高磨蝕地層TBM滾刀現場試驗研究

夏 明/XIA Ming

（中鐵隧道股份有限公司，河南 鄭州 450001）

盤形滾刀作為TBM的破巖工具，本身的技術性和施工中的正確使用對TBM的掘進速度和掘進成本的影響至關重要。TBM掘進施工的實踐表明，大直徑的TBM在硬巖地層中掘進，用于刀具的費用約占掘進施工費用的1/3，檢查與更換刀具的時間占施工時間的1/3，因此，使用TBM進行隧道掘進施工時，刀具是要優先慎重考慮的重要環節之一。

近年，周建軍[1]等通過砂卵石地層滾刀磨損室內實驗，確定了滾刀線距離磨損系數，但通過3D掃描獲取滾刀微量徑向磨損量，測量精度不可控；蘇明[2]等基于磨損比耗指數（滾刀徑向磨損量與破巖量的比值）建立了滾刀磨損預測方法，通過建立該指標與滾刀磨損影響因素間的回歸方程，為盾構刀具更換提供預警，但無法揭示滾刀磨損影響因素的物理規律；楊延棟[3,4]等基于宏觀能量磨損理論和微觀磨粒磨損機理建立了滾刀磨損理論預測模型，但磨粒磨損系數、能量磨損率等關鍵參數確定困難，影響預測準確性；譚青[5]等通過數值模擬的方法，建立了滾刀磨損形貌演變規律，仿真磨損量與實測磨損損量隨刀位號變化規律一致，但預測值與實際值之間存在較大的誤差。

上述研究對于TBM刀具磨損進行了深入的研究，但均未能通過現場試驗得到驗證，對于TBM刀具選型無法提供有效的參考。引漢濟渭秦嶺隧洞嶺南工程TBM施工段，根據TBM前期的施工情況，已揭露的圍巖顯示具有巖石強度高242MPa、石英含量達97%，造成刀具消耗量巨大、刀具更換頻繁、占用大量工序時間。因此需要針對國內外知名廠家刀具，通過開展刀具現場試驗，找出適合該工程的刀具，以達到提高TBM掘進效率的目的。本文針對刀具選擇困難的問題，開展刀具適應性選擇現場試驗方法研究，提出公平的評判指標，供類似項目刀具選用決策參考。

1 工程概況

引漢濟渭嶺南TBM段位于秦嶺嶺脊高中山區及嶺南中低山區，地形起伏。高程范圍1 050～2 420m，洞室最大埋深約2 000m。工程范圍內主要涉及地層為下元古界長角壩巖群黑龍潭巖組石英巖、印支期花崗巖、華力西期閃長巖及斷層碎裂巖、糜棱巖。巖性主要以花崗巖、石英巖為主，單軸干抗壓強度96.7～242MPa，抗拉強度2.1～3.3MPa，內摩擦角51～68.5°，內聚力1.44～12.53MPa，完整系數0.59～0.89。圍巖類別以Ⅱ類為主，占72.9%，另外Ⅰ類占16.7%，Ⅲ類占6.5%，Ⅳ類占2.9%，Ⅴ類占1%。地表水較發育，地下水為基巖裂隙水，水量較豐富，受大氣降水補給，全隧可能發生的最大涌水量為41 000m3/d。

嶺南TBM段采用Robbins公司生產的直徑?8.02m的開敞式TBM掘進，安裝新刀時的開挖直徑為?8.05m。刀盤上布置了4把17英寸的中心雙刃滾刀，刀刃編號為1#～8#，刀刃間距為101.6mm；刀盤上布置了20英寸的單刃滾刀43把，其中刀號9#～39#的31把滾刀為正滾刀，刀間距82.4mm；刀號40#～51#的12把滾刀為邊緣滾刀，刀間距依次減小，如圖1所示，圖中Wmax表示該區域滾刀允許的最大磨損量。

圖1 TBM滾刀刀間距布置示意圖

2 滾刀現場試樣方案

為保證刀具試驗結果的可靠性，試驗方案分為兩個階段進行：第一階段分別對各廠家提供的刀具進行整體試驗，結合試驗過程中所進行的磨損量測試和巖性指標進行分析選出3～4家表現優異的刀具；第二階段針對表現優異的刀具進行專項對比試驗，以校驗刀具的整體穩定性，最終選出表現最優的1～2個刀具廠家。

2.1 滾刀整體試驗方案

引漢濟渭嶺南TBM段前2km不同刀位滾刀累計磨損量如圖2所示，根據2km試掘進的刀具磨損情況統計分析，刀具磨損嚴重突出在過渡區域，因此，選擇該區域開展刀具試驗，即41#～48#刀位。由刀具廠家提供8～10把全新總成刀，且各部件要符合Robbins刀具標準尺寸，以便今后刀具修理可互換；在圍巖穩定的情況下，依次安裝在41～48#刀位試驗，采集數據綜合分析，并形成試驗記錄。試驗記錄需包括刀圈硬度測試、掘進參數、地質參數、刀圈磨損量、掘進距離、掘進時間。

