黃 丹 馬 昊 楊小聰 李玉選 鄭志杰

（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.國(guó)家金屬礦綠色開(kāi)采國(guó)際聯(lián)合研究中心，北京 102628）

0 引言

隨著大量中西部山區(qū)交通、水利基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃和實(shí)施，一批大型水資源開(kāi)發(fā)及跨區(qū)域調(diào)配工程相繼開(kāi)工，礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)向深部進(jìn)軍，需要建設(shè)大量的深長(zhǎng)隧道，其面臨的地質(zhì)條件越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)工期和成本的控制要求越來(lái)越嚴(yán)格，因此對(duì)施工技術(shù)和施工管理水平的要求也越來(lái)越高。

目前國(guó)內(nèi)深長(zhǎng)隧道的施工主要采用鉆爆法和全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)（Tunnel Boring Machine，TBM）工法。得益于機(jī)械裝備制造水平和世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，近15 年內(nèi)TBM 廣泛應(yīng)用于我國(guó)水利、交通和礦山工程。國(guó)內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)表明，TBM 的掘進(jìn)速度可達(dá)鉆爆法的3～10 倍[1]，且超挖量小、成洞質(zhì)量高。

TBM 依靠刀盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng)和推進(jìn)帶動(dòng)刀盤(pán)上的滾刀貫入和切削巖石從而實(shí)現(xiàn)破巖掘進(jìn)。當(dāng)巖石較硬時(shí)，滾刀在破巖過(guò)程中會(huì)承受很高的巖石作用力，巖石對(duì)滾刀產(chǎn)生強(qiáng)烈的磨蝕效應(yīng)，導(dǎo)致滾刀刀刃不斷變寬，與巖石的接觸面積不斷變大，直至改變?cè)械臐L刀破巖方式。因此，在刀盤(pán)推力不變的情況下，滾刀的磨損大大降低TBM 的掘進(jìn)效率。當(dāng)滾刀磨損量超過(guò)允許值時(shí)，就必須更換新的滾刀，否則會(huì)加劇該滾刀和相鄰滾刀的磨損、造成刀圈崩壞、脫落和軸承漏油。滾刀磨損會(huì)顯著增加掘進(jìn)成本，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在某些高磨蝕性地層中掘進(jìn)（如西康鐵路隧道和引漢濟(jì)渭隧洞），刀具的費(fèi)用可達(dá)總施工成本的1/3，檢查和更換刀具所需要的時(shí)間約占施工總時(shí)間的1/3[2]。研究TBM滾刀磨損對(duì)合理預(yù)測(cè)TBM 掘進(jìn)的工期和成本并及時(shí)采取有效措施縮短工期及降低成本具有重要作用[3]。

本文從刀具磨損研究的幾個(gè)方面綜述了國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展，包括滾刀磨損破壞形式、滾刀磨損影響因素、滾刀磨損檢測(cè)與更換方式和滾刀磨損的預(yù)測(cè)方法。

1 滾刀的磨損破壞形式

TBM 滾刀在破巖過(guò)程中，滾刀的磨損可分為正常磨損和非正常磨損，正常磨損指滾刀的均勻磨損[4]，非正常磨損包括刀圈偏磨及弦磨[4]、刀圈崩刃及斷裂、擋圈脫落、軸承失效、漏油等（見(jiàn)圖1）。

圖1 刀圈磨損形式圖

正常情況下，滾刀破巖時(shí)，刀刃各處均勻受到巖石的摩擦作用，刀刃各處的磨損量相同，即刀圈產(chǎn)生均勻磨損。在巖石比較堅(jiān)硬的地層中，此類(lèi)磨損占全部損壞刀具的80%以上[5]。

當(dāng)TBM 在軟弱破碎地層或軟硬復(fù)合地層中掘進(jìn)時(shí)，由于巖體不能為滾刀提供足夠的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩，同時(shí)細(xì)粒巖渣進(jìn)入刀箱后若不及時(shí)清理，會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力矩，導(dǎo)致滾刀不能正常轉(zhuǎn)動(dòng)[6]，從而使?jié)L刀產(chǎn)生弦磨。滾刀軸承損壞，例如軸承進(jìn)砂、滾珠破碎、密封構(gòu)件損壞導(dǎo)致潤(rùn)滑油泄露等，也會(huì)影響滾刀轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致弦磨。

當(dāng)巖石強(qiáng)度較低而磨蝕性較高時(shí)，往往滾刀的貫入度較大，刀刃側(cè)邊磨損嚴(yán)重，刀刃寬度顯著減小，而刀圈直徑幾乎不變，導(dǎo)致刀刃偏磨。

破巖過(guò)程中刀圈會(huì)承受較大的沖擊力，尤其巖層中存在軟硬不均的巖石時(shí)，刀圈可能會(huì)以較大的速度沖擊硬巖，在刀圈、刀體和軸承中產(chǎn)生很高的應(yīng)力，因此可能發(fā)生刀圈斷裂和局部甚至是整體脫落[7]、軸承損壞或者密封構(gòu)件失效引起漏油。擋圈也會(huì)與碎石接觸產(chǎn)生摩擦磨損，當(dāng)磨損量過(guò)大時(shí)會(huì)引起擋圈斷裂脫落。

