TBM多滾刀螺旋式破巖試驗系統研制及應用*

韓偉鋒，錢彤途

(1.盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 450001； 2.中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458；3.西安電子科技大學通信工程學院，陜西 西安 710071)

0 引言

TBM已廣泛應用于鐵路隧道、公路隧道、引水隧洞、城市地鐵和礦山深部巷道等眾多巖石工程中[1-3]。由于TBM是定制設備，需根據新建工程線路所經過的巖體物理力學特性進行TBM刀盤刀具選型設計。因此，滾刀破巖的力學響應和推力扭矩等主要指標對TBM掘進速率的預測和實際TBM施工過程中的參數動態調控具有重要意義。其中，室內全尺度滾刀破巖試驗是研究滾刀破巖機理及測定滾刀受力與破巖效率相對準確可靠的一種方法。表1總結了國內外已有文獻中報道的滾刀破巖試驗系統的研制和主要技術指標[4-12]。由于研究目的和需求不同，試驗系統在設計和實現的功能上有所側重。目前這些已研制的測試系統加載過程中都是采用相對運動完成滾刀破巖，即滾刀固定不動，裝有巖石的箱體做直線或旋轉運動完成破巖過程。也就是說，在破巖過程中都是恒貫入度破巖。而實際TBM掘進過程中刀盤旋轉的同時也在向前移動。因此，滾刀的運動軌跡為螺旋線。現有設備當安裝多把刀具共同破巖時，不能同時采集每把刀具的三向力信息。而滾刀受力與相鄰滾刀經過的順序密切相關。雖然單把滾刀按不同切割路徑依次切割可達到這一效果，但測試步驟略顯繁冗。因此，本文出于以上考慮，在原有滾刀破巖試驗平臺研制的基礎上，重新研制了全尺度多滾刀螺旋式破巖綜合試驗平臺。

表1 文獻中報道的TBM滾刀破巖試驗平臺及主要技術參數

1 試驗系統主要功能與技術指標

1.1 主要功能

該試驗系統可完成單滾刀準靜態貫入測試、單滾刀恒貫入度或恒法向力旋轉破巖測試、單滾刀螺旋線旋轉破巖測試、多滾刀按不同加載路徑聯合旋轉破巖測試和多把不同傾角邊滾刀聯合破巖測試，試驗過程中均可實時獨立監測每把滾刀的三向力。

1.2 主要技術指標

TBM掘進過程中推力、扭矩、轉速、貫入速率及沿洞線的掘進速度是控制滾刀破巖的主要參數。因此，滾刀破巖綜合試驗平臺基于TBM真實滾刀和常用刀間距，結合試驗用途和研究需求進行設計，其主要技術指標為：液壓馬達4個，進給油缸有效行程600mm，推進速度0～100mm/min，滾刀數量1～4把，滾刀直徑17/19in(1in=2.54cm)，滾刀法向最大荷載400kN，刀間距60～120mm，最大破巖深度400mm，最大輸出扭矩131kN·m，額定輸出扭矩110kN·m，刀盤最大推力1 600kN，刀盤額定推力1 280kN，刀盤最大轉速10r/min，最小破巖半徑單刀0/多刀737mm，最大破巖半徑1 096mm，方形巖樣尺寸2 455mm×2 455mm×550mm。

2 試驗系統組成

滾刀破巖試驗平臺主要包括封閉反力框架、刀盤系統、推進系統、主驅動系統、刀具安裝系統、巖箱系統、數據采集系統、液壓傳動系統、電氣控制系統及數據處理系統。各系統中材料的強度、剛度及結構穩定性全部在有限元ANSYS軟件中模擬校驗，確保試驗平臺具有足夠的可靠性。TBM滾刀破巖試驗平臺實物如圖1所示。

圖1 TBM滾刀破巖試驗平臺

2.1 封閉框架系統

封閉框架采用Q345A鋼板整體焊接而成(見圖2)，外輪廓尺寸分別為6 906mm×4 906mm×4 096mm(長×寬×高)，總重40.5t。滾刀破巖過程中產生的反推力及反扭矩全部由封閉反力框架承受。其中，框架上部4處主推進導向滑塊的側面承受滾刀旋轉反扭矩，框架立柱上4個鉸接支座承受主推油缸反推力。框架下部為直線導軌，卷揚機可將裝有試樣的巖箱沿著導軌推進和移出。框架四立柱梁上安裝有螺桿式巖箱鎖緊裝置，正式試驗時用于固定巖箱。

