孫振川， 楊延棟， 陳 饋， 李鳳遠(yuǎn)， 張 兵

(盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

引漢濟(jì)渭嶺南TBM工程二長花崗巖地層滾刀磨損研究

孫振川， 楊延棟， 陳 饋， 李鳳遠(yuǎn)， 張 兵

(盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室， 河南 鄭州 450001)

針對秦嶺二長花崗巖條件下TBM滾刀消耗嚴(yán)重的問題，依托引漢濟(jì)渭嶺南TBM工程，通過對現(xiàn)場巖樣和刀圈材料開展室內(nèi)試驗，明確巖石的磨蝕性能和刀圈的耐磨性能指標(biāo)，發(fā)現(xiàn)巖石的磨蝕性由其抗壓強度與礦物成分共同決定，刀圈的耐磨性主要取決于材料的成分及組織。通過對前2 000 m試掘進(jìn)段刀具使用情況和磨損數(shù)據(jù)的分析，掌握各個刀位的磨損規(guī)律： 1)正滾刀的累計磨損量隨滾刀安裝半徑的增加近似呈線性增長； 邊滾刀中處于過渡區(qū)域的滾刀累計磨損量最大，兩側(cè)逐漸減小。2)與滾動距離磨損速率相比，破巖體積磨損速率更能準(zhǔn)確衡量滾刀磨損的快慢程度。3)重復(fù)磨損對邊滾刀磨損影響較大，而通過在邊緣區(qū)域增加滾刀數(shù)量來提高耐磨性的方法可以起到一定作用，但不能從根本上解決問題。

隧洞； TBM； 盤形滾刀； 磨損規(guī)律； 二長花崗巖地層； 引漢濟(jì)渭工程

Abstract: The TBM disc cutter wear is serious when boring in monzonitic granite strata of Qinling Mountain. The abrasion performance of the rock and the wear resistance performance of the cutter ring are clarified by laboratory test on rock samples and the cutter ring materials taken from Lingnan TBM Section of Hanjiang River-Weihe River Water Conveyance Project. The abrasiveness of rock is affected by compressive strength and mineral composition of rock; and the wear resistance of the cutter ring is mainly affected by the composition and organization of the materials. The wear rules of different disc cutters are figured out by the analysis of cutter usage and wear data gained from 2 000 m test section. It is found that: 1) The cumulative wear of the inner cutters shows approximate linear with the installation radius increase; and the maximum cumulative wear of edge cutters occurs at the transition zone. 2) The wear rate calculated by unit rock breaking volume is superior to wear rate calculated by unit tunneling distance in terms of wear speed of disc cutter. 3) The repeated wear has great influence on the wear of edge cutters; and by increasing the numbers of disc cutters in the marginal area, the wear resistance of disc cutter can be improved, to a certain extent; but it can not be improved basically.

Keywords: tunnel; TBM; disc cutter; wear rule; monzonitic granite strata; Hanjiang River-Weihe River Water Conveyance Project

0 引言

在高強度硬巖地層TBM施工中，滾刀磨損消耗占TBM施工成本較高，如穿越秦嶺的西康鐵路秦嶺隧道，滾刀消耗費用高達(dá)掘進(jìn)機(jī)施工費用的1/3[1]。因此，TBM滾刀磨損問題受到學(xué)術(shù)界和工程界的高度關(guān)注。

針對刀具磨損問題，國內(nèi)外專家和學(xué)者開展了大量的研究。文獻(xiàn)[2-4]通過室內(nèi)試驗和現(xiàn)場試驗，建立了TBM掘進(jìn)效率和刀具磨損評價的CSM、NTNU模型。文獻(xiàn)[5-6]結(jié)合國內(nèi)外工程實例，對上述預(yù)測模型進(jìn)行了實踐，發(fā)現(xiàn)實際情況與預(yù)測結(jié)果相符度不高。文獻(xiàn)[7]對西康線秦嶺隧道TB880E滾刀的磨損形式和磨損規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。文獻(xiàn)[8]對西康線秦嶺隧道TB880E滾刀的二次磨損機(jī)制及規(guī)律進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[9]提出滾刀徑向磨損系數(shù)、軸向磨損系數(shù)和軌跡磨損系數(shù)，對滾刀的耐磨性進(jìn)行評價。文獻(xiàn)[10-12]從微觀和宏觀方面對滾刀磨損進(jìn)行了研究，提出了滾刀磨損的理論預(yù)測模型，但理論研究結(jié)果僅得到少量工程數(shù)據(jù)支撐，其可靠性需要進(jìn)一步驗證。