此外，滾刀與巖石相互擠壓、摩擦和沖擊過(guò)程會(huì)引起刀具發(fā)熱，從而降低滾刀硬度，加快磨損。在某些極硬巖地層中掘進(jìn)時(shí)，會(huì)因?yàn)闈L刀刀圈硬度不夠大變成蘑菇狀，如圖1(d)所示。過(guò)高的溫度也可能引起軸承損壞和刀具漏油。

2 滾刀磨損的影響因素

滾刀破巖時(shí)受力過(guò)程復(fù)雜，滾刀磨損受到多種機(jī)制的共同作用，根據(jù)摩擦方式可以分為滾動(dòng)摩擦和滑動(dòng)摩擦，根據(jù)磨損機(jī)理可分為磨粒磨損、疲勞磨損和粘著磨損[8]。從參與磨損的作用對(duì)象和作用方式分析，影響滾刀磨損的主要因素可分為地質(zhì)參數(shù)、刀盤(pán)設(shè)計(jì)參數(shù)和掘進(jìn)參數(shù)三個(gè)方面。刀盤(pán)設(shè)計(jì)參數(shù)和掘進(jìn)參數(shù)應(yīng)與地質(zhì)參數(shù)優(yōu)化匹配，因此地質(zhì)參數(shù)是決定滾刀磨損的根本性因素。

地質(zhì)參數(shù)包括完整巖石的物理力學(xué)性質(zhì)和巖體結(jié)構(gòu)特征，刀盤(pán)設(shè)計(jì)參數(shù)包括刀圈質(zhì)量（硬度、韌性、耐磨性、軸承密封性等）、滾刀啟動(dòng)扭矩、滾刀在刀盤(pán)上的布置形式、滾刀直徑和數(shù)量，掘進(jìn)參數(shù)包括滾刀貫入度和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速。以下從這三個(gè)方面分析不同因素對(duì)滾刀磨損的影響。

2.1 地質(zhì)參數(shù)影響

（1）巖石物理力學(xué)性質(zhì)影響

完整巖石強(qiáng)度、硬度和磨蝕性是影響滾刀磨損的主要巖石物理力學(xué)性質(zhì)，巖石強(qiáng)度越大、硬度越高、磨蝕性越高，滾刀磨損越嚴(yán)重。巖石強(qiáng)度是滾刀破巖力主要影響因素之一，強(qiáng)度越高則滾刀需要的破巖力越大，滾刀與巖石間的相互作用越強(qiáng)烈，磨損也越嚴(yán)重；巖石的硬度和磨蝕性高時(shí)，如巖石石英含量很高時(shí)[9]，滾刀發(fā)生顯著的磨粒磨損，滾刀磨損速率加速。

（2）巖體結(jié)構(gòu)特征影響

巖體完整性越好，在TBM 凈掘進(jìn)速度不變的條件下所需的刀盤(pán)推力越大，滾刀受到的巖石反作用也越大，滾刀磨損越嚴(yán)重。孫紅等[10]統(tǒng)計(jì)了TBM 刀具消耗與巖體完整性間的關(guān)系，如圖2 所示。

圖2 巖體完整性與刀具掘進(jìn)消耗率的關(guān)系

此外，當(dāng)TBM 掘進(jìn)遇到復(fù)合地層時(shí)，滾刀由較軟巖石進(jìn)入較硬巖石時(shí)易受到很大的沖擊力，加劇滾刀磨損，甚至造成滾刀崩刃、刀圈斷裂或者擋圈脫落。

2.2 刀盤(pán)及滾刀設(shè)計(jì)參數(shù)因素

（1）滾刀軸承及軸承密封件

軸承質(zhì)量不好時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間工作后會(huì)產(chǎn)生較大變形；密封件質(zhì)量不好時(shí)，水和巖渣可能進(jìn)入軸承。這些結(jié)果都會(huì)影響刀具正常轉(zhuǎn)動(dòng)，造成刀圈弦磨、崩刃或斷裂。

（2）滾刀的啟動(dòng)扭矩

啟動(dòng)扭矩過(guò)大，TBM 在較軟巖層中掘進(jìn)時(shí)易出現(xiàn)滾刀難以轉(zhuǎn)動(dòng)而導(dǎo)致弦磨。啟動(dòng)扭矩過(guò)小則往往需要犧牲軸承密封性能，掘進(jìn)過(guò)程中易導(dǎo)致密封失效。

