基于層次分析法的TBM滾刀評(píng)價(jià)方式*

李 雪 陳 霖 霍 鵬,3 馬文帥 龔子邦 吳九七

(1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,610500,成都;2.上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,201804,上海;3.四川航天建筑工程有限公司,610100,成都;4.中鐵十九局集團(tuán)公司軌道交通工程有限公司,101300,北京)

在高磨蝕性巖層中,TBM(硬巖隧道掘進(jìn)機(jī))采用的主要刀具為滾刀,但掘進(jìn)過(guò)程中刀具磨損問(wèn)題較為突出。刀具磨損后的頻繁換刀不僅影響施工工期,還增加了施工成本,刀具的檢測(cè)與更換在實(shí)際施工過(guò)程中所用時(shí)間占比高達(dá)20%～40%,換刀成本占到了總施工成本的1/3[1]。

刀具在高磨蝕性巖層中的磨損問(wèn)題一直是該領(lǐng)域的研究難點(diǎn),針對(duì)這一問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多通過(guò)建立刀具磨損預(yù)測(cè)模型來(lái)進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[2]提出刀具磨損的主要原因是磨粒磨損和黏著磨損,并建立了滾刀磨損預(yù)測(cè)通用計(jì)算模型。文獻(xiàn)[3]研究了滾刀的運(yùn)動(dòng)軌跡和磨粒分布對(duì)刀具磨損的影響,建立了砂卵石地層TBM刀具的磨損預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)[4-5]針對(duì)高磨蝕性巖層中的刀具磨損嚴(yán)重問(wèn)題,利用縮尺滾刀進(jìn)行了室內(nèi)試驗(yàn),并基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證建立了高磨蝕性巖層中的滾刀磨損預(yù)測(cè)模型。文獻(xiàn)[6]以成都地鐵1號(hào)線(xiàn)和7號(hào)線(xiàn)為例,總結(jié)了砂卵石巖層中影響滾刀磨損量的各種因素。文獻(xiàn)[7]研究了滾刀張拉破巖模式和CSM(科羅拉多力學(xué)模型),對(duì)高磨蝕性巖層中滾刀的非正常磨損進(jìn)行了監(jiān)測(cè)和實(shí)例分析。文獻(xiàn)[8]對(duì)復(fù)合地層中的滾刀磨損風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行了過(guò)模糊評(píng)判,針對(duì)不同巖性中的刀具選擇問(wèn)題進(jìn)行了研究分析。

目前,對(duì)于硬巖巖層中滾刀的壽命預(yù)測(cè)及磨損規(guī)律的研究較多,但鮮少有文獻(xiàn)針對(duì)不同的滾刀評(píng)價(jià)體系進(jìn)行研究。基于此,本文通過(guò)選取不同品牌的滾刀,以控制變量法設(shè)計(jì)了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)分析了不同刀具在粉砂巖地層中的磨損特征。采用層次分析法,選取正常磨損和非正常磨損的7個(gè)影響因素,建立滾刀磨損失效危害評(píng)價(jià)模型。通過(guò)滾刀失效影響評(píng)價(jià)值對(duì)不同品牌的滾刀直接進(jìn)行評(píng)分,選出最優(yōu)滾刀品牌。本文研究可為高磨蝕性巖層中滾刀的比選提供基礎(chǔ)。

1 工程背景介紹

1.1 工程概況

廣佛東環(huán)城際鐵路大源站至太和站區(qū)間線(xiàn)路長(zhǎng)約6.80 km,采用兩臺(tái)土壓平衡和TBM雙模式盾構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)施工。地鐵隧道穿越的地層主要為中風(fēng)化片麻巖(占32%)和強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖(占25%)。盾構(gòu)隧道穿越的地層主要為中風(fēng)化粉砂巖和強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖。巖樣天然抗壓強(qiáng)度為2.75～139.50 MPa,抗壓強(qiáng)度變化大,巖層軟硬不均,刀具磨損嚴(yán)重。隧址區(qū)屬預(yù)丘陵地貌,地勢(shì)起伏大,隧道埋深為14.5～15.8 m。掘進(jìn)地層縱斷面示意圖如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)地層縱斷面示意圖

1.2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案

在大源站至太和站區(qū)間掘進(jìn)過(guò)程中,4家滾刀品牌可供選擇,為選擇相同條件下掘進(jìn)距離長(zhǎng)、刀具磨損小、高磨蝕性巖層適應(yīng)性好的刀具方案,設(shè)計(jì)了控制變量試驗(yàn),即控制刀間距、掘進(jìn)地層、滾動(dòng)半徑等參數(shù)保持不變,對(duì)掘進(jìn)的滾刀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)分析,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)信息如表1所示。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)信息

