貫入度與刀間距對TBM滾刀破巖推力的影響

（廈門廈工中鐵重型機械有限公司，福建 廈門 361023）

全斷面隧道掘進機（TBM）主要應用于硬巖隧道施工，是地鐵、海底管道、鐵路及公路隧道施工中的主要應用設備[1]。TBM 主要關鍵技術是刀盤刀具選型與參數設計，選擇合適的滾刀的截面形狀對TBM 破巖能力起著重要的因素[2]。在國內隧道掘進機推力、刀盤扭矩等關鍵參數研究中，滾刀破巖機理的試驗研究可提高滾刀到地層適應性設計，對推進規范國內隧道掘進機的應用有著重大意義。

早些年國內外許多學者和科技人員對刀具破巖機理進行了理論探討和實驗研究，美國科羅拉多礦業學院關于滾刀受力預測公式的推導[3]。20世紀70 年代，在室內滾刀破巖試驗代中，獲得的試驗數據直接應用于施工工程和確定TBM 設計參數[4]。GERTSCH 和JAMAL ROSTAMI 的滾刀破巖試驗，發現相對于貫入度而言，滾刀間距對破巖效率的影響更大[5]。Jung-Woo Cho 引進三維巖石測量系統Shape Metrix3D 確定了最優破巖效率的滾刀間距與貫入度的比值[6]。王統等研究分析得出貫入度對滾刀垂向破巖力影響最劇烈，刀間距對切向破巖力影響最劇烈[7]。劉穎超等研究中，闡明了刀具的掘進方向與巖層傾向存在夾角時加速刀具磨損的機理[8]。

本文以隧道掘進機實際工程使用的18 英寸滾刀為研究對象，基于滾刀巖機作用綜合實驗臺，以施工現場凝灰巖的取樣進行了刀具滾動破巖能力的試驗研究，研究不同貫入度對破巖推力的影響及不同刀間距與破巖推力、巖渣分布的關系。

1 試驗設計

1.1 試驗巖石

本次試驗試樣來自福州地鐵4 號線硬巖段，巖石試樣直徑×高為?2355mm×475mm，質巖性為高硬度凝灰巖，單軸抗壓強度測定平均值127.71MPa，CAI值2.68。巖石化學成分及含量如下表。

表1 巖石試樣化學成分含量(質量分數wt%)

1.2 試驗刀具

滾刀破巖試驗實驗刀具分別為4 把18 英寸單刃鑲齒滾刀和平刃滾刀，如圖1 所示。

1.3 試驗條件設計

本次試驗包含不同刀型下的滾刀破巖貫入度試驗與滾刀破巖刀間距試驗。

1.3.1 滾刀破巖貫入度試驗設計

圖1 兩種類型滾刀

本試驗依托福州地鐵4 號線巖層地質為背景，選取施工用直徑18 英寸的盤形平刃滾刀和鑲齒滾刀作為研究對象。試驗參數設計刀盤轉速為常規兩種轉速（2rpm，4rpm），研究3 種不同貫入度1mm/r、2mm/r 和3mm/r 的破巖情況。本次數據采集頻率為2 次/s，共有12 組破巖試驗，主要的設計參數見表2。

表2 滾刀破巖貫入度試驗的設計參數

1.3.2 滾刀破巖刀間距試驗設計

本試驗以福州地鐵4 號線巖層地質為背景，選取施工的直徑18 英寸的盤形平刃滾刀和鑲齒滾刀作為研究對象。試驗參數設計刀盤轉速為常規兩種轉速2rpm，貫入度2mm/r，研究3 種不同刀間距60mm，75mm，90mm 的破巖情況。本次數據采集頻率為2 次/s，共有6 組破巖試驗，主要的設計參數見表3。

表3 滾刀破巖刀間距試驗的設計參數

2 滾刀破巖試驗過程與數據分析

為了確保每組試驗的數據準備、可靠，在不同參數設定下，需要將巖石初始狀態恢復至同等條件，試驗的測量工具及傳感器采用統一標準。

2.1 滾刀破巖試驗準備

由于巖石試樣的表面不平整，為了保證不同參數下的數據的對比性，需將巖石表面進行磨平，確保巖石面無巖渣或凸臺。同時，將試驗所需量具量器進行規范校對，并對試驗后的渣土進行收集和拍照取證，從而保證試驗進行時傳感器記錄的數據準備、可靠。