（3）滾刀間距

刀盤(pán)上滾刀間距越小，相同面積上安裝的滾刀數(shù)量越多，TBM 掘進(jìn)時(shí)滾刀所受的平均荷載越小，滾刀磨損速率越低。

（4）滾刀的布置形式

刀盤(pán)上不同位置滾刀的安裝半徑不同，安裝半徑越大，TBM 掘進(jìn)過(guò)程中滾刀的線速度越大，滾刀與巖石的沖擊作用更強(qiáng)，滾刀滾動(dòng)的距離越長(zhǎng)，造成滾刀磨損越嚴(yán)重。靠近刀盤(pán)邊緣的滾刀間距應(yīng)比靠近中間的滾刀間距小，以減少受力、減輕磨損。刀盤(pán)上所有滾刀的排布形式對(duì)滾刀磨損也有影響，不合理的排布形式會(huì)導(dǎo)致掘進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)受到偏心力矩作用，滾刀貫入度不一樣，受力不均勻，且滾刀容易受到沿刀盤(pán)徑向的荷載作用，從而加快滾刀磨損。

（5）滾刀直徑

滾刀直徑越大，則承載能力越大、滾動(dòng)阻力越小、破巖量一定時(shí)滾刀刀圈轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)越少，使得滾刀磨損量減小。由于大直徑滾刀可提高滾刀承載力并降低滾刀磨損速率，因此近年來(lái)滾刀設(shè)計(jì)不斷朝著大直徑的方向發(fā)展。

（6）滾刀類(lèi)型

早期的滾刀以V 型刃為主，但V 型刃較窄，掘進(jìn)初期具有良好的掘進(jìn)性能，但隨著掘進(jìn)刀刃磨損較快，貫入巖石能力快速下降。后來(lái)大部分TBM 均使用常截面滾刀，除了磨損速率比V 型滾刀慢，磨損后截面積變化較小，能在一定限度內(nèi)保持比較穩(wěn)定的掘進(jìn)性能。

（7）刀圈材質(zhì)

滾刀刀圈自身的耐磨性對(duì)滾刀磨損具有很大影響。質(zhì)量好的刀圈具有較高的硬度和耐磨性，同時(shí)具有良好的韌性，抗磨性能和抗疲勞性能均較好，質(zhì)量差的刀圈則相反。

2.3 掘進(jìn)參數(shù)影響

影響滾刀磨損的掘進(jìn)參數(shù)主要是滾刀貫入度和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速。

滾刀貫入度越大，所需要的破巖力越大，滾刀與巖石的相互作用越強(qiáng)烈，因此磨損越嚴(yán)重。楊延棟等[11]根據(jù)秦嶺某引水隧洞現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)參數(shù)和刀具磨損情況的統(tǒng)計(jì)，分析了切深指數(shù)對(duì)滾刀磨損的影響，得到了正滾刀平均磨損速率與現(xiàn)場(chǎng)貫入度指數(shù)（FPI）間的關(guān)系（見(jiàn)圖3），并指出隨FPI 增大滾刀平均磨損速率呈線性增大。

圖3 正滾刀平均磨損速率與場(chǎng)切深指數(shù)擬合關(guān)系

刀盤(pán)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定了滾刀的線速度，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速越大，滾刀沿刀盤(pán)中心的公轉(zhuǎn)速度越大，與巖體或巖渣的摩擦和沖擊作用越強(qiáng)，并可能導(dǎo)致滾刀溫度較高，加劇滾刀磨損。

3 刀具磨損檢測(cè)

TBM 掘進(jìn)過(guò)程中，刀具磨損是無(wú)法避免的，當(dāng)磨損量超過(guò)允許值時(shí)應(yīng)及時(shí)更換刀具，否則可能造成掘進(jìn)推力增大、掘進(jìn)效率降低和刀具或刀盤(pán)的損害，因此及時(shí)檢測(cè)刀具的磨損情況并根據(jù)要求及時(shí)更換刀具非常重要。刀具的磨損檢測(cè)方法主要包括開(kāi)倉(cāng)檢查和刀具磨損狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)。通常17 英寸和19 英寸滾刀的最大允許磨損量分別為25 mm 和30 mm。

3.1 開(kāi)倉(cāng)檢查

開(kāi)倉(cāng)檢查主要根據(jù)施工人員的經(jīng)驗(yàn)判斷是否需要進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)時(shí)需要TBM 停機(jī)，由人工采用專(zhuān)用量具測(cè)量，一般對(duì)每把滾刀測(cè)量刀圈上三處的磨損量，然后取平均值。開(kāi)倉(cāng)檢測(cè)過(guò)程耗時(shí)較長(zhǎng)且具有較大安全風(fēng)險(xiǎn)，開(kāi)倉(cāng)會(huì)導(dǎo)致掌子面卸載，可能引發(fā)掌子面坍塌。若檢測(cè)頻率過(guò)低，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)損壞或者磨損量過(guò)大的滾刀；若檢測(cè)頻率過(guò)高，發(fā)現(xiàn)刀具未損壞且未超過(guò)磨損允許值時(shí)，就造成了人工資源浪費(fèi)和施工效率損失。

3.2 刀具磨損在線監(jiān)測(cè)

為了高效地檢測(cè)刀具磨損情況，提高TBM 施工效率，刀具狀態(tài)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。通過(guò)相應(yīng)的在線監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)時(shí)掌握刀具的磨損情況，可以讓施工人員判斷出準(zhǔn)確的換刀時(shí)機(jī)。常見(jiàn)監(jiān)測(cè)方法有電流監(jiān)測(cè)法、壓力監(jiān)測(cè)法、異味監(jiān)測(cè)法、渦流監(jiān)測(cè)法、磁力線監(jiān)測(cè)法、超聲波監(jiān)測(cè)法、掘進(jìn)參數(shù)分析法和渣片形態(tài)分析法。

