韓偉鋒，錢(qián)彤途

(1.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001； 2.中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511458；3.西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

0 引言

TBM已廣泛應(yīng)用于鐵路隧道、公路隧道、引水隧洞、城市地鐵和礦山深部巷道等眾多巖石工程中[1-3]。由于TBM是定制設(shè)備，需根據(jù)新建工程線(xiàn)路所經(jīng)過(guò)的巖體物理力學(xué)特性進(jìn)行TBM刀盤(pán)刀具選型設(shè)計(jì)。因此，滾刀破巖的力學(xué)響應(yīng)和推力扭矩等主要指標(biāo)對(duì)TBM掘進(jìn)速率的預(yù)測(cè)和實(shí)際TBM施工過(guò)程中的參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)控具有重要意義。其中，室內(nèi)全尺度滾刀破巖試驗(yàn)是研究滾刀破巖機(jī)理及測(cè)定滾刀受力與破巖效率相對(duì)準(zhǔn)確可靠的一種方法。表1總結(jié)了國(guó)內(nèi)外已有文獻(xiàn)中報(bào)道的滾刀破巖試驗(yàn)系統(tǒng)的研制和主要技術(shù)指標(biāo)[4-12]。由于研究目的和需求不同，試驗(yàn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的功能上有所側(cè)重。目前這些已研制的測(cè)試系統(tǒng)加載過(guò)程中都是采用相對(duì)運(yùn)動(dòng)完成滾刀破巖，即滾刀固定不動(dòng)，裝有巖石的箱體做直線(xiàn)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)完成破巖過(guò)程。也就是說(shuō)，在破巖過(guò)程中都是恒貫入度破巖。而實(shí)際TBM掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)的同時(shí)也在向前移動(dòng)。因此，滾刀的運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋線(xiàn)?，F(xiàn)有設(shè)備當(dāng)安裝多把刀具共同破巖時(shí)，不能同時(shí)采集每把刀具的三向力信息。而滾刀受力與相鄰滾刀經(jīng)過(guò)的順序密切相關(guān)。雖然單把滾刀按不同切割路徑依次切割可達(dá)到這一效果，但測(cè)試步驟略顯繁冗。因此，本文出于以上考慮，在原有滾刀破巖試驗(yàn)平臺(tái)研制的基礎(chǔ)上，重新研制了全尺度多滾刀螺旋式破巖綜合試驗(yàn)平臺(tái)。

表1 文獻(xiàn)中報(bào)道的TBM滾刀破巖試驗(yàn)平臺(tái)及主要技術(shù)參數(shù)

1 試驗(yàn)系統(tǒng)主要功能與技術(shù)指標(biāo)

1.1 主要功能

該試驗(yàn)系統(tǒng)可完成單滾刀準(zhǔn)靜態(tài)貫入測(cè)試、單滾刀恒貫入度或恒法向力旋轉(zhuǎn)破巖測(cè)試、單滾刀螺旋線(xiàn)旋轉(zhuǎn)破巖測(cè)試、多滾刀按不同加載路徑聯(lián)合旋轉(zhuǎn)破巖測(cè)試和多把不同傾角邊滾刀聯(lián)合破巖測(cè)試，試驗(yàn)過(guò)程中均可實(shí)時(shí)獨(dú)立監(jiān)測(cè)每把滾刀的三向力。

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)

TBM掘進(jìn)過(guò)程中推力、扭矩、轉(zhuǎn)速、貫入速率及沿洞線(xiàn)的掘進(jìn)速度是控制滾刀破巖的主要參數(shù)。因此，滾刀破巖綜合試驗(yàn)平臺(tái)基于TBM真實(shí)滾刀和常用刀間距，結(jié)合試驗(yàn)用途和研究需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，其主要技術(shù)指標(biāo)為：液壓馬達(dá)4個(gè)，進(jìn)給油缸有效行程600mm，推進(jìn)速度0～100mm/min，滾刀數(shù)量1～4把，滾刀直徑17/19in(1in=2.54cm)，滾刀法向最大荷載400kN，刀間距60～120mm，最大破巖深度400mm，最大輸出扭矩131kN·m，額定輸出扭矩110kN·m，刀盤(pán)最大推力1 600kN，刀盤(pán)額定推力1 280kN，刀盤(pán)最大轉(zhuǎn)速10r/min，最小破巖半徑單刀0/多刀737mm，最大破巖半徑1 096mm，方形巖樣尺寸2 455mm×2 455mm×550mm。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)組成