2.2 貫入度試驗數據分析

隨著貫入深度的增加兩種類型滾刀平均破巖推力的變化如圖2 所示。由圖2 中可見，隨著貫入度的增加，兩種滾刀平均破巖推力均呈現增大的趨勢；但兩種不同類型滾刀對應的平均破巖推力增長速率并不相同，鑲齒滾刀增長的速率大于盤形平刃滾刀。從試驗數據可見，當貫入度小于1mm/r 時，鑲齒滾刀破巖所需的平均破巖推力小于平刃滾刀，貫入度大于1mm/r 時前者所需的平均推力大于后者。

圖2 貫入度與平均破巖推力關系

2.3 刀間距試驗數據整理

2.3.1 刀間距與破巖推力

將兩種類型滾刀在不同刀間距下，相同貫入度時的平均破巖推力匯總如表4 和表5 所示。從表中可以看出，當貫入度在1mm/r 左右時，刀間距在60mm、75mm 和90mm，4 把滾刀平均破巖推力均在300kN 左右，該數據也印證了圖2 曲線的趨勢，即貫入度為1mm/r 時，兩種滾刀的平均破巖推力近似相等。綜上所述，兩種滾刀的破巖推力大小只與貫入度相關，刀間距對滾刀平均破巖推力影響不大。

表4 平刃滾刀刀間距與平均破巖推力關系

表5 鑲齒滾刀破巖刀間距試驗的設計參數

2.3.2 比能的計算

比能是切削單位體積巖石所需的功率[9～10]，單位是MJ/m3。比能是體現TBM 掘進效率的一個重要指標，比能越小，說明破碎單位體積巖石所消耗的能量越小，破巖的效率越高[9]。從圖3可知兩種刀具的刀間距在70～80mm 這范圍內可獲得最小的比能。

圖3 破巖比能與刀間距關系

3 試驗結果分析

3.1 貫入度對滾刀力的影響

滾刀破巖比能與貫入度關系如圖4 所示，可知當貫入度為1～2mm/r 時，不管是鑲齒滾刀還是平刃滾刀兩者的破巖比能都是最小的，此時兩者刀具的破巖效率最高。當貫入度達到2.5 以上時，兩種刀具的破巖比能迅速增大，鑲齒滾刀的上升幅度比平刃滾刀的大。在貫入度2.5～3mm范圍，滾刀作用對巖石產生過度破碎，特別是鑲齒刀破巖過程中容易產生大量小塊巖片，巖粉也有所增加，導致滾刀破巖所需能量急速上升[9]。從表4 和表5 可知，滾刀的破巖推力僅與貫入度相關，其他因子(如轉速)則是通過影響貫入度而影響破巖推力。

圖4 破巖比能與貫入度關系

3.2 刀間距對破巖效果的影響

當刀間距為70mm和80mm時，如圖5 所示，相鄰滾刀之間的側向裂紋比較密集，破碎巖石顆粒比較多，塊體較碎小，側向裂紋交匯，破巖時利用側向裂紋的擴展延伸作用使巖塊剝落[8]。

圖5 不同刀間距下巖石破碎簡圖

圖6 是不同刀間距試驗后的巖渣圖，由圖可知刀間距60mm 時，渣樣細小，以粉塵居多，存在較多的軌跡殘留塊，這是由于刀間距過小形成過度破碎。刀間距75mm 時巖渣大小適中，巖石面破碎均勻、無過多的軌跡殘留塊，90mm 時巖渣大小適中，巖石面破碎相對均勻、存在局部的軌跡殘留塊。

圖6 不同刀間距下巖石渣樣

4 結論

本文基于滾刀巖機作用綜合實驗臺及福州地鐵4 號線工程項目背景，探討了掘進機的滾刀破巖機理，得出了兩種滾刀的最優貫入度及刀間距。這對福州地鐵4 號線全硬巖段盾構施工中刀具選擇及參數設定提供了有效參考依據。

1)對于兩種類型的滾刀，平均破巖推力均隨著貫入度的增加而增大;對于兩種類型滾刀，最優貫入度值為1～2mm/r，此時破巖比能最小，破巖效率最高。

2)對于鑲齒滾刀，貫入度為1～1.5mm/r時，此時破巖比能最小但破巖推力增長斜率大，刀具不過載情況下貫入度取最大值可獲得最大掘進速率。

3)對于盤形平刃滾刀貫入度為1.5mm/r時，此時破巖比能最小破巖推力增長斜率較緩，在刀具不過載前提下貫入度2mm/r 為最優值，此情況刀具受力均勻且破巖比能低且掘進速率最大。

4)對于兩種類型的滾刀，最優刀間距為70～80mm，此時可獲得最小的破巖比能，破巖效果良好。