電流監(jiān)測(cè)法是在刮刀中內(nèi)置線圈，當(dāng)滾刀磨損量達(dá)到一定值后線圈導(dǎo)電性發(fā)生變化，以此表征滾刀磨損程度[12]。壓力監(jiān)測(cè)法是在刮刀刀頭內(nèi)置壓力傳感器，通過(guò)刀頭受力判斷刀具磨損程度[13]。異味監(jiān)測(cè)法是在滾刀潤(rùn)滑油中加入具有特殊氣味的添加劑，當(dāng)滾刀磨損量達(dá)到一定值時(shí)造成漏油，從而產(chǎn)生刺鼻味道[14]。這三種方法均會(huì)改變刀具的原有結(jié)構(gòu)，從而影響刀具性能，且增加了刀具制造成本。

相比于上述需要改變刀具結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)方法，無(wú)損傳感器監(jiān)測(cè)方法具有更高的精度和通用性。渦流監(jiān)測(cè)法[15—16]是利用電渦流傳感器獲取的電壓信號(hào)變化表征滾刀磨損量，并通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。這種方法測(cè)量范圍大、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，被普遍認(rèn)為是最有前景的滾刀磨損監(jiān)測(cè)方法。電渦流監(jiān)測(cè)法往往因?yàn)閭鞲衅鞴拇?，監(jiān)測(cè)使用時(shí)間比較短。為解決這個(gè)問(wèn)題，龔秋明等[17]基于在磁傳感器上加設(shè)激勵(lì)磁體研發(fā)了一種滾刀磨損的磁力線監(jiān)測(cè)方法，并設(shè)計(jì)了有線和無(wú)線兩種數(shù)據(jù)傳輸方式，該監(jiān)測(cè)方法量程大、精度高、功耗小，他們提出的刀盤(pán)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)同時(shí)還可監(jiān)測(cè)滾刀轉(zhuǎn)速及刀盤(pán)溫度，并成功應(yīng)用于武漢的東湖污水輸送工程[18]。超聲波監(jiān)測(cè)法[19]對(duì)刮刀發(fā)送超聲波，并通過(guò)超聲波傳感器測(cè)量超聲波的反射時(shí)間，從而計(jì)算刮刀的磨損量，目前這種方法對(duì)滾刀磨損的監(jiān)測(cè)誤差較大。

掘進(jìn)參數(shù)分析法是一種間接監(jiān)測(cè)方法，通過(guò)刀具上的傳感器監(jiān)測(cè)滾刀的轉(zhuǎn)速、溫度與振動(dòng)狀態(tài)或者通過(guò)TBM 自帶的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)監(jiān)測(cè)刀盤(pán)的推力、扭矩和轉(zhuǎn)速[20—21]來(lái)綜合分析判斷刀具的磨損情況，當(dāng)認(rèn)為掘進(jìn)參數(shù)異常時(shí)需要開(kāi)倉(cāng)進(jìn)一步檢查刀具的實(shí)際磨損情況。這種方法一定程度上避免了盲目的開(kāi)倉(cāng)檢查，但難以準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)刀具的磨損量值，只能粗略地通過(guò)某種判據(jù)評(píng)估刀盤(pán)上的所有刀具是否整體上受到嚴(yán)重磨損。

渣片形態(tài)分析法是通過(guò)圖像識(shí)別技術(shù)分析TBM 掘進(jìn)破巖產(chǎn)生的巖渣。新舊刀具切削土體產(chǎn)生的巖渣形狀、大小、切口斷面和斷裂棱角不同，可以據(jù)此判斷刀具的磨損情況[17]。由于巖渣形狀受到的影響因素較多，此方法難以獲得判斷滾刀磨損情況。

目前大部分滾刀磨損在線監(jiān)測(cè)技術(shù)仍處于試驗(yàn)研究階段，尚未在TBM 施工中廣泛應(yīng)用。

4 巖石磨蝕性試驗(yàn)

巖石的磨蝕性是影響滾刀的磨損的主要因素之一，被作為多個(gè)滾刀磨損預(yù)測(cè)模型的主要參數(shù)之一。巖石的磨蝕性越高，滾刀的磨蝕程度越嚴(yán)重。影響巖石磨蝕性的因素主要有：巖石的礦物成分、礦物顆粒的大小和形狀、膠結(jié)類(lèi)型和巖石的強(qiáng)度。巖石磨蝕性評(píng)價(jià)室內(nèi)試驗(yàn)方法有壓入硬度試驗(yàn)、鑿碎比功試驗(yàn)、挪威科技大學(xué)AV/AVS 試驗(yàn)、Cerchar 磨蝕性試驗(yàn)和LCPC 試驗(yàn)等，目前最常用的方法[22]為Cerchar磨蝕性試驗(yàn)和挪威科技大學(xué)AV/AVS 試驗(yàn)。

