雙護盾TBM滾刀磨損及換刀判定案例分析

翟乾智， 周建軍， 李宏波， 王利明

(1. 盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001； 2. 中鐵隧道局集團有限公司， 廣東 廣州 511458)

0 引言

近年來，雙護盾TBM越來越多地應(yīng)用到城市地鐵的建設(shè)中，青島、重慶、深圳等多個城市已經(jīng)成功應(yīng)用。雙護盾TBM優(yōu)良的掘進(jìn)性能已經(jīng)成為巖石地層城市地鐵施工的首選裝備，而刀具磨損的問題也越來越成為影響雙護盾TBM快速掘進(jìn)的影響因素。

經(jīng)過深圳地鐵10號線、6號線和8號線雙護盾TBM的實踐證明，滾刀磨損檢查更換的時間占據(jù)了總施工推進(jìn)時間的10%～28%，嚴(yán)重影響了雙護盾TBM的掘進(jìn)進(jìn)度。現(xiàn)場1月內(nèi)各工序消耗時間統(tǒng)計如圖1所示。更換刀具和維修刀具的費用占據(jù)設(shè)備維修費用的40%左右，造成了施工成本的快速上升。為了更好地完善雙護盾TBM在城市地鐵中的應(yīng)用，滾刀磨損的研究已經(jīng)迫在眉睫。

圖1 現(xiàn)場各工序消耗時間占比

為了減少滾刀更換時間，提高雙護盾TBM的掘進(jìn)效率，許多學(xué)者對滾刀磨損預(yù)測進(jìn)行了分析。如張厚美等[1]研究了利用盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)判斷滾刀磨損的程度； 趙維剛等[2]研究了滾刀異常磨損的識別分析； 李剛等[3]、趙海鳴等[4]研究了采用CSM模型對雙護盾TBM滾刀磨損的預(yù)測； 萬治昌等[5]通過對秦嶺隧道滾刀更換研究，提供了換刀刀高差的經(jīng)驗數(shù)據(jù)； 趙戰(zhàn)欣[6]對滾刀磨損進(jìn)行研究，統(tǒng)計了滾刀異常磨損的刀位分布圖，但未能對滾刀磨損進(jìn)行定量分析； 金艷秋等[7]分析了滾刀對稱磨損和異常磨損的原因，并根據(jù)經(jīng)驗給出防止?jié)L刀磨損的方法； H．P．Sanio等[8]、J.Rostami等[9]對滾刀磨損預(yù)測模型進(jìn)行了研究；翟乾智等[10]對滾刀的布置和換刀進(jìn)行了研究； 李宏波等[11]利用聲發(fā)射原理分析了滾刀磨損的狀態(tài)； 李超等[12]在實驗室條件下進(jìn)行了滾刀更換和磨損的分析； 蔡昱等[13]根據(jù)實驗室條件下的理論計算結(jié)果和實驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行了滾刀磨損預(yù)測； 王凱等[14]對盾構(gòu)滾刀的磨損檢測進(jìn)行了分析，得出了實驗室條件下的滾刀磨損有關(guān)的壓痕磨損規(guī)律； 蘇明等[15]根據(jù)不同地層的滾刀磨損，得出了復(fù)合地層條件下滾刀磨損的定量分析； 張厚美[16]通過分析秦嶺隧道掘進(jìn)機，提出了滾刀二次磨損的概念。然而，上述研究未能對滾刀磨損和更換進(jìn)行關(guān)聯(lián)研究，換刀原則研究缺乏數(shù)據(jù)支撐，僅經(jīng)驗較多。

本文依托深圳地鐵10號線滾刀磨損統(tǒng)計數(shù)據(jù)，重點分析滾刀的磨損情況和換刀時機，根據(jù)各刀位換刀時的磨損量，分析各刀位換刀的最佳位置和換刀的時機選擇，為TBM的滾刀磨損和更換時機提供一種新的思路。