滾刀破巖試驗(yàn)平臺(tái)主要包括封閉反力框架、刀盤(pán)系統(tǒng)、推進(jìn)系統(tǒng)、主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、刀具安裝系統(tǒng)、巖箱系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、液壓傳動(dòng)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。各系統(tǒng)中材料的強(qiáng)度、剛度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性全部在有限元ANSYS軟件中模擬校驗(yàn)，確保試驗(yàn)平臺(tái)具有足夠的可靠性。TBM滾刀破巖試驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物如圖1所示。

圖1 TBM滾刀破巖試驗(yàn)平臺(tái)

2.1 封閉框架系統(tǒng)

封閉框架采用Q345A鋼板整體焊接而成(見(jiàn)圖2)，外輪廓尺寸分別為6 906mm×4 906mm×4 096mm(長(zhǎng)×寬×高)，總重40.5t。滾刀破巖過(guò)程中產(chǎn)生的反推力及反扭矩全部由封閉反力框架承受。其中，框架上部4處主推進(jìn)導(dǎo)向滑塊的側(cè)面承受滾刀旋轉(zhuǎn)反扭矩，框架立柱上4個(gè)鉸接支座承受主推油缸反推力?？蚣芟虏繛橹本€(xiàn)導(dǎo)軌，卷?yè)P(yáng)機(jī)可將裝有試樣的巖箱沿著導(dǎo)軌推進(jìn)和移出?？蚣芩牧⒅荷习惭b有螺桿式巖箱鎖緊裝置，正式試驗(yàn)時(shí)用于固定巖箱。

圖2 封閉反力框架

2.2 刀盤(pán)刀具系統(tǒng)

刀盤(pán)采用Q345A高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)焊接而成(見(jiàn)圖3)，總重9.8t。刀盤(pán)上部安裝有法蘭，通過(guò)螺栓與主軸承連接。刀盤(pán)下方有安裝大刀箱的刀槽，滑槽里鑲嵌滾動(dòng)鋼珠。刀槽頂部安裝有液壓油缸和拉線(xiàn)式位移傳感器，用于調(diào)整滾刀間距。當(dāng)同時(shí)安裝4把滾刀時(shí)，最大破巖半徑1 096mm，最小破巖半徑737mm，刀間距可在60～120mm進(jìn)行調(diào)整。當(dāng)僅安裝1把滾刀時(shí)，滾刀可在滑槽內(nèi)任意位置移動(dòng)，破巖旋轉(zhuǎn)半徑則不受限制。

小刀箱通過(guò)2個(gè)三分量傳感器安裝在大刀箱上，用于監(jiān)測(cè)滾刀破巖時(shí)的法向壓力、滾動(dòng)力和側(cè)向擠壓力，最大量程依次為500，200，200kN。小刀箱通過(guò)安裝卡塊可安裝17in或19in滾刀。而且，17in滾刀可通過(guò)墊塊傾斜安裝，最大傾角為60°，主要用于研究TBM邊滾刀破巖。滾刀、刀箱和三分量傳感器安裝如圖4所示。

2.3 主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

參照真實(shí)盾構(gòu)機(jī)軸承樣式，系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)主動(dòng)力采用4組液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)扭矩-轉(zhuǎn)速傳感器、行星齒輪減速器、輸入外齒輪軸和內(nèi)齒圈3排滾柱式旋轉(zhuǎn)支撐(內(nèi)外齒嚙合傳動(dòng))傳遞扭矩，進(jìn)而帶動(dòng)刀盤(pán)刀具切削巖石。其優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定，不受振動(dòng)環(huán)境影響，加載能力易于擴(kuò)展。主傳動(dòng)箱是系統(tǒng)動(dòng)力傳動(dòng)的主要結(jié)構(gòu)件，刀盤(pán)安裝在主傳動(dòng)箱上，在掘進(jìn)過(guò)程中，主傳動(dòng)箱通過(guò)8條導(dǎo)軌安裝的主機(jī)架上，為刀盤(pán)推進(jìn)提供直線(xiàn)機(jī)械導(dǎo)向，同時(shí)提供反扭矩。主傳動(dòng)箱結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 主傳動(dòng)箱結(jié)構(gòu)

