山西工程技術學院 山西 陽泉 045000

引言

TBM運行的過程中，需要使刀盤上的刀具與巖石表面進行直接接觸，并且利用刀具的切削作用達成破巖的效果。根據刀具形狀以及作業(yè)方式的不同，可將刀盤上的刀具細分為切削刀具和滾刀刀具兩種，其中的滾刀刀具屬于一類較為常用的刀具類型。但從具體的掘進作業(yè)中來看，刀盤以及刀具均屬于易損部件，如不能對刀盤以及刀具進行合理優(yōu)化，則很容易影響破巖效果和掘進效率。為此，有必要圍繞全斷面掘進機的刀盤破巖機理以及其磨損機理展開研究，這也是為刀盤布局設計與優(yōu)化設計提供合理依據的必要前提。同時，也是影響刀盤全壽命周期的重要因素，因此本次研究十分必要。

一、全斷面掘進機刀盤的布局特點

采用全斷面巖石掘進機進行施工作業(yè)前，可根據巖石層的地質結構選擇對應的刀盤刀具，其中較為常用的刀盤刀具為滾刀刀具。除此之外，遇到特殊巖層時也需適當利用刮刀以及切割刀。尤其是在隧道施工的過程中，主要的破巖方法便是通過合理布局刀盤刀具來實現對隧道工程的快速推進。主要刀盤類型包括平面、錐形和球形刀盤等，最為常用的刀盤類型為平面型，且在刀盤上布置的刀具以滾刀刀具為主。此外，滾刀刀具又可被細分為單刃刀、雙刃刀和三刃刀，具體需結合掘進施工工況來優(yōu)化刀盤布局。一般情況下，平面刀盤上是以滾刀刀具為主，因其具備轉速快，破石效果好的優(yōu)勢成為刀盤布局設計中優(yōu)先選用的刀具類型。在刀盤布局的過程中，根據滾刀刀具布置位置的不同，又可分為多種滾刀作業(yè)形式，且根據滾刀布局的不同，對于刀具的磨損影響也存在較為直觀的差異?？偨Y前期的維修經驗，刀盤中所設置的正滾刀數量偏多，且破巖效果較好，相對應的磨損率也普遍偏高。為此，在針對刀盤磨損問題進行研究時，也會側重于對刀盤滾刀刀具的研究[1]。

二、刀盤刀具破巖機理分析

掘進機運行的過程中會對刀盤施加一定的壓力和推動力，并且為刀盤中的滾刀刀具施加一定的滾動力矩。在壓力、推動力以及滾動力矩的多重作用力下，刀盤刀具將直接與巖石表面接觸。而巖石表面則會由于受到多種應力的影響而出現破碎現象。在掘進機的連續(xù)作業(yè)下，可發(fā)揮良好的破巖作用，有效提升隧道工程的施工效率。

(一)物理學角度。從物理學科的層面來分析，掘進機刀盤的破巖機理為在外力作用下致使巖石內部發(fā)生形變，當外部荷載壓力超出巖石結構自身的承載壓力情況下，便會使巖石內部發(fā)生變形問題，進而呈現出巖石破壞的物理現象。實踐證明，在掘進機操作的過程中，刀盤中的滾刀刀具將直接作用于巖石表面，并在其表面壓裂出一個凹槽。而隨著掘進機的持續(xù)運行會在凹槽周圍生成多個凹槽，由于各個凹槽之間的間距較小，足以讓各個凹槽相互影響，形成合力，產生較為強烈的張拉破壞力，最終導致巖石表面出現大量裂紋。隨著滾刀刀具的持續(xù)滾動，巖石結構表面甚至內部均會持續(xù)受力，產生較為嚴重的破壞力，最終使巖石呈現塊狀剝落，達成良好的掘進效果[2]。

(二)力學角度。通過對相關文獻的研究可以看出，學者針對刀盤滾刀的破巖機理存在不同的看法，有學者提出滾刀刀具是通過擠壓破壞的形式來達成破巖的目標，也有學者指出，剪切力是造成巖石結構被破壞的主要因素，認為破巖機理與剪切力相關。除此之外，還有部分學者提出刀盤破巖機理不局限于一種作用力，是集合多種作用力所產生的復合效果。

1.擠壓機理。為驗證擠壓力的破巖機理，采取實驗研究的方式，將被加工成正方體的巖石結構作為試塊，在平面刀盤中布置滾刀刀具進行擠壓實驗，且為了保障實驗效果，將試塊固定于較為穩(wěn)固的基層結構中。實驗結果顯示，在掘進機壓力增大的情況下，試塊的破損率也會隨之增大，因此可以認為，擠壓作用力可以被作為破巖機理之一，但影響巖石結構完整性的因素不局限于此，還有其他作用力會對巖石結構產生影響。