4.1 Cerchar 磨蝕性試驗(yàn)

這種試驗(yàn)方法最初由法國(guó)的Cerchar 研究所于1973 年提出，后來(lái)由West 于1989 年對(duì)109 個(gè)巖石樣本進(jìn)行了量化分類(lèi)，建立了巖石特性與磨蝕性系數(shù)間的關(guān)系[23]。試驗(yàn)通過(guò)一根錐角為90 度、洛氏硬度為55+1 的鋼針在70 N 荷載作用下，以10 mm/min的速度在巖石表面移動(dòng)10 mm，然后通過(guò)顯微鏡觀察測(cè)量鋼針針尖損失的直徑，將損失的平均直徑（以0.1 mm 為單位）定義為Cerchar 磨蝕性指數(shù)CAI[24]。

國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)（ISRM）[25]和美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）[26]均制定了相關(guān)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)過(guò)程及試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)方法做出了詳細(xì)規(guī)定和說(shuō)明，巖石磨蝕性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。有研究表明，巖石強(qiáng)度[27]、鋼針材質(zhì)[28]和測(cè)試表面形態(tài)[29]對(duì)測(cè)試結(jié)果有均較大影響。2013 年Albert 等[25]向國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)推薦了一份巖石磨蝕性測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，相比ASTM 標(biāo)準(zhǔn)增加了當(dāng)①鋼針洛氏硬度不為55+1 和②巖石測(cè)試面由鋸切制得的情況下測(cè)試結(jié)果的修正公式，但第二種情況下的修正公式不適用于堅(jiān)硬且磨蝕性非常高的巖石。

表1 Cerchar 磨蝕性試驗(yàn)CAI 分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

Cerchar 試驗(yàn)操作簡(jiǎn)單，且采用原巖試樣進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得的CAI 值被廣泛應(yīng)用于各種滾刀磨損預(yù)測(cè)模型。

4.2 NTNU 巖石磨蝕性試驗(yàn)

這種試驗(yàn)方法[30]由挪威科技大學(xué)（Norges Teknisk-Naturvitenskapelige Universitet，NTNU）提出，是NTNU 滾刀磨損預(yù)測(cè)模型的一個(gè)專(zhuān)用試驗(yàn)。試驗(yàn)先把待測(cè)試巖樣碾碎為粒徑小于1 mm 的粉末，然后送進(jìn)旋轉(zhuǎn)的鋼制圓盤(pán)上，上面固定與滾刀材料相同的試塊，試塊上加有10 kg 的重物。在鋼盤(pán)勻速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，試塊不斷被磨蝕。把鋼盤(pán)旋轉(zhuǎn)5 分鐘即100圈后，試塊損失的質(zhì)量定義為挪威磨蝕值A(chǔ)V。若測(cè)試的材料是滾刀刀圈上的材料時(shí)，把鋼盤(pán)旋轉(zhuǎn)1 分鐘即20 轉(zhuǎn)時(shí)材料的磨損量定義為AVS。

NTNU 巖石磨蝕性測(cè)試方法采用的被磨蝕材料與滾刀刀圈材料相同，可以直接測(cè)得該刀圈材料的耐磨性質(zhì)，但測(cè)試前需將巖樣碾成1 mm 的碎末，相對(duì)比較麻煩，且測(cè)試結(jié)果難以反映巖石結(jié)構(gòu)對(duì)磨蝕性的影響。這種測(cè)試方法目前僅被NTNU 磨損預(yù)測(cè)模型采用。

5 滾刀磨損預(yù)測(cè)方法研究

為了在TBM 工程前期論證階段為T(mén)BM 設(shè)備選型和控制工期及成本提供依據(jù)，就需要研究基于TBM 設(shè)備參數(shù)和工程地質(zhì)條件的TBM 掘進(jìn)性能預(yù)測(cè)方法，其中很重要的一項(xiàng)任務(wù)就是預(yù)測(cè)滾刀的磨損速率。

多年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于室內(nèi)試驗(yàn)、數(shù)值模擬和工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)TBM 滾刀磨損進(jìn)行了大量研究，提出了相應(yīng)的單把滾刀磨損及工程滾刀消耗預(yù)測(cè)模型，單把滾刀磨損預(yù)測(cè)模型一般預(yù)測(cè)單把滾刀開(kāi)挖單位體積/進(jìn)尺巖體或者單位滾動(dòng)距離條件下滾刀直徑或質(zhì)量的減少量，或者直接預(yù)測(cè)單把滾刀的最大滾動(dòng)距離等；而工程滾刀消耗預(yù)測(cè)模型一般預(yù)測(cè)開(kāi)挖單位體積或進(jìn)尺時(shí)消耗的滾刀把數(shù)。這些模型總體上可分為半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

5.1 半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

半理論半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯ㄟ^(guò)對(duì)滾刀受力和磨損機(jī)理分析，結(jié)合試驗(yàn)研究結(jié)果，并采用合理假設(shè)建立單把滾刀磨損的數(shù)學(xué)表達(dá)方法。

