(nèi)外學者對滾刀壽命預測模型開展了大量研究，部分模型如表2 所示。由于影響TBM 工程滾刀磨損的因素很多，半理論半經(jīng)驗模型或者現(xiàn)有的經(jīng)驗模型都難以考慮如此多的因素。隨著TBM工法的推廣和應用，未來通過積累各類地質(zhì)條件下的海量工程現(xiàn)場數(shù)據(jù)，建立TBM 工程大數(shù)據(jù)庫，采用人工智能的方法對數(shù)據(jù)進行研究是科學可靠地預測滾刀磨損的趨勢。

表2 國內(nèi)外學者提出的部分滾刀壽命預測模型

6 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論

（1）滾刀磨損破壞的形式多種多樣，包括均勻磨損、刀圈偏磨及弦磨、刀圈和擋圈斷裂、脫落或軸承損壞。

（2）刀具磨損影響因素主要包括地質(zhì)參數(shù)、刀盤及滾刀設計參數(shù)和掘進參數(shù)三個方面。地質(zhì)參數(shù)包括完整巖石的強度、硬度和磨蝕性、巖體完整性和均勻性；刀盤及滾刀設計參數(shù)包括滾刀軸承的耐久性、刀具的啟動扭矩、布置形式、直徑、間距、類型和刀圈的材質(zhì)；掘進參數(shù)包括滾刀貫入度和刀盤轉(zhuǎn)速。工程實踐中應根據(jù)實際地質(zhì)參數(shù)匹配刀盤及滾刀設計參數(shù)和掘進參數(shù)。

（3）刀具磨損檢測方法主要包括開倉檢查和刀具磨損狀態(tài)在線監(jiān)測。在線監(jiān)測可以實時掌握刀具的磨損情況，利于準確把握換刀時機、提高滾刀壽命和TBM 施工利用率。近年來出現(xiàn)了電流監(jiān)測法、壓力監(jiān)測法、異味監(jiān)測法、渦流監(jiān)測法、超聲波監(jiān)測法、巖渣形態(tài)分析法和掘進參數(shù)分析法等在線監(jiān)測方法。目前滾刀磨損在線監(jiān)測技術仍處于探索過程中，還沒有完善的在線監(jiān)測系統(tǒng)在TBM 施工中廣泛應用。

（4）滾刀磨損預測方法主要包括半經(jīng)驗模型和經(jīng)驗模型。半經(jīng)驗模型建立在由室內(nèi)試驗和理論分析得到的刀具破巖力預測的基礎上，基于刀具的磨損機制分析并結(jié)合通用的磨損量計算公式，建立滾刀磨損與完整巖石性質(zhì)及刀具尺寸參數(shù)間的量化關系；經(jīng)驗模型是通過對TBM 現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)的擬合分析，建立滾刀磨損與巖石性質(zhì)、巖體等級、刀盤刀具參數(shù)和掘進參數(shù)間的量化關系。通常經(jīng)驗模型在預測TBM 工程滾刀磨損速度時較半理論半經(jīng)驗模型誤差小，但預測結(jié)果仍與工程實際存在誤差，作為施工性能參考依據(jù)的同時，應進一步結(jié)合具體工程實際進行分析與修正。

6.2 展望

（1）進一步提高刀具的材料性能和制造水平，從而提高滾刀抗磨損性能，降低滾刀磨損。

（2）研發(fā)和完善在線實時滾刀磨損監(jiān)測技術和自動化換刀技術，以對達到設計極限磨損量的滾刀進行及時、快速更換。

（3）在TBM 工程項目論證階段獲取更準確詳細的工程地質(zhì)資料，并建立更科學的滾刀磨損預測模型，為TBM 選型設計提供依據(jù)。

（4）在TBM 施工階段對掌子面前方地質(zhì)條件隨掘隨探，提高地質(zhì)資料準確性，以提高施工掘進參數(shù)選擇的科學性。