（廈門(mén)廈工中鐵重型機(jī)械有限公司，福建 廈門(mén) 361023）

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）主要應(yīng)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(yīng)用設(shè)備[1]。TBM 主要關(guān)鍵技術(shù)是刀盤(pán)刀具選型與參數(shù)設(shè)計(jì)，選擇合適的滾刀的截面形狀對(duì)TBM 破巖能力起著重要的因素[2]。在國(guó)內(nèi)隧道掘進(jìn)機(jī)推力、刀盤(pán)扭矩等關(guān)鍵參數(shù)研究中，滾刀破巖機(jī)理的試驗(yàn)研究可提高滾刀到地層適應(yīng)性設(shè)計(jì)，對(duì)推進(jìn)規(guī)范國(guó)內(nèi)隧道掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用有著重大意義。

早些年國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者和科技人員對(duì)刀具破巖機(jī)理進(jìn)行了理論探討和實(shí)驗(yàn)研究，美國(guó)科羅拉多礦業(yè)學(xué)院關(guān)于滾刀受力預(yù)測(cè)公式的推導(dǎo)[3]。20世紀(jì)70 年代，在室內(nèi)滾刀破巖試驗(yàn)代中，獲得的試驗(yàn)數(shù)據(jù)直接應(yīng)用于施工工程和確定TBM 設(shè)計(jì)參數(shù)[4]。GERTSCH 和JAMAL ROSTAMI 的滾刀破巖試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)相對(duì)于貫入度而言，滾刀間距對(duì)破巖效率的影響更大[5]。Jung-Woo Cho 引進(jìn)三維巖石測(cè)量系統(tǒng)Shape Metrix3D 確定了最優(yōu)破巖效率的滾刀間距與貫入度的比值[6]。王統(tǒng)等研究分析得出貫入度對(duì)滾刀垂向破巖力影響最劇烈，刀間距對(duì)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(jìn)方向與巖層傾向存在夾角時(shí)加速刀具磨損的機(jī)理[8]。

本文以隧道掘進(jìn)機(jī)實(shí)際工程使用的18 英寸滾刀為研究對(duì)象，基于滾刀巖機(jī)作用綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，以施工現(xiàn)場(chǎng)凝灰?guī)r的取樣進(jìn)行了刀具滾動(dòng)破巖能力的試驗(yàn)研究，研究不同貫入度對(duì)破巖推力的影響及不同刀間距與破巖推力、巖渣分布的關(guān)系。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)巖石

本次試驗(yàn)試樣來(lái)自福州地鐵4 號(hào)線硬巖段，巖石試樣直徑×高為?2355mm×475mm，質(zhì)巖性為高硬度凝灰?guī)r，單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)定平均值127.71MPa，CAI值2.68。巖石化學(xué)成分及含量如下表。

表1 巖石試樣化學(xué)成分含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)wt%)

1.2 試驗(yàn)刀具

滾刀破巖試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)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(yàn)條件設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)包含不同刀型下的滾刀破巖貫入度試驗(yàn)與滾刀破巖刀間距試驗(yàn)。

1.3.1 滾刀破巖貫入度試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 兩種類(lèi)型滾刀

本試驗(yàn)依托福州地鐵4 號(hào)線巖層地質(zhì)為背景，選取施工用直徑18 英寸的盤(pán)形平刃滾刀和鑲齒滾刀作為研究對(duì)象。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為常規(guī)兩種轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集頻率為2 次/s，共有12 組破巖試驗(yàn)，主要的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 滾刀破巖貫入度試驗(yàn)的設(shè)計(jì)參數(shù)

1.3.2 滾刀破巖刀間距試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)以福州地鐵4 號(hào)線巖層地質(zhì)為背景，選取施工的直徑18 英寸的盤(pán)形平刃滾刀和鑲齒滾刀作為研究對(duì)象。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)刀盤(pán)轉(zhuǎn)速為常規(guī)兩種轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)采集頻率為2 次/s，共有6 組破巖試驗(yàn)，主要的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 滾刀破巖刀間距試驗(yàn)的設(shè)計(jì)參數(shù)

2 滾刀破巖試驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)分析

為了確保每組試驗(yàn)的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、可靠，在不同參數(shù)設(shè)定下，需要將巖石初始狀態(tài)恢復(fù)至同等條件，試驗(yàn)的測(cè)量工具及傳感器采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。

