鄭加星,賈昊霖,裴成元,杜立杰,*,李青蔚,宋聞學(xué),唐 榮

(1.新疆水發(fā)建設(shè)集團(tuán)有限公司,新疆 烏魯木齊 830000; 2.中國水利水電第三工程局有限公司,陜西 西安 710024; 3.石家莊鐵道大學(xué),河北 石家莊 050043)

0 引言

全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)作為能實現(xiàn)掘進(jìn)、支護(hù)和出渣的一體化設(shè)備,具有掘進(jìn)速度快、信息化程度高、安全可靠等優(yōu)點,被大量應(yīng)用于公路、鐵路和水利隧道工程中[1]。目前TBM刀盤上的滾刀一般采用的是常截面滾刀(constant cross section,CCS),常截面滾刀的刀刃寬度不會隨著刀具磨損而產(chǎn)生明顯的變化,因此,可以保證穩(wěn)定高效的破巖效率。然而,在某些極硬巖地層,使用標(biāo)準(zhǔn)刃寬的常截面滾刀施工破巖效率并不理想,即使提供相當(dāng)大的推力也只能獲得微小的貫入度。鑒于這種情況,一些工程嘗試減少標(biāo)準(zhǔn)刀的刃寬,以此提高刀具擠壓力,獲得更高的貫入度,從而達(dá)到有效提高破巖效率的目的。然而,刃寬降低的同時是否會帶來刀具磨損加劇及換刀數(shù)量增加,是否影響掘進(jìn)時間利用率,該問題有待深入研究。

國外早期曾對TBM滾刀破巖效率進(jìn)行過許多研究探索。其中,Gehring[2]對大量的全尺寸巖石樣本進(jìn)行線性切割室內(nèi)試驗,提出利用巖石的CAI指數(shù)來表征巖石的耐磨性,并提出基于CAI指數(shù)的滾刀刀圈磨損預(yù)測方法;Frenzel等[3]通過大量的巖體磨耗性試驗,提出TBM掘進(jìn)參數(shù)和圍巖地質(zhì)條件是影響滾刀磨損的關(guān)鍵因素;Hassanpour等[4]通過回歸分析的手段研究了不同完整巖石參數(shù)以及不同巖體參數(shù)對TBM滾刀單刀破巖量的影響。

國內(nèi)對滾刀破巖的研究雖然起步比較晚,但研究涉及的范圍很廣,包括室內(nèi)試驗、仿真模擬、現(xiàn)場跟蹤試驗等。例如:洪開榮[5]通過開展高強度硬巖滾刀破巖試驗和縮尺滾刀磨損試驗,提出了一系列降低滾刀磨耗的相關(guān)措施;賀飛等[6]開展了全尺度TBM滾刀線性切削花崗巖試驗,得到刃寬和貫入度對平均破巖載荷的影響程度明顯強于刀間距;袁聚云等[7]模擬了不同刃寬滾刀侵入不同尺寸DEM巖石模型的全過程,發(fā)現(xiàn)滾刀刃寬過小不利于TBM施工的穩(wěn)定性;吳元等[8]建立了邊緣滾刀的離散元模型,提出傾角對邊緣滾刀破巖效率的影響十分顯著,圓弧半徑和刀刃角的影響次之,刀刃寬的影響最小;譚忠盛等[9]通過開展高強度圍巖條件下刀具磨耗規(guī)律研究,得到不同掘進(jìn)參數(shù)對刀具磨損的敏感度,并給出掘進(jìn)參數(shù)的合理控制范圍;段志偉等[10]依托新疆EH隧洞工程,對不同圍巖條件下國產(chǎn)刀具的性能進(jìn)行現(xiàn)場測試,得出滾刀在凝灰?guī)r地層的磨損速率是在閃長巖和花崗巖地層的1/8;馮歡歡等[11]研究分析了復(fù)雜地質(zhì)條件下掘進(jìn)參數(shù)等與TBM刀具異常損壞、刀具消耗的關(guān)系,并提出了針對性的優(yōu)化方法;杜立杰等[12]依托東北某隧洞工程,分析了國內(nèi)首次應(yīng)用50.8 cm(20英寸)大直徑盤型滾刀在巨斑花崗巖下的磨耗規(guī)律,并論證了大直徑盤型滾刀的優(yōu)越性;張厚美[13]基于大量現(xiàn)場實測滾刀磨損數(shù)據(jù),首次提出了滾刀重復(fù)破碎與二次磨損的定量計算方法,并提出正面滾刀磨損的主要影響因素是一次破碎,而邊緣滾刀的主要影響因素是重復(fù)破碎引起的二次磨損;秦銀平等[14]通過理論預(yù)測模型結(jié)合現(xiàn)場實際數(shù)據(jù),發(fā)現(xiàn)正滾刀磨損發(fā)生規(guī)律性變化,中心滾刀易出現(xiàn)側(cè)向滑移,邊滾刀易發(fā)生二次磨損。

