李 雪 陳 霖 霍 鵬,3 馬文帥 龔子邦 吳九七

(1.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,610500,成都;2.上海市軌道交通結(jié)構(gòu)耐久與系統(tǒng)安全重點實驗室,201804,上海;3.四川航天建筑工程有限公司,610100,成都;4.中鐵十九局集團(tuán)公司軌道交通工程有限公司,101300,北京)

在高磨蝕性巖層中,TBM(硬巖隧道掘進(jìn)機(jī))采用的主要刀具為滾刀,但掘進(jìn)過程中刀具磨損問題較為突出。刀具磨損后的頻繁換刀不僅影響施工工期,還增加了施工成本,刀具的檢測與更換在實際施工過程中所用時間占比高達(dá)20%～40%,換刀成本占到了總施工成本的1/3[1]。

刀具在高磨蝕性巖層中的磨損問題一直是該領(lǐng)域的研究難點,針對這一問題,國內(nèi)外學(xué)者大多通過建立刀具磨損預(yù)測模型來進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[2]提出刀具磨損的主要原因是磨粒磨損和黏著磨損,并建立了滾刀磨損預(yù)測通用計算模型。文獻(xiàn)[3]研究了滾刀的運(yùn)動軌跡和磨粒分布對刀具磨損的影響,建立了砂卵石地層TBM刀具的磨損預(yù)測模型。文獻(xiàn)[4-5]針對高磨蝕性巖層中的刀具磨損嚴(yán)重問題,利用縮尺滾刀進(jìn)行了室內(nèi)試驗,并基于現(xiàn)場試驗驗證建立了高磨蝕性巖層中的滾刀磨損預(yù)測模型。文獻(xiàn)[6]以成都地鐵1號線和7號線為例,總結(jié)了砂卵石巖層中影響滾刀磨損量的各種因素。文獻(xiàn)[7]研究了滾刀張拉破巖模式和CSM(科羅拉多力學(xué)模型),對高磨蝕性巖層中滾刀的非正常磨損進(jìn)行了監(jiān)測和實例分析。文獻(xiàn)[8]對復(fù)合地層中的滾刀磨損風(fēng)險等級進(jìn)行了過模糊評判,針對不同巖性中的刀具選擇問題進(jìn)行了研究分析。

目前,對于硬巖巖層中滾刀的壽命預(yù)測及磨損規(guī)律的研究較多,但鮮少有文獻(xiàn)針對不同的滾刀評價體系進(jìn)行研究?；诖?本文通過選取不同品牌的滾刀,以控制變量法設(shè)計了現(xiàn)場試驗,統(tǒng)計分析了不同刀具在粉砂巖地層中的磨損特征。采用層次分析法,選取正常磨損和非正常磨損的7個影響因素,建立滾刀磨損失效危害評價模型。通過滾刀失效影響評價值對不同品牌的滾刀直接進(jìn)行評分,選出最優(yōu)滾刀品牌。本文研究可為高磨蝕性巖層中滾刀的比選提供基礎(chǔ)。

1 工程背景介紹

1.1 工程概況

廣佛東環(huán)城際鐵路大源站至太和站區(qū)間線路長約6.80 km,采用兩臺土壓平衡和TBM雙模式盾構(gòu)進(jìn)行掘進(jìn)施工。地鐵隧道穿越的地層主要為中風(fēng)化片麻巖(占32%)和強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖(占25%)。盾構(gòu)隧道穿越的地層主要為中風(fēng)化粉砂巖和強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖。巖樣天然抗壓強(qiáng)度為2.75～139.50 MPa,抗壓強(qiáng)度變化大,巖層軟硬不均,刀具磨損嚴(yán)重。隧址區(qū)屬預(yù)丘陵地貌,地勢起伏大,隧道埋深為14.5～15.8 m。掘進(jìn)地層縱斷面示意圖如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)地層縱斷面示意圖