2.4 主推進(jìn)系統(tǒng)

反力架上有高精度重型直線(xiàn)導(dǎo)軌，在推進(jìn)油缸作用下帶動(dòng)刀盤(pán)系統(tǒng)向下進(jìn)給，模擬盾構(gòu)TBM軸向推進(jìn)運(yùn)動(dòng)。主傳動(dòng)箱和刀盤(pán)系統(tǒng)通過(guò)封閉反力架四柱上的4臺(tái)千斤頂和4對(duì)直線(xiàn)導(dǎo)軌共同作用將其安裝在反力架內(nèi)部。刀盤(pán)總推力由4個(gè)400kN拉壓油缸共同組成。在拉壓油缸上安裝有量程為600kN的拉壓傳感器和量程為800mm的拉線(xiàn)式位移傳感器，分別用于測(cè)定推力和軸線(xiàn)位移，推進(jìn)油缸安裝如圖6所示。

圖6 主推進(jìn)系統(tǒng)

2.5 巖箱系統(tǒng)

為了充分利用巖樣，巖箱分為5層設(shè)計(jì)，最底層高150mm，其余4層高100mm(見(jiàn)圖7)。每層采用拉桿和螺栓連接。每根拉桿上設(shè)有最大量程為50kN的傳感器，可對(duì)巖樣施加一定約束。施加在拉桿上的荷載可在PLC觸屏和計(jì)算機(jī)上顯示。巖箱可沿直線(xiàn)導(dǎo)軌推進(jìn)和拉出。直線(xiàn)導(dǎo)軌由4組HGW65HA導(dǎo)軌組成，每組導(dǎo)軌由3個(gè)滑塊與巖箱連接，采用15kN卷?yè)P(yáng)機(jī)進(jìn)行推拉，巖箱前后采用銷(xiāo)接方式進(jìn)行固定，左、右采用螺桿結(jié)構(gòu)固定。

圖7 分層巖箱結(jié)構(gòu)組成

3 多滾刀螺旋式破巖試驗(yàn)初步應(yīng)用

3.1 巖樣準(zhǔn)備與測(cè)試方法

巖樣采用2塊均為2 455mm×1 228mm×550mm(長(zhǎng)×寬×高)的山東萊蕪灰花崗巖拼接而成，單軸抗壓強(qiáng)度為145MPa，抗拉強(qiáng)度為13MPa，彈性模量為24GPa，泊松比為0.15。試驗(yàn)過(guò)程中安裝4把19in滾刀同時(shí)滾動(dòng)破巖，編號(hào)從內(nèi)向外依次為1～4號(hào)，采用不同貫入度和轉(zhuǎn)速達(dá)到相同的掘進(jìn)速度(見(jiàn)表2)，主要用于考察實(shí)際TBM在保證正常掘進(jìn)速度的情況下，推力、扭矩隨貫入度和轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律。

表2 滾刀破巖試驗(yàn)中的主要參數(shù)設(shè)定

試驗(yàn)過(guò)程中首先將刀間距調(diào)整至60mm，然后設(shè)定刀盤(pán)轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度啟動(dòng)旋轉(zhuǎn)，讓滾刀在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中逐漸與巖石表面接觸并侵入巖石，當(dāng)出現(xiàn)波動(dòng)規(guī)律一致的法向推力及扭矩時(shí)，認(rèn)為在特定貫入度和轉(zhuǎn)速條件下破巖達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。因此，將穩(wěn)定的推力、扭矩和滾刀三向力作為該狀態(tài)下的掘進(jìn)參數(shù)。每完成一個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)試立即停止試驗(yàn)，然后仔細(xì)收集巖片和巖粉。隨后進(jìn)行下一個(gè)轉(zhuǎn)速或貫入度的滾刀破巖測(cè)試。當(dāng)變換刀間距至90mm時(shí)，由于上一次的滾壓凹痕與當(dāng)前滾壓凹痕不一致，所以刀盤(pán)多旋轉(zhuǎn)幾圈將之前的凹痕切除，然后再正式進(jìn)行試驗(yàn)直至完成所有貫入度和轉(zhuǎn)速下的測(cè)試。