喬世范等[31]、楊延棟等[32]認(rèn)為滾刀磨損機(jī)制主要為磨粒磨損，分別采用不同的磨損量計(jì)算公式并結(jié)合滾刀受力的CSM 預(yù)測(cè)模型進(jìn)行分析，提出了單把滾刀磨損預(yù)測(cè)模型，并與TBM 工程現(xiàn)場(chǎng)的滾刀磨損數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，為滾刀磨損的定量預(yù)測(cè)提供了有益的研究思路。然而，滾刀磨損受到多種機(jī)制的共同影響，此類(lèi)模型基于單一機(jī)制進(jìn)行理論推導(dǎo)，且僅與單一工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比，其實(shí)用性還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。

Wijk[33]結(jié)合試驗(yàn)研究結(jié)果和理論分析，提出了基于巖石磨蝕性指數(shù)、單軸抗壓強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的楔形滾刀和常截面單把滾刀磨損速率的預(yù)測(cè)模型，并將單把滾刀的壽命通過(guò)最大滾動(dòng)距離L來(lái)表征。

式中：∑ 為滾刀磨損系數(shù)；d為滾刀直徑；w為滾刀刀刃磨損后寬度；θ為滾刀邊角；F為滾刀法向力；σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度；σPLT為巖石點(diǎn)荷載強(qiáng)度；CAI 為基于Cerchar 試驗(yàn)的巖石磨蝕性指數(shù)[34]。Wijk 進(jìn)一步給出了不同巖體特征條件下掘進(jìn)速率、滾刀消耗和費(fèi)用等掘進(jìn)參數(shù)瞬時(shí)值和累計(jì)值的計(jì)算方法。該半理論半經(jīng)驗(yàn)公式為后人進(jìn)行類(lèi)似研究提供了思路，但該公式的提出存在較大的主觀性，且公式中的滾刀磨損系數(shù)∑ 取值較為困難。

Rostami[35]基于室內(nèi)試驗(yàn)和理論分析提出了類(lèi)似的單把滾刀壽命預(yù)測(cè)模型，但這個(gè)模型僅考慮了巖石的CAI 值。由于Rostami 的滾刀壽命預(yù)測(cè)模型建立在著名的CSM 滾刀受力模型基礎(chǔ)上，因此引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。

滾刀壽命的半理論半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵话銉H考慮完整巖石的一個(gè)或幾個(gè)物理力學(xué)性質(zhì)及滾刀的尺寸，較少考慮巖體完整性和掘進(jìn)參數(shù)的影響，且由于推導(dǎo)過(guò)程中引入了假設(shè)，使得模型預(yù)測(cè)結(jié)果通常與工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際有較大差異。

5.2 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ椭饕鶕?jù)TBM 掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)回歸分析研究滾刀磨損數(shù)據(jù)與巖體參數(shù)、機(jī)器參數(shù)和掘進(jìn)參數(shù)間的相關(guān)程度，篩選出最相關(guān)的幾個(gè)影響因素，建立滾刀磨損的經(jīng)驗(yàn)公式。

楊媛媛等[36]分析了秦嶺隧道TBM 工程不同圍巖等級(jí)條件下的工程滾刀消耗，提出了根據(jù)圍巖TBM 工作條件等級(jí)預(yù)測(cè)工程滾刀消耗量的公式，但該公式基于的數(shù)據(jù)量很少，且只考慮巖體條件，沒(méi)有考慮TBM 刀具參數(shù)和施工參數(shù)的影響，因此預(yù)測(cè)精度不高。

閆長(zhǎng)斌等[37]對(duì)山西萬(wàn)家寨引黃工程南干線TBM 工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行了擬合分析，同樣基于圍巖TBM 工作條件等級(jí)，并引入滾刀直徑影響因子，提出了同時(shí)考慮地質(zhì)適宜性和滾刀直徑的工程滾刀消耗量預(yù)測(cè)公式。該公式是對(duì)楊媛媛公式的進(jìn)一步改進(jìn)，考慮了刀具直徑對(duì)磨損的影響，但沒(méi)有考慮其它刀具參數(shù)及掘進(jìn)參數(shù)的影響，且所基于的工程數(shù)據(jù)也較少。

Gehring[38]基于韓國(guó)的一個(gè)隧道TBM 工程現(xiàn)場(chǎng)滾刀磨損數(shù)據(jù)和巖石CAI 值進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)滾刀磨損量與滾動(dòng)距離成正比，并定義了一個(gè)單把滾刀磨損參數(shù)Vs—單位滾動(dòng)距離的刀圈磨損質(zhì)量。

式中：d為滾刀直徑，mm；TL 為滾刀刀圈半徑減小量，mm；T為滾刀刀刃寬度；Rollingdistance 為滾刀距離。

Vs通過(guò)CAI 值預(yù)測(cè)：

公式（3）基于現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，采用了廣泛使用的巖石磨蝕性參數(shù)CAI，并且很容易能與滾刀位置參數(shù)、滾刀刀圈容許極限半徑減小量和滾刀貫入度建立聯(lián)系。但這個(gè)公式來(lái)源于單一工程數(shù)據(jù)，對(duì)其它地質(zhì)條件下的TBM 工程預(yù)測(cè)精度不高。

