楊孟

（廣東華隧建設(shè)集團股份有限公司，廣東 廣州 510228）

在TBM隧道施工中，項目是否能夠高效、經(jīng)濟地完成，刀具的選型和管理是最關(guān)鍵的因素之一。在刀具磨損方面已經(jīng)有較多的研究，例如，秦銀平等基于Rabinowicz磨粒磨損引入CSM破巖模型對磨損進行研究；張厚美TBM盤形滾刀磨損與滾刀滑動距離關(guān)系研究；張寧川通過對TBM、盾構(gòu)盤形滾刀硬巖掘進的刃口磨損形狀分析及優(yōu)化對策；喬世范等基于磨粒磨損機理的TBM滾刀壽命預(yù)測。

上述研究提供了大量的理論基礎(chǔ)，但是，對當(dāng)前國內(nèi)外刀具應(yīng)用情況分析較少。本文通過對11家國內(nèi)外刀具試驗，以及榕江關(guān)埠引水項目刀具消耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行分析。以單刀圈的平均破巖量以及刀盤貫入度作為研究對象，以找到提高掘進效率和經(jīng)濟效益的更優(yōu)刀具配置方案及掘進參數(shù)。

1 刀盤刀具介紹

本文研究的背景：榕江關(guān)埠引水項目，工程輸水總線路35km，其中TBM隧道27km。采用3臺中鐵裝備雙護盾TBM施工。最大開挖直徑5060mm，最大推力為10500kN。其中4把17寸中心滾刀、27把19寸單刃滾刀。如圖1所示。

2 刀具試驗

T1隧洞圍巖基本穩(wěn)定后，對國內(nèi)外11家刀具開展2輪次試驗工作，其中國內(nèi)9家，國外2家。試驗分正面刀和邊刀試驗，從不同維度進行試驗。

2.1 正面刀試驗

正面刀試驗時，將刀具同時安裝在刀盤上，所有刀具遇到的地質(zhì)條件、掘進參數(shù)視同完全一致。正面刀與掘進方向平行，軸承與刀刃主要受徑向載荷，糾偏或者地層不均造成其他未知因素忽略不計。

本項目TBM刀盤的9#～26#刀刃是正面刀位，共18把。試驗選取國內(nèi)制造商每家2把刀具，9家共18把。刀圈全部采用TBM專用光面刀圈，刀圈的刃型、硬度由廠家自主決定，刀具參數(shù)和分組表見表1。每個試驗組中的兩把刀位的工作軌跡線之和長度基本一致，即每組刀具的破巖量一致。磨損量達到20mm或者出現(xiàn)偏磨、斷刀圈等異常損壞則試驗結(jié)束。試驗期間總推力在4000～6100kN浮動，試驗截止時每組刀具總的磨損量結(jié)果，如表1所示。

結(jié)果僅考慮徑向總磨損量，磨損量越小成績越好，如表1排名1所示。國內(nèi)9以33mm取得第1名的成績，國內(nèi)8以34mm取得第2名。其他第3名到第9名磨損量在37～40mm，這7家成績比較接近。進一步把刃寬因素加進去分析，基于金屬總消耗量進行排名，情況如（排名2）所示，原來第1名和排名3～9名的廠家名次變化較小，但是，國內(nèi)廠家8由原來的第2名變?yōu)榈?名，國內(nèi)廠家9仍然位居第1名。從總金屬消耗量看各家單位的成績在-13%～10%浮動，造成廠家8名次較大變化的主要原因為該單位采用了刃寬較大的刀圈，其總金屬消耗量較大。

表1 正面刀試驗表

式中，Δr為總徑向磨損量，d為刃寬。

注：該計算為定性計算，采用近似計算只是用來快速判斷刀圈金屬的大概剝落量，忽略掉刃口刃型、徑向磨損量差異造成計算誤差。

上述試驗在排除地層、推力、破巖量等一系列干擾因素得到準(zhǔn)確的統(tǒng)計結(jié)果，對結(jié)果分析可知，采用總金屬消耗量代替徑向磨損量來評價刀圈的耐用性更加準(zhǔn)確。

2.2 邊刀試驗

邊刀位于刀盤弧面區(qū)，工作時，刀刃與掘進方向有一定的夾角，軸承與刀刃除受徑向力外，還受到軸向力作用，掘進過程中存在一定的軸向滑動摩擦以及二次磨損。因此，邊刀磨損較快、承載要求高。

本次試驗選取最外沿的34#、35#刀位。除國內(nèi)8不再參與外，其他8家單位均繼續(xù)參加試驗，另外邀請國外1和國外2兩家國外制造商參與試驗，共計10家。每個廠家分別提供2把刀具，依次進行試驗、磨損量達到10mm或者出現(xiàn)偏磨、斷刀圈等異常現(xiàn)象則試驗結(jié)束。本次試驗時，要求廠家對刀具進行檢修，并換統(tǒng)一刃型的刀圈，除國外兩家單位因生產(chǎn)周期原因外，其他單位均按要求提供刀具。試驗期間總推力在4000～7200kN浮動，在試驗截止時，各家刀具均未出現(xiàn)偏磨、斷刀圈等異常損壞現(xiàn)象，每組刀具總的磨損量和掘進里程如表2所示。