圖2 封閉反力框架

2.2 刀盤刀具系統

刀盤采用Q345A高強度鋼結構焊接而成(見圖3)，總重9.8t。刀盤上部安裝有法蘭，通過螺栓與主軸承連接。刀盤下方有安裝大刀箱的刀槽，滑槽里鑲嵌滾動鋼珠。刀槽頂部安裝有液壓油缸和拉線式位移傳感器，用于調整滾刀間距。當同時安裝4把滾刀時，最大破巖半徑1 096mm，最小破巖半徑737mm，刀間距可在60～120mm進行調整。當僅安裝1把滾刀時，滾刀可在滑槽內任意位置移動，破巖旋轉半徑則不受限制。

小刀箱通過2個三分量傳感器安裝在大刀箱上，用于監測滾刀破巖時的法向壓力、滾動力和側向擠壓力，最大量程依次為500，200，200kN。小刀箱通過安裝卡塊可安裝17in或19in滾刀。而且，17in滾刀可通過墊塊傾斜安裝，最大傾角為60°，主要用于研究TBM邊滾刀破巖。滾刀、刀箱和三分量傳感器安裝如圖4所示。

2.3 主驅動系統

參照真實盾構機軸承樣式，系統旋轉主動力采用4組液壓馬達驅動，通過扭矩-轉速傳感器、行星齒輪減速器、輸入外齒輪軸和內齒圈3排滾柱式旋轉支撐(內外齒嚙合傳動)傳遞扭矩，進而帶動刀盤刀具切削巖石。其優點是性能穩定，不受振動環境影響，加載能力易于擴展。主傳動箱是系統動力傳動的主要結構件，刀盤安裝在主傳動箱上，在掘進過程中，主傳動箱通過8條導軌安裝的主機架上，為刀盤推進提供直線機械導向，同時提供反扭矩。主傳動箱結構如圖5所示。

圖5 主傳動箱結構

2.4 主推進系統

反力架上有高精度重型直線導軌，在推進油缸作用下帶動刀盤系統向下進給，模擬盾構TBM軸向推進運動。主傳動箱和刀盤系統通過封閉反力架四柱上的4臺千斤頂和4對直線導軌共同作用將其安裝在反力架內部。刀盤總推力由4個400kN拉壓油缸共同組成。在拉壓油缸上安裝有量程為600kN的拉壓傳感器和量程為800mm的拉線式位移傳感器，分別用于測定推力和軸線位移，推進油缸安裝如圖6所示。

圖6 主推進系統

2.5 巖箱系統

為了充分利用巖樣，巖箱分為5層設計，最底層高150mm，其余4層高100mm(見圖7)。每層采用拉桿和螺栓連接。每根拉桿上設有最大量程為50kN的傳感器，可對巖樣施加一定約束。施加在拉桿上的荷載可在PLC觸屏和計算機上顯示。巖箱可沿直線導軌推進和拉出。直線導軌由4組HGW65HA導軌組成，每組導軌由3個滑塊與巖箱連接，采用15kN卷揚機進行推拉，巖箱前后采用銷接方式進行固定，左、右采用螺桿結構固定。

圖7 分層巖箱結構組成

3 多滾刀螺旋式破巖試驗初步應用

3.1 巖樣準備與測試方法

巖樣采用2塊均為2 455mm×1 228mm×550mm(長×寬×高)的山東萊蕪灰花崗巖拼接而成，單軸抗壓強度為145MPa，抗拉強度為13MPa，彈性模量為24GPa，泊松比為0.15。試驗過程中安裝4把19in滾刀同時滾動破巖，編號從內向外依次為1～4號，采用不同貫入度和轉速達到相同的掘進速度(見表2)，主要用于考察實際TBM在保證正常掘進速度的情況下，推力、扭矩隨貫入度和轉速的變化規律。

表2 滾刀破巖試驗中的主要參數設定

試驗過程中首先將刀間距調整至60mm，然后設定刀盤轉速和推進速度啟動旋轉，讓滾刀在旋轉過程中逐漸與巖石表面接觸并侵入巖石，當出現波動規律一致的法向推力及扭矩時，認為在特定貫入度和轉速條件下破巖達到穩定狀態。因此，將穩定的推力、扭矩和滾刀三向力作為該狀態下的掘進參數。每完成一個轉速測試立即停止試驗，然后仔細收集巖片和巖粉。隨后進行下一個轉速或貫入度的滾刀破巖測試。當變換刀間距至90mm時，由于上一次的滾壓凹痕與當前滾壓凹痕不一致，所以刀盤多旋轉幾圈將之前的凹痕切除，然后再正式進行試驗直至完成所有貫入度和轉速下的測試。