1 工程及設(shè)備概況

1.1 工程概況

深圳地鐵10號線全長29.5 km，途經(jīng)深圳市福田、龍華新區(qū)、龍崗區(qū)，下穿深圳地鐵9號線、皇崗彩田立交、廈深鐵路，上跨東江水源工程。

全線最長區(qū)間為孖—雅區(qū)間，全長3 860.5 m，雙護盾TBM掘進(jìn)段為2 688 m，礦山法空推段為1 181 m。

孖—雅區(qū)間穿越雞公山，雙護盾TBM隧道埋深為50～232.7 m，最大縱坡為27‰，地層主要是以中—微風(fēng)化花崗巖為主，巖石的單軸抗壓強度為129 MPa，中—微風(fēng)化花崗巖地層占據(jù)雙護盾TBM掘進(jìn)隧道的95%以上。區(qū)間穿越2條大的地質(zhì)斷裂帶。孖—雅區(qū)間段工程示意圖如圖2所示。

圖2 孖—雅區(qū)間段工程示意圖

1.2 雙護盾TBM主機概況

雙護盾TBM隧道掘進(jìn)采用中鐵裝備255號雙護盾TBM，總質(zhì)量為1 100 t，主機長度為11.7 m，整機長度為118 m，如圖3所示。

圖3 雙護盾TBM

刀盤設(shè)計尺寸為6 500 mm，設(shè)置44把滾刀。其中1#—8#為43.18 cm(17英寸)雙刃滾刀，滾刀間距為89 mm； 9#—33#為48.26 cm(19英寸)正面滾刀，刀間距為86 mm和82 mm； 34#—44#為48.26 cm(19英寸)邊緣滾刀。滾刀旋轉(zhuǎn)半徑如表1所示，滾刀間距設(shè)置如圖4所示，滾刀整體布置如圖5所示。

表1 滾刀旋轉(zhuǎn)半徑

圖4 滾刀間距布置圖(單位： mm)

圖5 滾刀布置圖

滾刀采用背裝式安裝，該設(shè)計方便滾刀的更換和檢修。刀座采用楔鎖拉緊裝置式重載刀座，能夠承受滾刀的沖擊荷載。刀盤采用Q345D材質(zhì)，屈服強度大于345 MPa，面板厚度為270 mm，能保證刀盤的強度和穩(wěn)定性。為保證中心滾刀軌跡均勻地分布于破巖區(qū)域，中心滾刀采用偏心14.5 mm設(shè)計。

2 滾刀磨損分析

2.1 滾刀磨損量統(tǒng)計

為了研究滾刀破巖的效率，通過計算分析刀盤在貫入度為8 mm/r情況下，雙護盾TBM掘進(jìn)369 m各刀位滾刀磨損和滾刀破巖的數(shù)據(jù)，得到曲線對比圖，如圖6所示。

圖6 滾刀破巖體積、磨損量和安裝半徑的關(guān)系

Fig. 6 Relationship among rock broken volume, wear and installation radius of disc cutter

圖6中滾刀破巖體積主要通過滾刀破巖面積和掘進(jìn)進(jìn)尺的乘積得到，也可以通過以下計算方法得到。

假設(shè)滾刀安裝半徑為ri，該把滾刀破巖區(qū)域的面積

(1)

刀盤旋轉(zhuǎn)一周的體積即為破巖面積乘以滾刀貫入度。滾刀在369 m地段掘進(jìn)時滾刀的破巖總體積

Vi=Si·369。

(2)

2.2 滾刀磨損量和破巖量關(guān)系

為了定量了解各刀位滾刀破巖體積和滾刀磨損量的關(guān)系，現(xiàn)將滾刀掘進(jìn)369 m時各滾刀位的磨損量和破巖體積進(jìn)行分析，結(jié)果如圖7所示。

圖7 滾刀磨損量和滾刀破巖體積關(guān)系

Fig. 7 Relationship between disc cutter wear and rock broken volume

從滾刀區(qū)位磨損-破巖分析可以看出：

1)中心滾刀(1#—8#)磨損量隨著破巖體積的變化呈現(xiàn)出指數(shù)形式關(guān)系

y=5.816 9e0.005 5V。

(3)