表2 邊刀試驗統(tǒng)計表

表3 日常刀圈消耗情況統(tǒng)計

如表2所示，10家刀具在試驗中，掘進里程28.4～64.73m，未有明顯規(guī)律。那么采用總金屬消耗量的方法評價，各家成績和排名如表2中排名1所示，顯然這次試驗成績的浮動比較大。邊刀試驗時，各家刀具在不同地層掘進，僅考慮單位金屬消耗量顯然是不能客觀體現(xiàn)刀具的性能。用推力大小來代替地層系數(shù)，計算基于地層因素單位金屬消耗量，具體公式如下文，計算結(jié)果如表2中排名2所示，最優(yōu)和最差在-36%～44%浮動?？梢娫诩尤胪屏σ蛩睾?，各家的成績差異更大，再與正面刀試驗各家成績進行比較，仍未發(fā)現(xiàn)有關(guān)聯(lián)性。綜上，在統(tǒng)一刃寬和刃型的情況下，無論是從掘進里程、單位金屬消耗量、疊加推力因素三個方面分析后，均未找到一致性的規(guī)律。驗證了邊刀磨損因素的復(fù)雜性，其磨損的規(guī)律性不強，從而證明傳統(tǒng)認(rèn)識中通過邊刀掘進里程來判斷刀圈耐磨性是不準(zhǔn)確的。

單位金屬消耗量=L/（ΔR·d）

基于地層因素單位金屬消耗量=（L·（F-1000kN））/（ΔR·d）

式中，L為掘進里程，F(xiàn)為掘進是總推力，其中1000kN為盾體與地層的摩擦力。

3 長距離超硬巖掘進應(yīng)對策略

對1#TBM 10月—4月份掘進過程刀圈消耗量進行統(tǒng)計，很容易發(fā)現(xiàn)2月、3月刀圈破巖量急劇變小，下圖是2021年3月11日的掘進參數(shù)，推力一直維持在系統(tǒng)允許最大10500kN，但是，平均貫入度僅有1.6mm/rev左右，期間僅掘進9環(huán)?？梢妿r面抗壓強度極高，刀具對巖層的比壓沒有產(chǎn)生有效裂紋，進而影響掘進效率。挖掘出來渣樣少有塊狀，大部分是粉狀，也證實了這一點。

采用準(zhǔn)確度高且在TBM上應(yīng)用廣泛的CSM模型，對巖層強度進行推算，其公式如下：

式中，F(xiàn)v1為垂直力，C為無量綱系數(shù)，取2.12，Φ為滾刀接觸角，R0為滾刀刀圈半徑；T為刀圈刃寬；ψ為刀圈刃口壓力分布系數(shù)，一般取0.1；S為滾刀刀間距；σc為巖石單軸抗壓強度；σt為巖石單軸抗剪強度，取0.1σc。

將掘進時的相應(yīng)參數(shù)，代入上述公式，推算出巖石的單軸抗壓強度在200～230MPa。至此，找到了貫入度低、滾刀消耗大的主要原因。針對這種情況，采取以下應(yīng)對措施：

（1）通過修改TBM操作系統(tǒng)，將掘進最大推力增至115000kN。

（2）將刃口由R10變更為R8，刃寬降低約15%。

（3）提前更換刀具，降低刀盤上刀具的平均刃寬。

在4月11日一次性更換17把刃口為R8的窄刃刀具，截至12日上午，貫入度未有明顯的改善。4月12日中午將推力提高10%后，貫入度變?yōu)?～6mm/rev，即使在極硬地層平均也可達3～4mm/rev（圖2、圖3）。在采取相關(guān)措施后，滾刀對巖層的比壓增大20%～25%，超過巖層的開裂強度，產(chǎn)生了有效碎裂，調(diào)整后單刀圈的破巖量也大大的提高。

4 結(jié)語

通過本文的刀具試驗、長距離刀具的統(tǒng)計分析，得到以下結(jié)論：傳統(tǒng)認(rèn)識中通過邊刀掘進里程來判斷刀圈耐磨性是不準(zhǔn)確的，用總金屬消耗量來評價刀圈的耐用性更加準(zhǔn)確。目前，國內(nèi)TBM刀具具有較高性價比，能夠滿足大部分工況使用，但刀具的刃寬則需要根據(jù)圍巖情況及時調(diào)整，同時實時調(diào)整掘進參數(shù)，使巖層產(chǎn)生有效開裂，進而降低換刀量，提高經(jīng)濟性。