1.2 現(xiàn)場試驗方案

在大源站至太和站區(qū)間掘進(jìn)過程中,4家滾刀品牌可供選擇,為選擇相同條件下掘進(jìn)距離長、刀具磨損小、高磨蝕性巖層適應(yīng)性好的刀具方案,設(shè)計了控制變量試驗,即控制刀間距、掘進(jìn)地層、滾動半徑等參數(shù)保持不變,對掘進(jìn)的滾刀進(jìn)行現(xiàn)場對比試驗分析,現(xiàn)場試驗信息如表1所示。

表1 現(xiàn)場試驗信息

TBM刀盤按照1+2分塊形式設(shè)計,滾刀共59把,S1—S12滾刀為中心滾刀,S13—S49為正面滾刀,S50—S58B為邊緣滾刀,刀盤布局示意圖如圖2所示。中心刀具采用雙刃滾刀,其余采用單刃滾刀,滾刀規(guī)格均為17寸(56.61 cm)。選取右線管片179環(huán)—245環(huán)為試驗區(qū)段,掘進(jìn)距離為120.6 m,穿越地層包括中風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖地層。以邊緣滾刀S50—S57作為試驗用刀,即圖2所示邊緣區(qū)域刀具。

圖2 刀盤布局示意圖

為研究高磨蝕性地層下滾刀的磨損規(guī)律及類型,統(tǒng)計了179環(huán)—245環(huán)所有刀具的磨損數(shù)據(jù),經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),在掘進(jìn)過程中,滾刀磨損分為正常磨損和非正常磨損。滾刀的正常磨損失效比例達(dá)到了76.71%,究其原因主要為,在刀具破巖過程中,刀具與巖石發(fā)生相互摩擦切削,造成刀具相對均勻的磨蝕損耗。滾刀的非正常磨損失效比例達(dá)到了23.29%,其中偏磨占比為14.20%,占比較高。刀具非正常磨損情況統(tǒng)計如表2所示。

表2 刀具非正常磨損情況統(tǒng)計

2 基于層次分析法的滾刀評價方法

2.1 滾刀磨損失效危害評價模型

采用層次分析法確定盾構(gòu)刀具磨損中各失效類型因素所造成風(fēng)險的相對權(quán)重,權(quán)重越高則危害性越大,權(quán)重越低則危害性越小。基于前文所述的磨損類型,建立磨損因素集U={u1,u2,u3,u4,u5,u6,u7}[9],根據(jù)層次分析法建立評價指標(biāo)體系,所建立的滾刀磨損失效危害評價模型如圖3所示。將滾刀磨損失效劃分為正常磨損失效與非正常磨損失效兩大類,非正常磨損失效下屬各類型(包括單邊或多邊弦偏磨、刃偏磨或刀刃磨尖、軸承磨損、刀圈脫出或斷裂、卷刃、擋圈脫落、正常磨損)作為基礎(chǔ)評價因子,對滾刀失效危害進(jìn)行綜合評價。

圖3 滾刀磨損失效危害評價模型

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2.2 建立比較判斷矩陣與一致性檢驗

基于1到9的比例標(biāo)度進(jìn)行危害調(diào)查與專家咨詢調(diào)查,按照危害越大,評價分?jǐn)?shù)越高的評價機(jī)制進(jìn)行排名,風(fēng)險評價分值表如表3所示。針對影響滾刀失效危害性評價的7個因素,分別根據(jù)表3中的風(fēng)險評價分值進(jìn)行兩兩比較,可以得到比較判斷矩陣A,其示意圖如圖4所示。

表3 風(fēng)險評價分值表

圖4 比較判斷矩陣示意圖

用方根法對比較判斷矩陣A進(jìn)行特征值及特征向量求解,計算7種失效類型危害的權(quán)重(w1q,…,w7q):

經(jīng)過方根量綱一化處理后,可以得到失效類型危害的相對權(quán)重w1=0.102,w2=0.06,w3=0.154,w4=0.349,w5=0.06,w6=0.237,w7=0.037。相對權(quán)重矩陣w=[w1w2w3w4w5w6w7]T。

比較判斷矩陣的最大特征值λmax可以表示為:

式中:

Bi——比較判斷矩陣A與相對權(quán)重矩陣w相乘后所得矩陣中的第i個元素;

n——比較判斷矩陣階數(shù),本文取n=7。

最后進(jìn)行一致性檢驗,一致性指標(biāo)γCI為:

7階矩陣隨機(jī)一致性指標(biāo)γRI=1.36,則一致性比率γCR為:

由此可知,滾刀磨損失效危害評價模型通過一致性檢驗。

2.3 滾刀失效影響評價值

由前文的計算結(jié)果可知,刀圈脫出或斷裂、擋圈脫落和軸承磨損三者的相對危害權(quán)重排在前3位,說明這三者的危害等級相對較高。其中,刀圈脫出或斷裂易對刀具造成二次傷害,進(jìn)而造成更為嚴(yán)重的刀具刀盤磨損,對施工項目的經(jīng)濟(jì)性影響較大,需要重點關(guān)注和控制。

在實際施工項目中,不同種類滾刀的各失效類型及磨損情況各不相同。為了更好地應(yīng)用于實際案例,引入滾刀失效影響評價值N和失效類型發(fā)生頻率占比bi,以綜合評價滾刀的失效影響。滾刀失效影響評價值越高,表示滾刀在使用過程中失效帶來的負(fù)面影響越嚴(yán)重。滾刀失效影響評價值N可以表示為:

(1)

3 實際案例分析

根據(jù)上述評價方式,統(tǒng)計4個品牌的滾刀在試驗區(qū)段的磨損速率,為了更加直觀地對比各品牌滾刀的磨損速率,將a品牌滾刀磨損速率設(shè)為對照參數(shù)1,計算出各品牌刀具的相對磨損速率。結(jié)合試驗時發(fā)生的3種非正常磨損和正常磨損失效類型危害的相對權(quán)重,根據(jù)式(1)計算4個品牌滾刀的失效影響評價值,如表4所示。各刀具品牌的相對磨損速率和失效影響評價值對比,如圖5所示。

表4 滾刀失效影響評價計算表

圖5 各刀具品牌相對磨損速率和失效影響評價值對比

c品牌與d品牌滾刀的失效影響評價值較低,表明該滾刀在工作過程中發(fā)生非正常失效時,對項目工程的危害性更小。值得注意的是,d品牌滾刀未曾發(fā)生刀圈掉落或斷裂等高危害特殊刀具失效的情況。d品牌滾刀的耐磨性能相較c品牌滾刀而言表現(xiàn)較差,可能是由于刀具硬度較低的緣故。d品牌滾刀的非正常磨損風(fēng)險控制較好,但在正常切屑破巖方面的耐磨性表現(xiàn)相對較差。c品牌滾刀在正常切削時的耐磨蝕性能更好,表現(xiàn)較為均衡。綜上所述:建議在磨蝕性較強(qiáng)、硬度較大的地層采用表現(xiàn)均衡的c品牌滾刀;而在硬度相對較低、刀具非正常失效頻發(fā)的巖層采用非正常失效控制良好的d品牌滾刀。各品牌對比結(jié)果及選用建議如表5所示。

表5 滾刀品牌對比及選用建議

4 結(jié)論

1) 將刀盤分區(qū)進(jìn)行編號,并統(tǒng)計了高磨蝕巖層中的滾刀失效類型與占比,非正常磨損占比為23.29%,正常磨損占比為76.71%,選取7種磨損類型作為影響因子,建立滾刀失效影響評價模型。

2) 采用層次分析法建立了各級指標(biāo)評價矩陣,并進(jìn)行了一致性檢驗,引入失效類型占比作為另一因變量,求出滾刀失效影響評價值,失效影響評價值越高,滾刀在使用過程中失效帶來的負(fù)面影響越嚴(yán)重。

3) 用所提評價方式求出4個品牌滾刀的失效影響評價值,c品牌和d品牌滾刀的失效影響評價值分別為7.141和4.816,遠(yuǎn)小于a品牌的7.587和b品牌的9.058,但d品牌的相對磨損速率大于c品牌,由此得出c品牌滾刀最適合在高磨蝕性巖層中使用,a品牌滾刀適用于硬度極大的巖層,b品牌滾刀不推薦使用,d品牌滾刀適用于硬度較小的巖層。