綜上所述,TBM滾刀破巖受到很多因素的影響,包括圍巖條件、設(shè)備參數(shù)、滾刀自身參數(shù)等,國內(nèi)外雖對TBM滾刀破巖效率進(jìn)行了大量的研究,并取得了一定的成果,但是實際工程中長距離極硬巖掘進(jìn)時TBM貫入度明顯下降,滾刀消耗增加,而改變滾刀選型對TBM掘進(jìn)速度和刀具消耗的綜合影響缺乏現(xiàn)場對比測試與分析。為此,在新疆YE工程KSⅡ標(biāo)項目開展現(xiàn)場實際掘進(jìn)試驗,針對工程中遇到的極硬巖工況,嘗試采取降低刀刃寬度的手段,探究窄刃滾刀在極硬巖地層中的性能表現(xiàn),并與標(biāo)準(zhǔn)刀進(jìn)行對比,以期為今后類似地質(zhì)條件下TBM滾刀類型的選擇提供參考。

1 現(xiàn)場測試條件與方案

1.1 圍巖條件

新疆YE工程KSⅡ標(biāo)第2掘進(jìn)洞段具有巖石完整性高、抗壓強度高、磨蝕性高的“三高”特征,隧洞主要地層巖性為泥盆系凝灰質(zhì)砂巖、石炭系凝灰質(zhì)砂巖與凝灰?guī)r以及華力西期花崗巖與花崗閃長巖。圍巖類別以Ⅱ類為主,占比90%以上,巖石單軸抗壓強度為100～180 MPa,石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～30%。隧洞段屬于地下水貧水區(qū),滲流量小,大多以滲水、滴水為主,局部為線狀流水。

選取樁號為14+550～15+800的窄刃刀施工段和樁號為17+000～18+250的標(biāo)準(zhǔn)刀施工段為掘進(jìn)試驗洞段。試驗洞段工程地質(zhì)剖面如圖1所示。2個掘進(jìn)段的圍巖類別、巖性和巖石強度占比基本相同,全部為Ⅱ類圍巖,巖性為凝灰質(zhì)砂巖,石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%～10%,巖石單軸抗壓強度為100～150 MPa,其中巖石單軸抗壓強度在140 MPa以上的圍巖占比為44%。

圖1 試驗洞段工程地質(zhì)剖面圖

1.2 主要設(shè)備參數(shù)

KSⅡ標(biāo)段采用直徑為7.03 m的敞開式TBM進(jìn)行施工,刀盤設(shè)計采用4+1分塊式結(jié)構(gòu),有6個均布的進(jìn)渣口。刀具布置為非線性形式,TBM刀盤共安裝有48把滾刀。TBM主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。刀具布置情況如圖2所示。

表1 TBM主要技術(shù)參數(shù)

圖2 刀具布置情況(單位:mm)

試驗選用的2種滾刀(標(biāo)準(zhǔn)刀和窄刃刀)均為48.26 cm(19英寸),刀圈材料密度為7 830 kg·m-3,彈性模量為210 GPa,泊松比為0.3,標(biāo)準(zhǔn)刀最大承載載荷為311 kN,窄刃刀最大承載能力略低。2種滾刀最主要的差別為刃寬,其中測試選用的標(biāo)準(zhǔn)刀刀圈頂部截面圓弧半徑為12 mm,窄刃刀為9 mm。刀圈模型與參數(shù)如圖3所示。