3.2 測試系統基本參數校驗

90mm刀間距條件下實際采集到的軸向位移、刀盤轉速、主推進系統推力、4把滾刀上的傳感器實測法向力和總扭矩隨時間的變化曲線如圖8所示。為了便于比較，選取120s內穩定的數據進行分析。可看出，即便軟件程序中設置恒定的轉速和軸向推進速度，但實際中采集到的轉速和軸向位移均存在明顯波動，其主要原因是滾刀從侵入完整巖石到裂紋起裂擴展形成巖片的過程中，滾刀的扭矩和軸向位移將會有一定的回彈卸荷調整，以適應破巖過程中巖石破碎復雜荷載及阻力變化。由于軸向推進速度均為1mm/min，所以不同貫入度及轉速下軸向位移增加的斜率基本一致。當貫入度從1mm/min減小至0.33mm/min時，軸向位移和刀盤轉速的波動幅度逐漸減小。這說明對于堅硬巖石，貫入度低的波動要相對小一些。

圖8 刀盤軸向位移、轉速、推力及扭矩時程曲線

實測參數與預設參數對比及波動范圍如圖9所示，其中誤差線為實測值偏離平均值的范圍。可看出，實測軸向平均進給速率分別為1.05，0.98，1.01mm/min，平均轉速分別為1.18，2.13，2.99r/min，這與軟件中的預設值大體一致。刀盤總推力略高于全部滾刀的總法向力，原因可能是刀盤旋轉過程中的反向扭矩由軸向推進導向滑塊承受。因此，主推進系統的推力要承受相當大荷載下的滑動摩擦力。總體而言，軸向位移控制、轉速、推進系統傳感器和滾刀上壓力傳感器的測試精度及穩定性達到了預期要求。

圖9 軸向位移、轉速和推力實測值校驗

3.3 多滾刀破巖三向力演化特征

刀間距為90mm，貫入度為1mm/r條件下1～4號滾刀三向力時程曲線如圖10所示。由圖可知，滾動半徑最大的4號滾刀法向力和滾動力波動最大，原因是當較大轉動速度遇到未破壞巖石時，瞬時沖擊力和卸載現象也越發強烈。1～3號滾刀的法向力峰值較接近，但是2～3號滾刀的法向力最小值明顯比1號滾刀要小，這是因為1號滾刀在最內側邊界上，其滾壓區域的損傷破壞與相鄰的2號滾刀有關，而中間2～3號滾刀的運行軌跡所在區域是兩側相鄰滾刀都產生一定的損傷區域，因此整體上最小荷載要低一些。滾動力的變化特征與法向力大致類似。側向力主要是由滾刀旋轉作用和楔形刀刃貫入巖石中，巖石對刀具沿著徑向方向的荷載。實測發現2號和4號滾刀側向力最大，1號和3號滾刀較接近，但均遠小于2號和4號滾刀。側向力的這種變化與滾刀破巖過程中刀具兩側巖片的破壞形態密切相關。按荷載大小從高到低依次為滾刀法向力、滾動力和側向力，因此，滾刀破巖起主導作用的是滾刀的法向壓力。

圖10 1～4號滾刀法向力、側向力及滾動力時程曲線

3.4 不同轉速及貫入度下扭矩推力變化規律

不同貫入度下的推力及扭矩變化特征如圖11所示。圖中計算結果均為120s內穩定掘進狀態下的推力和扭矩的平均值。可看出，刀盤推力隨貫入深度的增加而變大，刀間距為90mm的刀盤推力要大于相同條件下刀間距為60mm的推力。扭矩隨貫入度的增加整體上也呈現增加趨勢，但貫入度從0.33mm/r增加至1mm/r刀盤扭矩增加幅度并不明顯。

圖11 不同貫入度下的推力及扭矩

3.5 切削巖片及滾壓凹痕分析

刀間距為90mm，轉速為5r/min和8r/min情況下小于某粒徑的渣片質量累計百分比曲線如圖12所示。由圖可知，2條曲線規律大致相同，粒徑從<2.5mm增加至40mm再增加至100mm過程中，累計篩分百分比的增長幅度逐漸降低，說明大塊巖石渣片所占比例逐漸減小。粒徑<2.5mm的巖粉所占比例最高，分別為33%和40%，這些細顆粒粉末主要集中在滾刀下方凹痕的壓碎區內。

圖12 破碎巖片粒徑分析

4 結語

1)參照實際TBM施工過程中的破巖方式，設計并研制了多滾刀螺旋線破巖綜合試驗平臺，其主要由刀盤刀具系統、主推進系統、主驅動系統、巖箱系統和封閉反力框架系統組成。可進行單滾刀、多滾刀及邊滾刀在不同加載模式下的切削力學響應及掘進參數預估計研究。

2)經多滾刀破巖試驗測試，得出主推力傳感器和滾刀三向力傳感器測試精度相對可靠，軸向位移控制、轉速控制及扭矩相對穩定，試驗系統可為其他滾刀破巖試驗提供有力支撐。

3)滾動半徑越大，滾刀法向力和滾動力波動幅度越明顯。滾刀受力從高到低依次為法向力、滾動力和側向力。而且，滾刀側向力在多滾刀破巖過程中存在相互影響。當貫入度較低時，扭矩變化并不明顯，但推力變化幅度較明顯。