式中：y為滾刀磨損量，mm；V為滾刀破巖體積，m3。

回歸相關(guān)系數(shù)R2=0.567，呈現(xiàn)出高度的相關(guān)性。

2)正面滾刀(9#—33#)磨損量隨著破巖體積的變化兩者近似服從指數(shù)函數(shù)關(guān)系

y=10.733e0.003 4V。

(4)

式中：y為滾刀磨損量，mm；V為滾刀破巖體積，m3。

回歸相關(guān)系數(shù)R2=0.954 7，兩者高度相關(guān)。

3)邊緣滾刀(34#—44#)磨損量隨著破巖體積的變化近似服從指數(shù)函數(shù)關(guān)系

y=34.622e0.001V。

(5)

式中：y為滾刀磨損量，mm；V為滾刀破巖體積，m3。

回歸相關(guān)系數(shù)R2=0.837 5，兩者高度相關(guān)。

2.3 單位破巖體積磨損定量分析

為了分析各刀位滾刀磨損和滾刀破巖體積的定量關(guān)系，現(xiàn)定義滾刀單位破巖體積磨損系數(shù)f為滾刀累計磨損量與滾刀破巖體積之比。根據(jù)上述定義比值，得到各刀位滾刀單位破巖體積系數(shù)分布曲線如圖8所示。

圖8 滾刀單位破巖體積磨損系數(shù)分布

由圖8可以看出，各刀位滾刀單位破巖體積磨損系數(shù)成“U”型分布，具有明顯的規(guī)律性。

1)中心滾刀區(qū)。位于刀盤旋轉(zhuǎn)中心區(qū)域，有8把滾刀(1#—8#)。該區(qū)域滾刀安裝半徑小于683 mm，其中1#滾刀的單位破巖體積磨損系數(shù)為1.079 mm/m3,即中心1#滾刀破巖1 m3就會造成1.079的滾刀磨損； 8#滾刀的單位破巖體積磨損系數(shù)為0.108 mm/m3,表示8#滾刀每破巖1 m3就會造成滾刀磨損0.108 mm。隨著滾刀安裝半徑增加，滾刀單位破巖體積磨損量減小。中心滾刀單位破巖體積磨損量和滾刀安裝半徑的關(guān)系服從函數(shù)

f=59.265r-1.014。

(6)

式中：f為單位破巖體積磨損系數(shù)；r為滾刀安裝半徑，mm。

回歸相關(guān)系數(shù)R2=0.960 7，兩者高度相關(guān)。

2)正面滾刀區(qū)。位于刀盤正面靠內(nèi)區(qū)域，約有18把滾刀(9#—33#)。該區(qū)域滾刀安裝半徑為769～2 769 mm，正面滾刀的單位破巖體積磨損系數(shù)為0.102～0.114 mm/m3。

隨著滾刀安裝半徑增加，滾刀單位破巖體積磨損量變化較小。

3)邊緣滾刀區(qū)。位于刀盤邊緣區(qū)域，約有11把邊緣滾刀(34#—44#)。該區(qū)域滾刀安裝半徑為2 849～3 250 mm，隨著滾刀安裝半徑增加，滾刀單位破巖體積磨損系數(shù)由0.103～0.886 mm/m3急劇增加，滾刀的磨損量出現(xiàn)額外增加，換刀時發(fā)現(xiàn)，35#邊緣滾刀出現(xiàn)磨損量系數(shù)增大的旋轉(zhuǎn)半徑就是巖碴堆積的高度邊緣區(qū)，滾刀磨損受巖碴堆積高度影響。

邊緣滾刀單位破巖體積磨損量和滾刀安裝半徑的關(guān)系服從函數(shù)

f=2e-0.5e0.003r。

(7)

式中r為滾刀安裝半徑，mm。

回歸相關(guān)系數(shù)R2=0.646 3，呈現(xiàn)出明確的相關(guān)性。不同滾刀區(qū)域參數(shù)如表2所示。

表2 不同滾刀區(qū)域參數(shù)