(a) 刀圈3D模型

1.3 現(xiàn)場測試方案

1.3.1 滾刀更換方案

本試驗從時間和成本的角度考慮,確定換刀區(qū)域為29#—48#刀位(見圖4中紅圈包絡(luò)區(qū)域),此刀位區(qū)域線速度大,環(huán)境相對惡劣,磨損較快,可以有效得到2種滾刀的性能差異,更好地節(jié)省試驗時間和成本。

圖4 試驗換刀區(qū)域

1.3.2 數(shù)據(jù)的采集與處理

通過TBM控制程序(PLC)自帶的掘進(jìn)參數(shù)記錄功能,可以獲得TBM掘進(jìn)過程中每分鐘的實時掘進(jìn)參數(shù),包括時間、推力、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、貫入度和掘進(jìn)速度等,掘進(jìn)參數(shù)可以從TBM操作室中的主機(jī)上導(dǎo)出。此外,操作室司機(jī)每天會在掘進(jìn)報表中記錄當(dāng)天的起始和截止樁號以及每個掘進(jìn)循環(huán)的主要掘進(jìn)參數(shù)平均值。

針對圍巖和滾刀磨耗情況,每天安排地質(zhì)勘察人員對已揭露的圍巖進(jìn)行地質(zhì)素描,得到其巖性、圍巖類別、節(jié)理情況等。每掘進(jìn)一定距離后會進(jìn)行巖芯取樣,檢測其單軸抗壓強度、石英質(zhì)量分?jǐn)?shù)、磨蝕性等巖石參數(shù),每天維護(hù)時間段維修人員會進(jìn)入刀盤內(nèi)部對刀具進(jìn)行檢修,并填寫記錄表,包括各個刀位上刀具的磨損量、更換情況以及更換原因等。

對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行整理匯總,剔除無關(guān)參數(shù)和異常數(shù)據(jù),統(tǒng)計試驗期間2種滾刀的掘進(jìn)參數(shù)和磨耗情況,選取合適的評定指標(biāo),對比窄刃刀和標(biāo)準(zhǔn)刀在硬巖地質(zhì)中的性能。

2 測試結(jié)果與對比分析

2.1 掘進(jìn)速度對比

2.1.1 TBM貫入度對比

選擇2個試驗段中圍巖強度在125～145 MPa的地段,并將TBM推力控制在12 000～18 000 kN,其中窄刃刀平均推力為15 653 kN,標(biāo)準(zhǔn)刀平均推力為15 373 kN,轉(zhuǎn)速控制在6～7 r/min。獲取對應(yīng)圍巖強度下2種滾刀的掘進(jìn)循環(huán)數(shù)據(jù),分別統(tǒng)計分析窄刃刀和標(biāo)準(zhǔn)刀掘進(jìn)時推力和貫入度的變化情況,如圖5所示。

圖5 2種刀型貫入度對比

窄刃刀的最大貫入度為11.8 mm/r,最小貫入度為5.1 mm/r,平均貫入度約為8.3 mm/r;標(biāo)準(zhǔn)刀的最大貫入度為8.7 mm/r,最小貫入度為2.4 mm/r,平均貫入度約為5.1 mm/r。窄刃刀的平均貫入度較標(biāo)準(zhǔn)刀提升約63%,提升效果明顯。