Hassanpour[14]對(duì)伊朗一條30 km 長(zhǎng)的硬巖隧道27 個(gè)單元的工程地質(zhì)參數(shù)和17 寸滾刀磨損數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將滾刀磨損Hf壽命定義為每把滾刀在被更換前所開(kāi)挖的巖體體積，分析了不同巖石/巖體參數(shù)（包括維氏硬度VHNR、單軸抗壓強(qiáng)度UCS、石英含量、巖石磨蝕性指數(shù)ABI（VHNR/UCS）、單位體積節(jié)理數(shù)Jv、巖石質(zhì)量RQD、基本巖體分級(jí)指數(shù)BasicRMR 和地質(zhì)強(qiáng)度指數(shù)（GSI））與滾刀壽命Hf間的相關(guān)性，篩選出與Hf最相關(guān)的兩個(gè)巖石參數(shù)——VHNR 和UCS，并通過(guò)多元回歸分析建立Hf與VHNR 和UCS 的關(guān)系，提出了火山碎屑和鎂鐵質(zhì)火成巖條件下的工程滾刀消耗量經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?/p>

但該經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突谝粋€(gè)特定工程，也沒(méi)有考慮TBM 刀具參數(shù)和掘進(jìn)參數(shù)的影響。

挪威科技大學(xué)（NTNU）[39]研究人員統(tǒng)計(jì)分析了大量TBM 隧道工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和室內(nèi)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出了考慮刀盤(pán)直徑、滾刀直徑、滾刀間距、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、巖石磨蝕性礦物比例、刀盤(pán)推力和滾刀數(shù)量等因素的滾刀磨損預(yù)測(cè)模型。該模型隨著TBM 設(shè)備性能的發(fā)展和工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的增加進(jìn)行了多次改進(jìn)，是目前獲得廣泛認(rèn)可的單把滾刀磨損預(yù)測(cè)模型之一。Macias[40]提出了最新的2016 版NTNU 模型：

式中：H0為基本平均刀圈壽命，h；Hh為以h/cutter 為單位的平均刀圈壽命；Hm為以m/cutter 為單位的平均刀圈壽命；Hf為以m3/cutter 為單位的平均刀圈壽命；kD為 刀盤(pán)直徑修正系數(shù)；kQ為磨蝕性礦物修正系數(shù)；krpm為刀盤(pán)轉(zhuǎn)速修正系數(shù)；kN為 滾刀數(shù)量修正系數(shù)；kT為刀盤(pán)推力修正系數(shù)；Ntbm為實(shí)際滾刀數(shù)量；In為T(mén)BM 凈掘進(jìn)效率；dtbm為刀盤(pán)直徑?；酒骄度勖麳0是滾刀壽命指數(shù)CLI 的函數(shù)，如圖4 所示。

圖4 17 英寸和19 英寸滾刀的基本平均刀圈壽命與滾刀壽命指數(shù)CLI 的關(guān)系

Ebranhim 和Dae[41]定義了一個(gè)反映單把滾刀磨損的參數(shù)Scwl，即開(kāi)挖單位體積巖體的滾刀質(zhì)量損失。通過(guò)對(duì)25 條TBM 隧道工程的Scwl 數(shù)據(jù)和巖石CAI 值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立了通過(guò)巖石CAI 值預(yù)測(cè)刀具Scwl 值的經(jīng)驗(yàn)公式：

并給出了通過(guò)Scwl 計(jì)算Vs的公式：

式中：S為滾刀間距；P為滾刀貫入度。

他們提出了一種新的基于小尺寸常截面滾刀的巖石磨蝕性試驗(yàn)方法，采用這種方法來(lái)測(cè)量相應(yīng)滾刀磨損指標(biāo)DWI，并測(cè)試了來(lái)自9 條近年完成的隧道TBM 工程巖樣的DWI 值，統(tǒng)計(jì)了相應(yīng)的Scwl 值，建立了Scwl 與DWI 的關(guān)系，進(jìn)而基于公式（9）得到了基于DWI 的Vs計(jì)算公式：

通過(guò)將新加坡的一條電纜傳輸隧道TBM 工程的現(xiàn)場(chǎng)磨損數(shù)據(jù)與公式（9）和公式（10）的預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)公式（9）和公式（10）的預(yù)測(cè)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)都具有較好的一致性，公式（10）的預(yù)測(cè)精度更高。該方法需要更多的工程數(shù)據(jù)對(duì)公式進(jìn)行檢驗(yàn)和修正，以提高預(yù)測(cè)精度。

滾刀磨損經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突趯?shí)際TBM 工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，當(dāng)其它TBM 工程地質(zhì)條件與建立該模型所基于的地質(zhì)條件類(lèi)似時(shí)，采用該模型能較好地預(yù)測(cè)滾刀磨損，但經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵灿幸欢ň窒扌?。一方面由于影響滾刀磨損的因素很多，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗y以考慮所有因素，且很多因素間還有一定的相關(guān)性。另一方面經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯谟邢薜墓こ贪咐?，地質(zhì)條件、TBM 設(shè)備參數(shù)和掘進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)樣本有限，因此將其應(yīng)用到其它工程時(shí)往往出現(xiàn)較大誤差。