目前針對滾刀磨損規(guī)律的研究大多針對具體工程展開，具有較大的應(yīng)用局限性。無論是已建成的西康鐵路秦嶺隧道，還是在建的引漢濟(jì)渭嶺南TBM工程，有關(guān)滾刀消耗嚴(yán)重的問題，均未能找到有效的解決方法。本文針對引漢濟(jì)渭嶺南TBM工程，從二長花崗巖地層特性、刀圈材料特性以及刀具的現(xiàn)場使用情況等方面，開展秦嶺二長花崗巖條件下TBM滾刀磨損規(guī)律分析，以期為TBM施工提供參考。

1 工程概況

引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞全長81.8 km，嶺南TBM段全長18.275 km，由TBM后配套安裝洞、主機(jī)安裝洞、步進(jìn)洞、始發(fā)洞、檢修洞和TBM 2個掘進(jìn)施工段組成。工程位于秦嶺嶺脊高中山區(qū)及嶺南中低山區(qū)，地形起伏，隧道埋深500～2 000 m。巖性主要以花崗巖為主，單軸抗壓強度96.7～242 MPa，抗拉強度2.1～3.3 MPa，內(nèi)摩擦角51°～68.5°，內(nèi)聚力1.44～12.53 MPa，完整系數(shù)0.59～0.89。圍巖類別以Ⅱ類為主，占72.9%； 此外，Ⅰ類占16.7%，Ⅲ類占6.5%，Ⅳ類占2.9%，Ⅴ類占1%。地表水較發(fā)育，地下水為基巖裂隙水，水量較豐富，受大氣降水補給，全隧可能發(fā)生的最大涌水量為41 000 m3/d。

嶺南TBM段采用φ8.02 m開敞式TBM掘進(jìn)，安裝新刀時的開挖直徑為8.05 m。刀盤上布置有4把43.18 cm(17英寸)中心雙刃滾刀，編號為1#—8#； 同時布置有43把50.80 cm(20英寸)單刃滾刀，編號為9#—51#。刀盤滾刀布置如圖1所示。其中： 1#—8#滾刀刀間距為101.6 mm； 9#—39#滾刀為正滾刀，刀間距為82.4 mm； 40#—51#滾刀為邊滾刀，刀間距依次減小。

2 巖石磨蝕性指標(biāo)與刀圈耐磨性指標(biāo)

2.1 巖石磨蝕性能指標(biāo)

針對引漢濟(jì)渭嶺南TBM工程，在掘進(jìn)距離500～1 000 m范圍內(nèi)，每50 m取樣一次，共取樣11組。利用Leitz Orthoplan顯微鏡開展巖石薄片鑒定試驗，獲取巖樣巖性及礦物成分。部分巖樣的薄片鑒定顯微照片如圖2所示。巖樣巖性主要為片麻狀細(xì)粒二長花崗巖、斑狀二長花崗巖以及中細(xì)粒二長花崗巖； 礦物成分主要為石英、斜長石、鉀長石，另外還有少量的云母。通過巖石壓力試驗機(jī)獲取巖樣單軸抗壓強度UCS，通過巖石磨蝕伺服試驗儀[13]獲取巖樣磨蝕性能指標(biāo)CAI，得到各組巖樣磨蝕性能指標(biāo)見表1。

(a) 滾刀平面布置

Wmax表示該區(qū)域滾刀允許的最大磨損量。

(b) 滾刀布置間距示意圖(單位： mm)

圖1 TBM刀盤滾刀布置

Fig. 1 Layout of TBM disc cutters

(a) 片麻狀細(xì)粒二長花崗巖

(b) 斑狀二長花崗巖

(c) 中細(xì)粒二長花崗巖

表1 巖石磨蝕性能指標(biāo)

從11組二長花崗巖磨蝕性測試結(jié)果來看，礦物成分中石英含量平均值為23%～25%，長石的含量高達(dá)62%～73%。石英的莫氏硬度為7，長石的莫氏硬度為6，可見石英、長石均有較高的磨蝕性，因而礦物成分中高含量的石英和長石是導(dǎo)致滾刀消耗嚴(yán)重的因素之一。另外，目前普遍認(rèn)為TBM適合于巖石單軸抗壓強度為30～150 MPa的中等堅硬至硬巖中[14]，且在硬巖中掘進(jìn)對TBM的推力、刀具和刀具軸承的要求較高，可能造成易損件的頻繁更換，費時且極不經(jīng)濟(jì)； 由二長花崗巖的單軸抗壓強度平均值高達(dá)167 MPa可見，該掘進(jìn)段的巖石單軸抗壓強度高也是造成刀具消耗嚴(yán)重的因素之一。