2.1.2 TBM掘進(jìn)速度對比

由于滾刀在不同強度圍巖下所發(fā)揮的性能不同,為更好地對比窄刃刀和標(biāo)準(zhǔn)刀在不同圍巖強度下的掘進(jìn)速度,特選取110、120、130、140、150 MPa 5個圍巖強度,并統(tǒng)計在這5個圍巖強度附近2種滾刀的平均掘進(jìn)速度情況。其中,強度為110 MPa和150 MPa的圍巖占比較低,各統(tǒng)計了50 m的掘進(jìn)數(shù)據(jù),其他強度地段則是分別統(tǒng)計了150 m的掘進(jìn)數(shù)據(jù)。掘進(jìn)速度統(tǒng)計的是每個掘進(jìn)循環(huán)穩(wěn)定階段的平均速度,而每天的掘進(jìn)循環(huán)基本都在12個以上,每天的掘進(jìn)距離平均為20 m左右。因此,110 MPa和150 MPa的圍巖地段統(tǒng)計的掘進(jìn)數(shù)據(jù)為30組左右,其他地段為90組左右。TBM自帶的PLC數(shù)據(jù)輸出為1組/min,這樣每組可得到約35個數(shù)據(jù)點,每個圍巖強度下的掘進(jìn)速度數(shù)據(jù)都在百個以上。統(tǒng)計分析不同圍巖強度下2種刀型的掘進(jìn)速度,如圖6所示。

圖6 不同圍巖強度下2種刀型的掘進(jìn)速度

隨著圍巖強度的增加,無論是窄刃刀還是標(biāo)準(zhǔn)刀,其掘進(jìn)速度都是逐漸降低的。圖6中的折線表示同等推力和圍巖條件下,窄刃刀相比于標(biāo)準(zhǔn)刀在掘進(jìn)速度方面的提升程度?？梢钥吹?圍巖強度達(dá)到120 MPa以上時,隨著圍巖強度的增加,掘進(jìn)速度的提升效果越發(fā)明顯。在150 MPa左右圍巖強度條件下,窄刃刀的掘進(jìn)速度相比于標(biāo)準(zhǔn)刀提升40%左右。因此,在較高強度的圍巖條件下,若要獲得更高的掘進(jìn)速度,使用窄刃刀破巖更具優(yōu)勢。下面將進(jìn)一步分析換刀次數(shù)對TBM掘進(jìn)時間利用率進(jìn)而對施工速度的影響。

2.1.3 TBM掘進(jìn)時間利用率對比

TBM掘進(jìn)作業(yè)時間主要分為掘進(jìn)、換步、支護(hù)、刀具檢查與更換、設(shè)備故障延誤以及其他原因?qū)е碌难诱`等。統(tǒng)計2種滾刀掘進(jìn)段落TBM的平均作業(yè)利用率情況,如圖7所示。

(a) 標(biāo)準(zhǔn)刀 (b) 窄刃刀

由圖7可以看出:窄刃刀掘進(jìn)時間占比為42.2%,刀具檢查與更換時間占比為25.1%;標(biāo)準(zhǔn)刀掘進(jìn)時間占比為44.7%,刀具檢查與更換時間占比為22.4%;2種滾刀的掘進(jìn)作業(yè)利用率整體相差不大。因此,雖然窄刃刀相比標(biāo)準(zhǔn)刀換刀次數(shù)有所增加,但維護(hù)人員能在TBM常規(guī)維護(hù)時間內(nèi)完成,并未出現(xiàn)因換刀次數(shù)增加而影響整體TBM掘進(jìn)時間利用率和施工速度的情況。但相對于其他工程來說,2種滾刀的刀具檢查與更換時間整體都偏高,主要是由于試驗洞段圍巖極硬且完整,導(dǎo)致滾刀消耗較多,換刀頻繁。

2.1.4 TBM施工速度對比

一般而言,TBM施工主要追求的目標(biāo)為速度,施工速度越高,創(chuàng)造的效益也就越多。從試驗期間的掘進(jìn)報表中整理出窄刃刀和標(biāo)準(zhǔn)刀的每日進(jìn)尺數(shù)據(jù),去除因故障或檢修導(dǎo)致停機(jī)的情況,窄刃刀有效掘進(jìn)天數(shù)為54 d,標(biāo)準(zhǔn)刀有效掘進(jìn)天數(shù)為65 d。2種刀型施工速度對比如圖8所示。