2.剪切力破壞機理。觀察掘進機運行時刀盤刀具的作業(yè)狀況來看，正處于滾刀刀具之下的部分巖石最先被破壞，且破壞程度較大，而處于兩個滾刀刀具之間的巖石也會由于受到剪切力的破壞影響而出現破損現象。

3.復合應力的破巖機理。復合應力是指，在掘進機持續(xù)運行的過程中，由刀盤和刀具傳導給巖石結構或者直接作用于巖石結構的所有作用力。根據刀盤的運行原理和刀具的作用效果，其主要作用力包括壓應力，推應力、擠壓力、剪切力等，上述幾種作用力是導致巖石結構破損的主要因素，因此可以認為復合應力屬于主要的破巖機理。

三、刀盤刀具的磨損機理分析

由于掘進機運行的過程中，刀盤刀具需要與巖石產生直接接觸，且是通過滾刀的磨削來實現破巖目標，為此所面臨的工況也較為復雜，具體施工時，可結合實際的工況選擇沿掘進機軸線公轉形式或者沿自身軸線自轉兩種形式。因采取不同轉動形式時的滾刀的受力情況不同，除受到來自掘進機的應力影響外，還會受到來自巖石的應力影響，在雙重應力的作用下，必定會產生較為復雜的受力情況，這為刀盤刀具磨損機理的研究帶來了較大的難度。可以認為施工工況，巖石類型等的不同均會影響刀具的磨損機理。

(一)刀盤刀具的常見磨損類型。從刀盤刀具磨損的表現來看，可以將其磨損類型細分為正常和非正常磨損兩大類，其中的正常磨損指的是滾刀刀具的刀圈磨損程度相近，常見表現為刀圈整體半徑減小。通常在刀圈半徑減小，刀刃的寬大加大，且會對破巖效率產生嚴重影響的情況下可以判定為刀圈失效，需要及時更換刀圈方能保障掘進作業(yè)的整體效率。而非正常磨損指的是，刀圈出現一側偏磨的現象以及刀圈斷裂脫落或者崩刃現象等。除此之外，密封漏油也屬于刀盤非正常磨損的重要表現之一。相對于正常磨損，非正常磨損的發(fā)生頻率較小，磨損部位較為集中，且通常是受到外部因素的影響[3]。

(二)影響刀盤刀具磨損率的主要因素。影響刀盤刀具磨損率的主要因素包括刀具自身的因素以及外部因素兩個部分，從刀具自身的層面來分析，刀具的結構性能，材料性能以及加工手段等均可對刀具的磨損率構成一定影響。外部因素則是指，施工過程中外部環(huán)境，工況以及巖石屬性等的影響。通常來講，外部環(huán)境以及工況相同的情況下，巖石屬性的影響起著決定性的作用，巖石硬度以及巖層結構的不同所帶來的磨損影響也存在一定的差異。

(三)主要磨損機理。掘進施工的過程中，受到作業(yè)特點影響，刀盤刀具將同時受到直接磨損和間接磨損影響，一般來講，滾刀破巖的過程中，部分破碎巖粒會介入刀具與巖石面之間，為此在滾刀滾動的過程中將同時受到來自巖石表面的直接磨損影響和來自破碎巖粒的相互研磨影響，也稱之為間接磨損，我們通常將巖石、刀具以及破碎巖粒之間的相互研磨叫做三體磨損，而將滾刀與巖石接觸后的磨損叫做二體磨損。由于滾刀作業(yè)過程中與巖石的接觸磨損是不可避免的，在持續(xù)作業(yè)的情況下，滾刀刀具必定會發(fā)生疲勞磨損。其中在分析二體磨損時總結出，滾刀的磨損率除與工況相關外，還與巖石屬性直接相關。

四、結語

全斷面掘進機作為隧道工程、道路工程以及水利工程施工中的重要工程設施，其自身的運行效率以及運行質量將對工程施工效率產生直接影響。從前期的應用狀況來看，掘進機設備中的刀盤刀具屬于易磨損構件，一旦出現嚴重磨損不僅影響掘進效果，也會延長工程工期。因此，上文就刀盤刀具的磨損問題和破巖機理做出了系統(tǒng)分析，希望通過對磨損機理以及破巖機理的分析，找出有效的刀盤布局優(yōu)化方法，盡可能降低刀盤刀具的磨損率，降低施工成本的同時，保障工程的有序施工。