巖石磨蝕性是由巖石硬質(zhì)礦物成分與單軸抗壓強度等因素共同決定的[12]。若巖石硬質(zhì)礦物成分含量較低，即使單軸抗壓強度高，巖石磨蝕性也不高； 若巖石硬質(zhì)礦物成分含量高、單軸抗壓強度低，意味著巖石對硬質(zhì)顆粒的膠結(jié)能力弱，磨粒容易脫落，巖石磨蝕性也低； 只有當(dāng)兩者都較高時，巖石的磨蝕性才較高。該掘進(jìn)段衡量巖石磨蝕性的指標(biāo)CAI值高達(dá)0.335 mm，在巖石磨蝕性分級中處于較高等級，造成刀具消耗嚴(yán)重。通過該工程和東北某引水隧洞的巖石取樣，得到CAI與單軸抗壓強度UCS、巖石等效石英含量EQC[15]的擬合關(guān)系如圖3所示。

2.2 刀圈耐磨性指標(biāo)

針對引漢濟(jì)渭嶺南TBM工程前2 000 m試掘進(jìn)段使用的國外某品牌的滾刀和試掘進(jìn)段后現(xiàn)場試驗的某品牌的滾刀，對刀圈進(jìn)行金相組織、元素成分、洛氏硬度以及沖擊韌性測試試驗。根據(jù)金相組織測試結(jié)果： 試掘進(jìn)段刀圈組織為板條狀馬氏體，如圖4(a)所示； 試掘進(jìn)段后現(xiàn)場試驗的刀圈組織為回火索氏體，周圍有少量的碳化物，如圖4(b)所示。由于試掘進(jìn)段后現(xiàn)場試驗用滾刀刀圈的組織以馬氏體的回火態(tài)為基體，并析出具有高硬度、高熔點的碳化物，同時這些碳化物鑲嵌在回火索氏體基體上，使刀圈的硬度較高，但沖擊韌性較差； 而試掘進(jìn)段滾刀刀圈的金相組織顯示大量細(xì)小碳化物彌散分布在板條狀馬氏體基體中，刀圈刃部硬度值雖沒回火索氏體刀圈高，但沖擊韌性較好。建議如下： 巖石單軸抗壓強度高于150 MPa時，采用板條狀馬氏體組織的刀圈，優(yōu)先考慮刀圈的抗沖擊韌性，降低刀具異常磨損； 巖石單軸抗壓強度低于150 MPa時，采用回火索氏體組織的刀圈，優(yōu)先考慮刀圈的硬度，提高耐磨性。2種滾刀刀圈的元素成分和耐磨性指標(biāo)如表2所示。

圖3 巖石磨蝕性的影響關(guān)系

(a) 板條狀馬氏體

(b) 回火索氏體

3 TBM滾刀使用情況與磨損量統(tǒng)計分析

3.1 TBM滾刀使用情況與累計磨損量統(tǒng)計

通過現(xiàn)場跟蹤，對引漢濟(jì)渭工程嶺南TBM施工段前2 000 m試掘進(jìn)段的刀具使用情況進(jìn)行了統(tǒng)計分析，如表3所示。滾刀的異常磨損形式主要有刀圈偏磨、崩裂、卷刃及滑動，擋圈斷裂，密封漏油，刀體磨損和軸承損壞等。

通過前2 000 m試掘進(jìn)段刀具消耗數(shù)量統(tǒng)計，可初步預(yù)測在秦嶺二長花崗巖地質(zhì)條件下整個工程的滾刀刀圈消耗量。為進(jìn)一步研究不同刀位滾刀磨損量的規(guī)律，對不同刀位滾刀刀圈累計磨損量進(jìn)行統(tǒng)計，異常磨損的刀圈統(tǒng)計累計磨損量時按相鄰正常磨損滾刀的磨損量記。滾刀累計磨損量如圖5所示。

由圖5可知： 正滾刀的累計磨損量隨滾刀安裝半徑的增加呈近似線性增長； 邊滾刀中處于過渡區(qū)域的43#刀累計磨損量最大，達(dá)1 996 mm，平均每延米的磨損量為1 mm，該刀位兩側(cè)磨損量逐漸減小。