圖2 試掘進段滾刀累計磨損量柱狀統計圖

2.2 滾刀交叉對比試驗方案

由第一階段試驗表現優異的廠家提供10把全新總成刀，分別將其中4把安裝在31#、32#、37#、38#之間刀位，與裝在33#～36#區域的Robbins刀具對比，驗證其刀具的磨損速率和整刀壽命；將剩余6把分兩批次交叉和Robbins刀具分別裝于41#～43#、44#～46#刀位，驗證其在極端情況下的使用壽命和磨損速率，以評判該刀具在本工程的適應性。

3 滾刀試驗結果分析

3.1 滾刀耐磨性對比方法

通過前2km不同刀位滾刀累計磨損量可知，不同刀位的滾刀磨損量有差異，不具有可比性，為了消除安裝半徑的影響，引入了滾刀磨損系數，滾刀刀位系數是通過前2km各個刀位的累計磨損量的相對值來確定的，滾刀刀位系數的計算方法如下：取22#刀位（也可取其他任意1個刀號）的刀位磨損系數為1，其他刀位的刀位系數為前2km累計磨損量與22#刀位累計磨損量的比值，則41#～48#試驗刀位的刀位系數如表1所示。然后利用刀位系數換算每個刀位的相對磨損速率，使不同刀位的磨損速率具有可比性。

表1 試驗刀位的刀位系數

3.2 滾刀試驗結果分析

根據試驗刀具的抗壓強度、石英含量等巖性指標，可將試驗段按巖石抗壓強度分為2個組別分別進行比較分析，由于同一組別刀具試驗過程中面臨的地層參數、掘進參數基本相同，可由刀圈累計磨損量、累計掘進距離、刀位系數計算出刀圈的綜合磨損速率K，綜合磨損速率的計算方法為：綜合磨損速率K=累計磨損量/（刀位磨損倍率×累計掘進距離）。將各廠家的刀具分別求平均綜合磨損速率K，然后比較同一組別的刀具綜合磨損速率均值，平均綜合磨損速率K越大則刀圈耐磨性越差。

面刀區域由于刀間距基本相當，同時安裝位置均無傾斜角度，在該區域進行試驗能比較真實地反映出刀具磨損的過程及整刀；過渡區域由于刀具安裝位置存在傾角，受力較復雜，在該區域進行試驗能比較真實地反映出其在極端情況下的磨損情況。在相同地層、相同掘進參數條件下，通過每個區域的交叉對比試驗后，可計算出每組Robbins刀具與試驗刀具平均綜合磨損速率K的比值，最后比較同一區域幾組試驗組的比值，該比值越大刀圈的耐磨性越好。

通過滾刀整體試驗和交叉對比實驗，得到不同廠家的滾刀磨損實驗結果如表2、表3所示。

表2 低強度巖石刀具試驗組試驗結果 （UCS＜150MPa）

表3 高強度巖石刀具試驗組試驗結果（UCS＞150MPa）

根據刀具試驗過程中的磨損量測試、巖性指標等綜合分析，并考慮施工過程中的小部分測量允許誤差，刀具耐磨性能試驗結果為：國外廠家XHD≈廠家W≈廠家L＞廠家T＞廠家J＞廠家Y＞廠家R＞國外廠家HD＞廠家Q＞國外廠家P＞廠家Z＞廠家F。

通過現場刀圈試驗發現，國內廠家W、L、T、J刀具已與國外XHD優質產品水平接近，優于國外HD刀具20%～25%，另外4個國內廠家的刀具需要進一步提高。

4 結論與討論

1）通過引漢濟渭嶺南TBM段前2km不同刀位滾刀累計磨損量的統計，確定了滾刀試驗區域刀位磨損系數，提出了考慮滾刀刀位系數的綜合綜合磨損速率，用于滾刀耐磨性的評價，可消除安裝半徑對滾刀磨損速率的影響。

2）通過滾刀現場批量磨損試驗和交叉對比試驗，對國內外10個廠家11種滾刀的耐磨性進行了對比，得到試驗刀具的耐磨性排名為：國外廠家XHD≈廠家W≈廠家L＞廠家T＞廠家J＞廠家Y＞廠家R＞國外廠家HD＞廠家Q＞國外廠家P＞廠家Z＞廠家F。通過現場刀圈試驗發現，國內廠家W、L、T、J刀具已與國外XHD優質產品水平接近，優于國外HD刀具20%～25%，另外4個國內廠家的刀具需要進一步提高。

各個刀具廠家現場試驗的刀具數量有限，難免有未知因素導致滾刀耐磨性指標存在偏差。

[參考文獻]

[1]周建軍，宋佳鵬，譚忠盛．砂卵石地層地鐵盾構盤形滾刀磨蝕性研究[J]．土木工程學報，2017，50（S1）：31-35．

[2]蘇 明，李 彤，韓愛民，等．基于磨損比耗指數的滾刀磨損定量預測方法[J]．隧道建設，2017，37（7）：891-898．

[3]楊延棟，陳 饋，李鳳遠，等．盤形滾刀磨損預測模型[J]．煤炭學報，2 015，40（6）：1290-1296．

[4]楊延棟，陳 饋，張 兵，等．基于宏觀能量理論與微觀磨損機制的滾刀磨損量預測[J]．隧道建設，2015，35（12）：1356-1360．

[5]譚 青，孫鑫健，夏毅敏，等．TBM盤形滾刀磨損預測模型[J]．中南大學學報（自然科學版），2017，48（1）：54-60．