TBM刀盤(pán)按照1+2分塊形式設(shè)計(jì),滾刀共59把,S1—S12滾刀為中心滾刀,S13—S49為正面滾刀,S50—S58B為邊緣滾刀,刀盤(pán)布局示意圖如圖2所示。中心刀具采用雙刃滾刀,其余采用單刃滾刀,滾刀規(guī)格均為17寸(56.61 cm)。選取右線(xiàn)管片179環(huán)—245環(huán)為試驗(yàn)區(qū)段,掘進(jìn)距離為120.6 m,穿越地層包括中風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖地層。以邊緣滾刀S50—S57作為試驗(yàn)用刀,即圖2所示邊緣區(qū)域刀具。

圖2 刀盤(pán)布局示意圖

為研究高磨蝕性地層下滾刀的磨損規(guī)律及類(lèi)型,統(tǒng)計(jì)了179環(huán)—245環(huán)所有刀具的磨損數(shù)據(jù),經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),在掘進(jìn)過(guò)程中,滾刀磨損分為正常磨損和非正常磨損。滾刀的正常磨損失效比例達(dá)到了76.71%,究其原因主要為,在刀具破巖過(guò)程中,刀具與巖石發(fā)生相互摩擦切削,造成刀具相對(duì)均勻的磨蝕損耗。滾刀的非正常磨損失效比例達(dá)到了23.29%,其中偏磨占比為14.20%,占比較高。刀具非正常磨損情況統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 刀具非正常磨損情況統(tǒng)計(jì)

2 基于層次分析法的滾刀評(píng)價(jià)方法

2.1 滾刀磨損失效危害評(píng)價(jià)模型

采用層次分析法確定盾構(gòu)刀具磨損中各失效類(lèi)型因素所造成風(fēng)險(xiǎn)的相對(duì)權(quán)重,權(quán)重越高則危害性越大,權(quán)重越低則危害性越小。基于前文所述的磨損類(lèi)型,建立磨損因素集U={u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7}[9],根據(jù)層次分析法建立評(píng)價(jià)指標(biāo)體系,所建立的滾刀磨損失效危害評(píng)價(jià)模型如圖3所示。將滾刀磨損失效劃分為正常磨損失效與非正常磨損失效兩大類(lèi),非正常磨損失效下屬各類(lèi)型(包括單邊或多邊弦偏磨、刃偏磨或刀刃磨尖、軸承磨損、刀圈脫出或斷裂、卷刃、擋圈脫落、正常磨損)作為基礎(chǔ)評(píng)價(jià)因子,對(duì)滾刀失效危害進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

圖3 滾刀磨損失效危害評(píng)價(jià)模型

:

2.2 建立比較判斷矩陣與一致性檢驗(yàn)

基于1到9的比例標(biāo)度進(jìn)行危害調(diào)查與專(zhuān)家咨詢(xún)調(diào)查,按照危害越大,評(píng)價(jià)分?jǐn)?shù)越高的評(píng)價(jià)機(jī)制進(jìn)行排名,風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分值表如表3所示。針對(duì)影響滾刀失效危害性評(píng)價(jià)的7個(gè)因素,分別根據(jù)表3中的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分值進(jìn)行兩兩比較,可以得到比較判斷矩陣A,其示意圖如圖4所示。

表3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)分值表

圖4 比較判斷矩陣示意圖

用方根法對(duì)比較判斷矩陣A進(jìn)行特征值及特征向量求解,計(jì)算7種失效類(lèi)型危害的權(quán)重(w1q,…,w7q):

經(jīng)過(guò)方根量綱一化處理后,可以得到失效類(lèi)型危害的相對(duì)權(quán)重w1=0.102,w2=0.06,w3=0.154,w4=0.349,w5=0.06,w6=0.237,w7=0.037。相對(duì)權(quán)重矩陣w=[w1w2w3w4w5w6w7]T。

比較判斷矩陣的最大特征值λmax可以表示為:

式中:

Bi——比較判斷矩陣A與相對(duì)權(quán)重矩陣w相乘后所得矩陣中的第i個(gè)元素;

n——比較判斷矩陣階數(shù),本文取n=7。

最后進(jìn)行一致性檢驗(yàn),一致性指標(biāo)γCI為:

7階矩陣隨機(jī)一致性指標(biāo)γRI=1.36,則一致性比率γCR為:

由此可知,滾刀磨損失效危害評(píng)價(jià)模型通過(guò)一致性檢驗(yàn)。

2.3 滾刀失效影響評(píng)價(jià)值

由前文的計(jì)算結(jié)果可知,刀圈脫出或斷裂、擋圈脫落和軸承磨損三者的相對(duì)危害權(quán)重排在前3位,說(shuō)明這三者的危害等級(jí)相對(duì)較高。其中,刀圈脫出或斷裂易對(duì)刀具造成二次傷害,進(jìn)而造成更為嚴(yán)重的刀具刀盤(pán)磨損,對(duì)施工項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性影響較大,需要重點(diǎn)關(guān)注和控制。

在實(shí)際施工項(xiàng)目中,不同種類(lèi)滾刀的各失效類(lèi)型及磨損情況各不相同。為了更好地應(yīng)用于實(shí)際案例,引入滾刀失效影響評(píng)價(jià)值N和失效類(lèi)型發(fā)生頻率占比bi,以綜合評(píng)價(jià)滾刀的失效影響。滾刀失效影響評(píng)價(jià)值越高,表示滾刀在使用過(guò)程中失效帶來(lái)的負(fù)面影響越嚴(yán)重。滾刀失效影響評(píng)價(jià)值N可以表示為:

(1)

3 實(shí)際案例分析

根據(jù)上述評(píng)價(jià)方式,統(tǒng)計(jì)4個(gè)品牌的滾刀在試驗(yàn)區(qū)段的磨損速率,為了更加直觀地對(duì)比各品牌滾刀的磨損速率,將a品牌滾刀磨損速率設(shè)為對(duì)照參數(shù)1,計(jì)算出各品牌刀具的相對(duì)磨損速率。結(jié)合試驗(yàn)時(shí)發(fā)生的3種非正常磨損和正常磨損失效類(lèi)型危害的相對(duì)權(quán)重,根據(jù)式(1)計(jì)算4個(gè)品牌滾刀的失效影響評(píng)價(jià)值,如表4所示。各刀具品牌的相對(duì)磨損速率和失效影響評(píng)價(jià)值對(duì)比,如圖5所示。

表4 滾刀失效影響評(píng)價(jià)計(jì)算表

圖5 各刀具品牌相對(duì)磨損速率和失效影響評(píng)價(jià)值對(duì)比

c品牌與d品牌滾刀的失效影響評(píng)價(jià)值較低,表明該滾刀在工作過(guò)程中發(fā)生非正常失效時(shí),對(duì)項(xiàng)目工程的危害性更小。值得注意的是,d品牌滾刀未曾發(fā)生刀圈掉落或斷裂等高危害特殊刀具失效的情況。d品牌滾刀的耐磨性能相較c品牌滾刀而言表現(xiàn)較差,可能是由于刀具硬度較低的緣故。d品牌滾刀的非正常磨損風(fēng)險(xiǎn)控制較好,但在正常切屑破巖方面的耐磨性表現(xiàn)相對(duì)較差。c品牌滾刀在正常切削時(shí)的耐磨蝕性能更好,表現(xiàn)較為均衡。綜上所述:建議在磨蝕性較強(qiáng)、硬度較大的地層采用表現(xiàn)均衡的c品牌滾刀;而在硬度相對(duì)較低、刀具非正常失效頻發(fā)的巖層采用非正常失效控制良好的d品牌滾刀。各品牌對(duì)比結(jié)果及選用建議如表5所示。

表5 滾刀品牌對(duì)比及選用建議

4 結(jié)論

1) 將刀盤(pán)分區(qū)進(jìn)行編號(hào),并統(tǒng)計(jì)了高磨蝕巖層中的滾刀失效類(lèi)型與占比,非正常磨損占比為23.29%,正常磨損占比為76.71%,選取7種磨損類(lèi)型作為影響因子,建立滾刀失效影響評(píng)價(jià)模型。

2) 采用層次分析法建立了各級(jí)指標(biāo)評(píng)價(jià)矩陣,并進(jìn)行了一致性檢驗(yàn),引入失效類(lèi)型占比作為另一因變量,求出滾刀失效影響評(píng)價(jià)值,失效影響評(píng)價(jià)值越高,滾刀在使用過(guò)程中失效帶來(lái)的負(fù)面影響越嚴(yán)重。

3) 用所提評(píng)價(jià)方式求出4個(gè)品牌滾刀的失效影響評(píng)價(jià)值,c品牌和d品牌滾刀的失效影響評(píng)價(jià)值分別為7.141和4.816,遠(yuǎn)小于a品牌的7.587和b品牌的9.058,但d品牌的相對(duì)磨損速率大于c品牌,由此得出c品牌滾刀最適合在高磨蝕性巖層中使用,a品牌滾刀適用于硬度極大的巖層,b品牌滾刀不推薦使用,d品牌滾刀適用于硬度較小的巖層。