表2 滾刀刀圈的元素成分和耐磨性指標(biāo)

注：αK為材料V型缺口夏比沖擊試驗吸收功。

表3 滾刀使用情況

圖5 滾刀累計磨損量

目前對于提高邊緣刀具的換刀距離有2種觀點。一種觀點認(rèn)為，在43#刀位附近增加1把滾刀，分擔(dān)邊緣區(qū)域滾刀的破巖任務(wù)，可以降低43#刀的磨損速率，提高整個邊緣區(qū)域的換刀距離，節(jié)約換刀時間，提高TBM機(jī)時率； 同時，該刀盤設(shè)計時在該刀位軌跡附近預(yù)留了1個未焊接刀座的安裝孔，具備改造條件，但要通過計算整個刀盤的傾覆力矩，確保增加刀具之后刀盤的穩(wěn)定性。另一種觀點認(rèn)為，邊緣區(qū)域滾刀的重復(fù)磨損(指巖碴向底部下落過程中對滾刀造成的磨損以及巖碴堆積在刀盤底部重復(fù)破碎所造成的刀具磨損)嚴(yán)重，若增加邊緣刀具會進(jìn)一步加大重復(fù)磨損的消耗量，且對延長邊滾刀的換刀距離效果不明顯，不建議增加刀具。對于上述2種觀點，應(yīng)首先明確重復(fù)磨損的影響程度，以便做出更準(zhǔn)確的判斷。

3.2 TBM滾刀累計磨損量分析

衡量滾刀磨損的快慢，有學(xué)者利用單位掘進(jìn)距離滾刀的徑向磨損量，也有學(xué)者利用單位破巖體積滾刀的徑向磨損量。根據(jù)前2 000 m累計磨損量計算每個刀位的滾動距離磨損速率和破巖體積磨損速率。滾動距離磨損速率為累計磨損量除以該刀位的累計滾壓距離，累計滾壓距離計算公式見式(1)； 破巖體積磨損速率為累計磨損量除以該刀位的累計破巖體積，累計破巖體積計算公式見式(2)。滾動距離磨損速率和破巖體積磨損速率計算結(jié)果如圖6所示。由于計算滾動距離磨損速率時1#刀位出現(xiàn)明顯異常，計算破巖體積磨損速率時51#刀位出現(xiàn)明顯異常，因此分析時未考慮上述2個刀位。

li=2πRil/h；

(1)

Vi=2πRiSil。

(2)

式中：Ri為滾刀的安裝半徑，Si為滾刀的刀間距，按照TBM刀盤刀具的設(shè)計參數(shù)確定；l為TBM掘進(jìn)距離，h為掘進(jìn)段內(nèi)滾刀的平均貫入度，按照實際掘進(jìn)情況確定，l取2 000 m，h經(jīng)計算取6.25 mm/r。

(a) 滾動距離磨損速率

(b) 破巖體積磨損速率

由圖6(a)可知： 不同刀位正滾刀的滾動距離磨損速率值均比較接近，平均值為0.096 mm/km； 邊滾刀滾動距離磨損速率與累計磨損量具有相似的分布規(guī)律，43#刀位最大，兩側(cè)逐漸減??； 中心滾刀滾動距離磨損速率隨安裝半徑的增加逐漸減小?？梢姴捎脻L刀滾動距離磨損速率評價方法，不能消除刀盤上滾刀布置對滾刀磨損速率的影響，滾刀的磨損除了與刀刃滾壓的距離有關(guān)，可能還與相鄰滾刀間的刀間距有關(guān)。正滾刀的刀間距基本相同，因而滾動距離磨損速率可以反映滾刀磨損的快慢； 而邊緣區(qū)域雖然滾刀的滾壓距離在增加，但刀間距在減小，此時滾動距離磨損速率不足以作為衡量滾刀磨損快慢的指標(biāo)。

