廣東復雜地層下TBM刀具比選研究

楊孟

（廣東華隧建設集團股份有限公司，廣東 廣州 510228）

在TBM隧道施工中，項目是否能夠高效、經濟地完成，刀具的選型和管理是最關鍵的因素之一。在刀具磨損方面已經有較多的研究，例如，秦銀平等基于Rabinowicz磨粒磨損引入CSM破巖模型對磨損進行研究；張厚美TBM盤形滾刀磨損與滾刀滑動距離關系研究；張寧川通過對TBM、盾構盤形滾刀硬巖掘進的刃口磨損形狀分析及優化對策；喬世范等基于磨粒磨損機理的TBM滾刀壽命預測。

上述研究提供了大量的理論基礎，但是，對當前國內外刀具應用情況分析較少。本文通過對11家國內外刀具試驗，以及榕江關埠引水項目刀具消耗數據為基礎進行分析。以單刀圈的平均破巖量以及刀盤貫入度作為研究對象，以找到提高掘進效率和經濟效益的更優刀具配置方案及掘進參數。

1 刀盤刀具介紹

本文研究的背景：榕江關埠引水項目，工程輸水總線路35km，其中TBM隧道27km。采用3臺中鐵裝備雙護盾TBM施工。最大開挖直徑5060mm，最大推力為10500kN。其中4把17寸中心滾刀、27把19寸單刃滾刀。如圖1所示。

2 刀具試驗

T1隧洞圍巖基本穩定后，對國內外11家刀具開展2輪次試驗工作，其中國內9家，國外2家。試驗分正面刀和邊刀試驗，從不同維度進行試驗。

2.1 正面刀試驗

正面刀試驗時，將刀具同時安裝在刀盤上，所有刀具遇到的地質條件、掘進參數視同完全一致。正面刀與掘進方向平行，軸承與刀刃主要受徑向載荷，糾偏或者地層不均造成其他未知因素忽略不計。

本項目TBM刀盤的9#～26#刀刃是正面刀位，共18把。試驗選取國內制造商每家2把刀具，9家共18把。刀圈全部采用TBM專用光面刀圈，刀圈的刃型、硬度由廠家自主決定，刀具參數和分組表見表1。每個試驗組中的兩把刀位的工作軌跡線之和長度基本一致，即每組刀具的破巖量一致。磨損量達到20mm或者出現偏磨、斷刀圈等異常損壞則試驗結束。試驗期間總推力在4000～6100kN浮動，試驗截止時每組刀具總的磨損量結果，如表1所示。

結果僅考慮徑向總磨損量，磨損量越小成績越好，如表1排名1所示。國內9以33mm取得第1名的成績，國內8以34mm取得第2名。其他第3名到第9名磨損量在37～40mm，這7家成績比較接近。進一步把刃寬因素加進去分析，基于金屬總消耗量進行排名，情況如（排名2）所示，原來第1名和排名3～9名的廠家名次變化較小，但是，國內廠家8由原來的第2名變為第9名，國內廠家9仍然位居第1名。從總金屬消耗量看各家單位的成績在-13%～10%浮動，造成廠家8名次較大變化的主要原因為該單位采用了刃寬較大的刀圈，其總金屬消耗量較大。

表1 正面刀試驗表

式中，Δr為總徑向磨損量，d為刃寬。

注：該計算為定性計算，采用近似計算只是用來快速判斷刀圈金屬的大概剝落量，忽略掉刃口刃型、徑向磨損量差異造成計算誤差。

上述試驗在排除地層、推力、破巖量等一系列干擾因素得到準確的統計結果，對結果分析可知，采用總金屬消耗量代替徑向磨損量來評價刀圈的耐用性更加準確。

2.2 邊刀試驗

邊刀位于刀盤弧面區，工作時，刀刃與掘進方向有一定的夾角，軸承與刀刃除受徑向力外，還受到軸向力作用，掘進過程中存在一定的軸向滑動摩擦以及二次磨損。因此，邊刀磨損較快、承載要求高。