3.2 測(cè)試系統(tǒng)基本參數(shù)校驗(yàn)

90mm刀間距條件下實(shí)際采集到的軸向位移、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、主推進(jìn)系統(tǒng)推力、4把滾刀上的傳感器實(shí)測(cè)法向力和總扭矩隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)如圖8所示。為了便于比較，選取120s內(nèi)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析?？煽闯觯幢丬浖绦蛑性O(shè)置恒定的轉(zhuǎn)速和軸向推進(jìn)速度，但實(shí)際中采集到的轉(zhuǎn)速和軸向位移均存在明顯波動(dòng)，其主要原因是滾刀從侵入完整巖石到裂紋起裂擴(kuò)展形成巖片的過(guò)程中，滾刀的扭矩和軸向位移將會(huì)有一定的回彈卸荷調(diào)整，以適應(yīng)破巖過(guò)程中巖石破碎復(fù)雜荷載及阻力變化。由于軸向推進(jìn)速度均為1mm/min，所以不同貫入度及轉(zhuǎn)速下軸向位移增加的斜率基本一致。當(dāng)貫入度從1mm/min減小至0.33mm/min時(shí)，軸向位移和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速的波動(dòng)幅度逐漸減小。這說(shuō)明對(duì)于堅(jiān)硬巖石，貫入度低的波動(dòng)要相對(duì)小一些。

圖8 刀盤(pán)軸向位移、轉(zhuǎn)速、推力及扭矩時(shí)程曲線(xiàn)

實(shí)測(cè)參數(shù)與預(yù)設(shè)參數(shù)對(duì)比及波動(dòng)范圍如圖9所示，其中誤差線(xiàn)為實(shí)測(cè)值偏離平均值的范圍?？煽闯?，實(shí)測(cè)軸向平均進(jìn)給速率分別為1.05，0.98，1.01mm/min，平均轉(zhuǎn)速分別為1.18，2.13，2.99r/min，這與軟件中的預(yù)設(shè)值大體一致。刀盤(pán)總推力略高于全部滾刀的總法向力，原因可能是刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的反向扭矩由軸向推進(jìn)導(dǎo)向滑塊承受。因此，主推進(jìn)系統(tǒng)的推力要承受相當(dāng)大荷載下的滑動(dòng)摩擦力?？傮w而言，軸向位移控制、轉(zhuǎn)速、推進(jìn)系統(tǒng)傳感器和滾刀上壓力傳感器的測(cè)試精度及穩(wěn)定性達(dá)到了預(yù)期要求。

圖9 軸向位移、轉(zhuǎn)速和推力實(shí)測(cè)值校驗(yàn)