3 換刀準(zhǔn)則

為了分析雙護盾TBM在花崗巖地層中掘進(jìn)時的磨損情況，對孖—雅雙護盾TBM區(qū)間右線900 m距離的滾刀更換頻次進(jìn)行統(tǒng)計。滾刀更換統(tǒng)計如表3所示。

表3 滾刀更換統(tǒng)計

對現(xiàn)場滾刀損毀形式進(jìn)行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)滾刀正常磨損占據(jù)80%，滾刀偏磨占據(jù)15%。滾刀更換統(tǒng)計分析如圖9所示。

邊緣滾刀由于極限磨損量較小，在達(dá)到極限磨損量后可調(diào)配到正面滾刀位置繼續(xù)使用。為減少不必要的換刀時間，有必要對滾刀的換刀頻次和換刀時機進(jìn)行研究。不同刀位更換頻次圖如圖10所示。

圖10 不同刀位更換頻次圖

Fig. 10 Replacement frequency of disc cutters at different positions

由圖10可以看出，隨著安裝半徑的增大，滾刀的更換頻次也出現(xiàn)增大的趨勢。為了減小滾刀更換時間，有必要研究滾刀最優(yōu)的更換時機。

為了研究滾刀更換時機，對各刀位滾刀的磨損量和換刀次數(shù)進(jìn)行分析，得到各刀位換刀平均磨損量，如圖11所示。

圖11 各刀位滾刀平均磨損量

由圖11可以看出： 1)更換滾刀時，最大磨損發(fā)生在25#—34#滾刀，平均磨損量為30 mm； 2)邊緣滾刀更換時，平均磨損量為12 mm左右。

現(xiàn)場進(jìn)行滾刀更換是以邊緣滾刀作為控制點，當(dāng)40#—44#邊緣滾刀磨損量達(dá)到15 mm時即進(jìn)行滾刀更換，此時可以保證雙護盾TBM的開挖直徑。經(jīng)過實踐，發(fā)現(xiàn)40#—44#滾刀由于刀高差同時更換的原因，往往很少能夠達(dá)到磨損量15 mm。經(jīng)過統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)滾刀平均更換的磨損量為12 mm左右，此時正面滾刀的平均磨損量為28 mm，最大磨損發(fā)生在29#正面滾刀處附近。此時33#正面滾刀未達(dá)到最大磨損量，滾刀更換過于頻繁，影響了TBM的掘進(jìn)效率。

本文建議在更換滾刀時，以最大編號的正面滾刀在33#滾刀達(dá)到最大磨損量35 mm作為滾刀更換的依據(jù)，對兩側(cè)滾刀進(jìn)行刀高差檢查，確認(rèn)滾刀是否進(jìn)行更換。

4 結(jié)論與討論

1)滾刀在花崗巖地層中磨損較為嚴(yán)重，邊緣滾刀的磨損更為劇烈。在實踐中發(fā)現(xiàn)雙護盾TBM滾刀的磨損與巖碴堆積高度有關(guān)，應(yīng)提高排碴效率，優(yōu)化出碴結(jié)構(gòu)，減小掌子面的巖碴累積。

2)通過滾刀破巖體積和磨損量的分析，可以根據(jù)掘進(jìn)進(jìn)尺預(yù)測換刀時間，為雙護盾TBM滾刀的周期檢查節(jié)約時間，提高設(shè)備利用效率。

3)通過換刀頻次的分析可以總結(jié)出適合花崗巖地層掘進(jìn)的最大滾刀磨損量。在進(jìn)行滾刀更換時以正面滾刀的最大磨損作為控制量，減少滾刀的不必要檢測次數(shù)，提高掘進(jìn)速度，同時可以提高掘進(jìn)效率。

4)本文基于現(xiàn)場滾刀磨損和換刀頻次入手進(jìn)行滾刀研究，具有部分局限性，還需對換刀原理進(jìn)行深入探討。滾刀更換刀高差的原則仍需進(jìn)一步研究，使其具有普遍適用性，從而應(yīng)用在廣泛的盾構(gòu)/TBM工程中。