由圖6(b)可知： 不同刀位正滾刀的破巖體積磨損速率值均比較接近，平均值為0.188 mm/m3。40#—42#過渡區(qū)域刀位的破巖體積磨損速率逐漸增加； 42#—50#邊緣區(qū)域刀位的破巖體積磨損速率值較穩(wěn)定，平均值為0.496 mm/m3。破巖體積磨損速率與滾動距離磨損速率相比，不僅考慮了滾刀的滾壓距離，而且考慮了刀間距。另外，雖然正滾刀和邊滾刀的破巖體積磨損速率均有穩(wěn)定值，但各區(qū)域間存在很大差異，說明影響滾刀磨損快慢的還有其他因素。分析正滾刀區(qū)域和邊滾刀區(qū)域的工作狀況可知： 刀盤正滾刀僅發(fā)生了直接破巖所產(chǎn)生的一次磨損； 而邊滾刀除了破除開挖面巖體發(fā)生磨損，由于破除后的巖碴堆積在TBM刀盤面板前方底部，在TBM掘進(jìn)時邊滾刀又對破除下來的巖塊進(jìn)行重復(fù)破碎，產(chǎn)生重復(fù)磨損。因此，邊緣區(qū)域滾刀的體積磨損速率較高，該區(qū)域滾刀的磨損是直接破巖發(fā)生的一次磨損與重復(fù)磨損疊加的結(jié)果。從數(shù)值上看，邊緣區(qū)域滾刀的破巖體積磨損速率平均值是正面區(qū)域的2.6倍，可見重復(fù)磨損速率是一次磨損速率的1.6倍，對滾刀磨損影響較大。如果在43#刀位軌跡附近的預(yù)留孔處增加1把滾刀，可對延長邊緣區(qū)域的換刀距離起到一定的作用，但被重復(fù)磨損消耗的破巖能力較多，不能從根本上解決問題。對于中心滾刀，由于中心區(qū)域滾刀的運行半徑小，滾刀刀刃發(fā)生嚴(yán)重的側(cè)向滑動，滾刀產(chǎn)生嚴(yán)重的滑移磨損； 此外，其安裝半徑越大，側(cè)滑量越小，滾刀磨損量越小。

4 結(jié)論與建議

1)通過秦嶺二長花崗巖磨蝕性能和滾刀耐磨性能指標(biāo)試驗，明確了巖石磨蝕性是由巖石硬質(zhì)礦物成分與單軸抗壓強度等因素共同決定的。建議當(dāng)巖石單軸抗壓強度高于150 MPa時采用板條狀馬氏體組織的滾刀刀圈，優(yōu)先考慮刀圈的抗沖擊韌性，降低刀具異常磨損； 當(dāng)巖石單軸抗壓強度低于150 MPa時采用回火索氏體組織的滾刀刀圈，優(yōu)先考慮刀圈的硬度，提高耐磨性。

2)通過引漢濟(jì)渭嶺南TBM工程前2 000 m試掘進(jìn)段刀具使用情況和磨損數(shù)據(jù)的分析，得到正滾刀的累計磨損量隨滾刀安裝半徑的增加近似呈線性增長，邊滾刀中處于過渡區(qū)域的滾刀累計磨損量最大，兩側(cè)逐漸減小； 與滾動距離磨損速率相比，破巖體積磨損速率更能準(zhǔn)確衡量滾刀磨損的快慢程度，由于重復(fù)磨損的影響，邊緣區(qū)域滾刀破巖體積磨損速率是正面區(qū)域滾刀的2.6倍，重復(fù)磨損速率是一次磨損速率的 1.6倍，對于滾刀磨損影響較大。

建議提高刀盤的刮渣能力，以減少刀盤邊緣區(qū)域滾刀的重復(fù)磨損，減小邊滾刀磨損量，進(jìn)而減少換刀次數(shù)，提高TBM機(jī)時率； 是否在過渡區(qū)域增加滾刀數(shù)量需進(jìn)一步研究。對于滾刀磨損的研究，目前尚未能將室內(nèi)試驗指標(biāo)與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來，建立起可直接用于現(xiàn)場刀具成本預(yù)測的模型，下一步需要結(jié)合室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)與現(xiàn)場數(shù)據(jù)建立可靠的滾刀磨損評價體系。

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StudyofWearofDiscCutterBoringinMonzoniticGraniteStrataofLingnanTBMSectionofHanjiangRiver-WeiheRiverWaterConveyanceProject

SUN Zhenchuan, YANG Yandong, CHEN Kui, LI Fengyuan, ZHANG Bing

(StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China)

U 455.3

A

1672-741X(2017)09-1167-06

2017-01-24;

2017-05-02

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“973”計劃)項目(2014CB046906)； 中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃(2016G004-A)； 中鐵隧道集團(tuán)科技創(chuàng)新計劃(隧研合2016-03)

孫振川(1972—)，男，陜西韓城人，2009年畢業(yè)于石家莊鐵道學(xué)院，土木與建筑專業(yè)，碩士，教授級高級工程師，現(xiàn)從事隧道與地下工程技術(shù)與管理工作。E-mail: szcwyf@vip.163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.09.016