3.3 多滾刀破巖三向力演化特征

刀間距為90mm，貫入度為1mm/r條件下1～4號(hào)滾刀三向力時(shí)程曲線(xiàn)如圖10所示。由圖可知，滾動(dòng)半徑最大的4號(hào)滾刀法向力和滾動(dòng)力波動(dòng)最大，原因是當(dāng)較大轉(zhuǎn)動(dòng)速度遇到未破壞巖石時(shí)，瞬時(shí)沖擊力和卸載現(xiàn)象也越發(fā)強(qiáng)烈。1～3號(hào)滾刀的法向力峰值較接近，但是2～3號(hào)滾刀的法向力最小值明顯比1號(hào)滾刀要小，這是因?yàn)?號(hào)滾刀在最內(nèi)側(cè)邊界上，其滾壓區(qū)域的損傷破壞與相鄰的2號(hào)滾刀有關(guān)，而中間2～3號(hào)滾刀的運(yùn)行軌跡所在區(qū)域是兩側(cè)相鄰滾刀都產(chǎn)生一定的損傷區(qū)域，因此整體上最小荷載要低一些。滾動(dòng)力的變化特征與法向力大致類(lèi)似。側(cè)向力主要是由滾刀旋轉(zhuǎn)作用和楔形刀刃貫入巖石中，巖石對(duì)刀具沿著徑向方向的荷載。實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)2號(hào)和4號(hào)滾刀側(cè)向力最大，1號(hào)和3號(hào)滾刀較接近，但均遠(yuǎn)小于2號(hào)和4號(hào)滾刀。側(cè)向力的這種變化與滾刀破巖過(guò)程中刀具兩側(cè)巖片的破壞形態(tài)密切相關(guān)。按荷載大小從高到低依次為滾刀法向力、滾動(dòng)力和側(cè)向力，因此，滾刀破巖起主導(dǎo)作用的是滾刀的法向壓力。

圖10 1～4號(hào)滾刀法向力、側(cè)向力及滾動(dòng)力時(shí)程曲線(xiàn)

3.4 不同轉(zhuǎn)速及貫入度下扭矩推力變化規(guī)律

不同貫入度下的推力及扭矩變化特征如圖11所示。圖中計(jì)算結(jié)果均為120s內(nèi)穩(wěn)定掘進(jìn)狀態(tài)下的推力和扭矩的平均值?？煽闯?，刀盤(pán)推力隨貫入深度的增加而變大，刀間距為90mm的刀盤(pán)推力要大于相同條件下刀間距為60mm的推力。扭矩隨貫入度的增加整體上也呈現(xiàn)增加趨勢(shì)，但貫入度從0.33mm/r增加至1mm/r刀盤(pán)扭矩增加幅度并不明顯。

圖11 不同貫入度下的推力及扭矩

3.5 切削巖片及滾壓凹痕分析

刀間距為90mm，轉(zhuǎn)速為5r/min和8r/min情況下小于某粒徑的渣片質(zhì)量累計(jì)百分比曲線(xiàn)如圖12所示。由圖可知，2條曲線(xiàn)規(guī)律大致相同，粒徑從<2.5mm增加至40mm再增加至100mm過(guò)程中，累計(jì)篩分百分比的增長(zhǎng)幅度逐漸降低，說(shuō)明大塊巖石渣片所占比例逐漸減小。粒徑<2.5mm的巖粉所占比例最高，分別為33%和40%，這些細(xì)顆粒粉末主要集中在滾刀下方凹痕的壓碎區(qū)內(nèi)。

圖12 破碎巖片粒徑分析

4 結(jié)語(yǔ)

1)參照實(shí)際TBM施工過(guò)程中的破巖方式，設(shè)計(jì)并研制了多滾刀螺旋線(xiàn)破巖綜合試驗(yàn)平臺(tái)，其主要由刀盤(pán)刀具系統(tǒng)、主推進(jìn)系統(tǒng)、主驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、巖箱系統(tǒng)和封閉反力框架系統(tǒng)組成?？蛇M(jìn)行單滾刀、多滾刀及邊滾刀在不同加載模式下的切削力學(xué)響應(yīng)及掘進(jìn)參數(shù)預(yù)估計(jì)研究。

2)經(jīng)多滾刀破巖試驗(yàn)測(cè)試，得出主推力傳感器和滾刀三向力傳感器測(cè)試精度相對(duì)可靠，軸向位移控制、轉(zhuǎn)速控制及扭矩相對(duì)穩(wěn)定，試驗(yàn)系統(tǒng)可為其他滾刀破巖試驗(yàn)提供有力支撐。

3)滾動(dòng)半徑越大，滾刀法向力和滾動(dòng)力波動(dòng)幅度越明顯。滾刀受力從高到低依次為法向力、滾動(dòng)力和側(cè)向力。而且，滾刀側(cè)向力在多滾刀破巖過(guò)程中存在相互影響。當(dāng)貫入度較低時(shí)，扭矩變化并不明顯，但推力變化幅度較明顯。