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)滾刀壽命預(yù)測(cè)模型開(kāi)展了大量研究，部分模型如表2 所示。由于影響TBM 工程滾刀磨損的因素很多，半理論半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突蛘攥F(xiàn)有的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ投茧y以考慮如此多的因素。隨著TBM工法的推廣和應(yīng)用，未來(lái)通過(guò)積累各類(lèi)地質(zhì)條件下的海量工程現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，建立TBM 工程大數(shù)據(jù)庫(kù)，采用人工智能的方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究是科學(xué)可靠地預(yù)測(cè)滾刀磨損的趨勢(shì)。

表2 國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的部分滾刀壽命預(yù)測(cè)模型

6 結(jié)論與展望

6.1 結(jié)論

（1）滾刀磨損破壞的形式多種多樣，包括均勻磨損、刀圈偏磨及弦磨、刀圈和擋圈斷裂、脫落或軸承損壞。

（2）刀具磨損影響因素主要包括地質(zhì)參數(shù)、刀盤(pán)及滾刀設(shè)計(jì)參數(shù)和掘進(jìn)參數(shù)三個(gè)方面。地質(zhì)參數(shù)包括完整巖石的強(qiáng)度、硬度和磨蝕性、巖體完整性和均勻性；刀盤(pán)及滾刀設(shè)計(jì)參數(shù)包括滾刀軸承的耐久性、刀具的啟動(dòng)扭矩、布置形式、直徑、間距、類(lèi)型和刀圈的材質(zhì)；掘進(jìn)參數(shù)包括滾刀貫入度和刀盤(pán)轉(zhuǎn)速。工程實(shí)踐中應(yīng)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)參數(shù)匹配刀盤(pán)及滾刀設(shè)計(jì)參數(shù)和掘進(jìn)參數(shù)。

（3）刀具磨損檢測(cè)方法主要包括開(kāi)倉(cāng)檢查和刀具磨損狀態(tài)在線監(jiān)測(cè)。在線監(jiān)測(cè)可以實(shí)時(shí)掌握刀具的磨損情況，利于準(zhǔn)確把握換刀時(shí)機(jī)、提高滾刀壽命和TBM 施工利用率。近年來(lái)出現(xiàn)了電流監(jiān)測(cè)法、壓力監(jiān)測(cè)法、異味監(jiān)測(cè)法、渦流監(jiān)測(cè)法、超聲波監(jiān)測(cè)法、巖渣形態(tài)分析法和掘進(jìn)參數(shù)分析法等在線監(jiān)測(cè)方法。目前滾刀磨損在線監(jiān)測(cè)技術(shù)仍處于探索過(guò)程中，還沒(méi)有完善的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在TBM 施工中廣泛應(yīng)用。

（4）滾刀磨損預(yù)測(cè)方法主要包括半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃徒?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ汀０虢?jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒃谟墒覂?nèi)試驗(yàn)和理論分析得到的刀具破巖力預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，基于刀具的磨損機(jī)制分析并結(jié)合通用的磨損量計(jì)算公式，建立滾刀磨損與完整巖石性質(zhì)及刀具尺寸參數(shù)間的量化關(guān)系；經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪峭ㄟ^(guò)對(duì)TBM 現(xiàn)場(chǎng)施工數(shù)據(jù)的擬合分析，建立滾刀磨損與巖石性質(zhì)、巖體等級(jí)、刀盤(pán)刀具參數(shù)和掘進(jìn)參數(shù)間的量化關(guān)系。通常經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陬A(yù)測(cè)TBM 工程滾刀磨損速度時(shí)較半理論半經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ驼`差小，但預(yù)測(cè)結(jié)果仍與工程實(shí)際存在誤差，作為施工性能參考依據(jù)的同時(shí)，應(yīng)進(jìn)一步結(jié)合具體工程實(shí)際進(jìn)行分析與修正。

6.2 展望

（1）進(jìn)一步提高刀具的材料性能和制造水平，從而提高滾刀抗磨損性能，降低滾刀磨損。

（2）研發(fā)和完善在線實(shí)時(shí)滾刀磨損監(jiān)測(cè)技術(shù)和自動(dòng)化換刀技術(shù)，以對(duì)達(dá)到設(shè)計(jì)極限磨損量的滾刀進(jìn)行及時(shí)、快速更換。

（3）在TBM 工程項(xiàng)目論證階段獲取更準(zhǔn)確詳細(xì)的工程地質(zhì)資料，并建立更科學(xué)的滾刀磨損預(yù)測(cè)模型，為T(mén)BM 選型設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

（4）在TBM 施工階段對(duì)掌子面前方地質(zhì)條件隨掘隨探，提高地質(zhì)資料準(zhǔn)確性，以提高施工掘進(jìn)參數(shù)選擇的科學(xué)性。