2.1 滾刀破巖試驗(yàn)準(zhǔn)備

由于巖石試樣的表面不平整，為了保證不同參數(shù)下的數(shù)據(jù)的對(duì)比性，需將巖石表面進(jìn)行磨平，確保巖石面無(wú)巖渣或凸臺(tái)。同時(shí)，將試驗(yàn)所需量具量器進(jìn)行規(guī)范校對(duì)，并對(duì)試驗(yàn)后的渣土進(jìn)行收集和拍照取證，從而保證試驗(yàn)進(jìn)行時(shí)傳感器記錄的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備、可靠。

2.2 貫入度試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

隨著貫入深度的增加兩種類(lèi)型滾刀平均破巖推力的變化如圖2 所示。由圖2 中可見(jiàn)，隨著貫入度的增加，兩種滾刀平均破巖推力均呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)；但兩種不同類(lèi)型滾刀對(duì)應(yīng)的平均破巖推力增長(zhǎng)速率并不相同，鑲齒滾刀增長(zhǎng)的速率大于盤(pán)形平刃滾刀。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，當(dāng)貫入度小于1mm/r 時(shí)，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(shí)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(guān)系

2.3 刀間距試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理

2.3.1 刀間距與破巖推力

將兩種類(lèi)型滾刀在不同刀間距下，相同貫入度時(shí)的平均破巖推力匯總?cè)绫? 和表5 所示。從表中可以看出，當(dāng)貫入度在1mm/r 左右時(shí)，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(shù)據(jù)也印證了圖2 曲線的趨勢(shì)，即貫入度為1mm/r 時(shí)，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(guān)，刀間距對(duì)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(guān)系

表5 鑲齒滾刀破巖刀間距試驗(yàn)的設(shè)計(jì)參數(shù)

2.3.2 比能的計(jì)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(xiàn)TBM 掘進(jìn)效率的一個(gè)重要指標(biāo)，比能越小，說(shuō)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(nèi)可獲得最小的比能。

圖3 破巖比能與刀間距關(guān)系

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 貫入度對(duì)滾刀力的影響

滾刀破巖比能與貫入度關(guān)系如圖4 所示，可知當(dāng)貫入度為1～2mm/r 時(shí)，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(shí)兩者刀具的破巖效率最高。當(dāng)貫入度達(dá)到2.5 以上時(shí)，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(duì)巖石產(chǎn)生過(guò)度破碎，特別是鑲齒刀破巖過(guò)程中容易產(chǎn)生大量小塊巖片，巖粉也有所增加，導(dǎo)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(guān)，其他因子(如轉(zhuǎn)速)則是通過(guò)影響貫入度而影響破巖推力。

圖4 破巖比能與貫入度關(guān)系

3.2 刀間距對(duì)破巖效果的影響

當(dāng)?shù)堕g距為70mm和80mm時(shí)，如圖5 所示，相鄰滾刀之間的側(cè)向裂紋比較密集，破碎巖石顆粒比較多，塊體較碎小，側(cè)向裂紋交匯，破巖時(shí)利用側(cè)向裂紋的擴(kuò)展延伸作用使巖塊剝落[8]。

圖5 不同刀間距下巖石破碎簡(jiǎn)圖

圖6 是不同刀間距試驗(yàn)后的巖渣圖，由圖可知刀間距60mm 時(shí)，渣樣細(xì)小，以粉塵居多，存在較多的軌跡殘留塊，這是由于刀間距過(guò)小形成過(guò)度破碎。刀間距75mm 時(shí)巖渣大小適中，巖石面破碎均勻、無(wú)過(guò)多的軌跡殘留塊，90mm 時(shí)巖渣大小適中，巖石面破碎相對(duì)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(jié)論

本文基于滾刀巖機(jī)作用綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)及福州地鐵4 號(hào)線工程項(xiàng)目背景，探討了掘進(jìn)機(jī)的滾刀破巖機(jī)理，得出了兩種滾刀的最優(yōu)貫入度及刀間距。這對(duì)福州地鐵4 號(hào)線全硬巖段盾構(gòu)施工中刀具選擇及參數(shù)設(shè)定提供了有效參考依據(jù)。

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

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

3)對(duì)于盤(pán)形平刃滾刀貫入度為1.5mm/r時(shí)，此時(shí)破巖比能最小破巖推力增長(zhǎng)斜率較緩，在刀具不過(guò)載前提下貫入度2mm/r 為最優(yōu)值，此情況刀具受力均勻且破巖比能低且掘進(jìn)速率最大。

4)對(duì)于兩種類(lèi)型的滾刀，最優(yōu)刀間距為70～80mm，此時(shí)可獲得最小的破巖比能，破巖效果良好。