本次試驗選取最外沿的34#、35#刀位。除國內8不再參與外，其他8家單位均繼續參加試驗，另外邀請國外1和國外2兩家國外制造商參與試驗，共計10家。每個廠家分別提供2把刀具，依次進行試驗、磨損量達到10mm或者出現偏磨、斷刀圈等異常現象則試驗結束。本次試驗時，要求廠家對刀具進行檢修，并換統一刃型的刀圈，除國外兩家單位因生產周期原因外，其他單位均按要求提供刀具。試驗期間總推力在4000～7200kN浮動，在試驗截止時，各家刀具均未出現偏磨、斷刀圈等異常損壞現象，每組刀具總的磨損量和掘進里程如表2所示。

表2 邊刀試驗統計表

表3 日常刀圈消耗情況統計

如表2所示，10家刀具在試驗中，掘進里程28.4～64.73m，未有明顯規律。那么采用總金屬消耗量的方法評價，各家成績和排名如表2中排名1所示，顯然這次試驗成績的浮動比較大。邊刀試驗時，各家刀具在不同地層掘進，僅考慮單位金屬消耗量顯然是不能客觀體現刀具的性能。用推力大小來代替地層系數，計算基于地層因素單位金屬消耗量，具體公式如下文，計算結果如表2中排名2所示，最優和最差在-36%～44%浮動。可見在加入推力因素后，各家的成績差異更大，再與正面刀試驗各家成績進行比較，仍未發現有關聯性。綜上，在統一刃寬和刃型的情況下，無論是從掘進里程、單位金屬消耗量、疊加推力因素三個方面分析后，均未找到一致性的規律。驗證了邊刀磨損因素的復雜性，其磨損的規律性不強，從而證明傳統認識中通過邊刀掘進里程來判斷刀圈耐磨性是不準確的。

單位金屬消耗量=L/（ΔR·d）

基于地層因素單位金屬消耗量=（L·（F-1000kN））/（ΔR·d）

式中，L為掘進里程，F為掘進是總推力，其中1000kN為盾體與地層的摩擦力。

3 長距離超硬巖掘進應對策略

對1#TBM 10月—4月份掘進過程刀圈消耗量進行統計，很容易發現2月、3月刀圈破巖量急劇變小，下圖是2021年3月11日的掘進參數，推力一直維持在系統允許最大10500kN，但是，平均貫入度僅有1.6mm/rev左右，期間僅掘進9環。可見巖面抗壓強度極高，刀具對巖層的比壓沒有產生有效裂紋，進而影響掘進效率。挖掘出來渣樣少有塊狀，大部分是粉狀，也證實了這一點。

采用準確度高且在TBM上應用廣泛的CSM模型，對巖層強度進行推算，其公式如下：

式中，Fv1為垂直力，C為無量綱系數，取2.12，Φ為滾刀接觸角，R0為滾刀刀圈半徑；T為刀圈刃寬；ψ為刀圈刃口壓力分布系數，一般取0.1；S為滾刀刀間距；σc為巖石單軸抗壓強度；σt為巖石單軸抗剪強度，取0.1σc。

將掘進時的相應參數，代入上述公式，推算出巖石的單軸抗壓強度在200～230MPa。至此，找到了貫入度低、滾刀消耗大的主要原因。針對這種情況，采取以下應對措施：

（1）通過修改TBM操作系統，將掘進最大推力增至115000kN。

（2）將刃口由R10變更為R8，刃寬降低約15%。

（3）提前更換刀具，降低刀盤上刀具的平均刃寬。

在4月11日一次性更換17把刃口為R8的窄刃刀具，截至12日上午，貫入度未有明顯的改善。4月12日中午將推力提高10%后，貫入度變為2～6mm/rev，即使在極硬地層平均也可達3～4mm/rev（圖2、圖3）。在采取相關措施后，滾刀對巖層的比壓增大20%～25%，超過巖層的開裂強度，產生了有效碎裂，調整后單刀圈的破巖量也大大的提高。

4 結語

通過本文的刀具試驗、長距離刀具的統計分析，得到以下結論：傳統認識中通過邊刀掘進里程來判斷刀圈耐磨性是不準確的，用總金屬消耗量來評價刀圈的耐用性更加準確。目前，國內TBM刀具具有較高性價比，能夠滿足大部分工況使用，但刀具的刃寬則需要根據圍巖情況及時調整，同時實時調整掘進參數，使巖層產生有效開裂，進而降低換刀量，提高經濟性。