圖8 2種刀型施工速度對比

由圖8可以看出,窄刃刀每日進(jìn)尺大多數(shù)情況下要高于標(biāo)準(zhǔn)刀。經(jīng)計算,窄刃刀的平均進(jìn)尺為22.98 m/d,標(biāo)準(zhǔn)刀的平均進(jìn)尺為19.07 m/d,窄刃刀相比于標(biāo)準(zhǔn)刀平均日進(jìn)尺提升約20.5%。在掘進(jìn)1 250 m的過程中,窄刃刀耗時54 d,標(biāo)準(zhǔn)刀耗時65 d,兩者相差11 d?？紤]到窄刃刀在取得掘進(jìn)速度提升的同時,可能伴隨著刀具磨損和損壞的加劇,從而使刀具消耗成本增加,為此下面將進(jìn)一步對比2種滾刀的磨耗情況。

2.2 滾刀磨耗對比

2.2.1 滾刀消耗更換對比

根據(jù)試驗期間的刀具維護(hù)記錄報表,得到利用窄刃刀和標(biāo)準(zhǔn)刀在掘進(jìn)1 250 m過程中刀盤上各刀位的換刀情況,將正常更換滾刀數(shù)量與異常損壞滾刀數(shù)量以堆積的形式進(jìn)行展現(xiàn),結(jié)果如圖9所示。

(a) 窄刃刀

由圖9可以看出,2種滾刀隨著刀具安裝半徑的增大,其換刀數(shù)量基本呈現(xiàn)先增后減的趨勢,在42#刀位附近滾刀更換數(shù)量最多。分別統(tǒng)計標(biāo)準(zhǔn)刀和窄刃刀在不同刀位的累計換刀情況,其中窄刃刀掘進(jìn)段刀盤累計更換381把,29#—48#刀位累計更換270把,占全部換刀量的70.87%;標(biāo)準(zhǔn)刀掘進(jìn)段刀盤累計更換306把,29#—48#刀位累計更換213把,占全部換刀量的69.61%。2種滾刀于29#—48#刀位區(qū)域的換刀數(shù)量在整體換刀數(shù)量的占比都為70%左右,因此,選擇29#—48#刀位作為試驗換刀區(qū)域,能在很大程度上反映刀盤整體的耗刀情況。

此外,對比窄刃刀和標(biāo)準(zhǔn)刀在29#—48#刀位區(qū)域的換刀數(shù)量,發(fā)現(xiàn)窄刃刀累計換刀多出57把,超出標(biāo)準(zhǔn)刀約26.76%。若按照單把滾刀刀圈更換成本為6 000元進(jìn)行換算,掘進(jìn)相同里程,窄刃刀的刀具成本增加約34萬元。

2.2.2 滾刀失效形式分布對比

在掘進(jìn)過程中滾刀產(chǎn)生了不同形式的失效,失效形式有正常磨損、偏磨、刀圈斷裂或崩刃、擋圈損壞、轉(zhuǎn)動異常、漏油、刀體報廢、高溫破壞等。統(tǒng)計分析窄刃刀和標(biāo)準(zhǔn)刀在掘進(jìn)過程中的主要失效占比情況,結(jié)果如圖10所示。

圖10 滾刀失效占比情況

掘進(jìn)期間,窄刃刀正常磨損更換數(shù)量占比為71.24%,異常損壞更換數(shù)量占比為28.76%;標(biāo)準(zhǔn)刀正常磨損更換數(shù)量占比為73.49%,異常損壞更換數(shù)量占比為26.51%。2種滾刀正常磨損情況在換刀總量中的占比都超過70%,窄刃刀略低,但僅相差2.2%,或者說與標(biāo)準(zhǔn)刀相比,窄刃刀異常損壞高出并不明顯。

窄刃刀和標(biāo)準(zhǔn)刀發(fā)生刀圈偏磨的情況都較為嚴(yán)重,接近總換刀量的1/5,但相差很小,占比分別為19.4%和18.0%。窄刃刀破巖時多次出現(xiàn)刀圈溫度過高從而破壞密封的情況,泥土、灰塵進(jìn)入軸承,導(dǎo)致滾刀轉(zhuǎn)動不暢,進(jìn)而造成刀圈偏磨。此外,對2種滾刀的維修和配件更換情況進(jìn)行跟蹤記錄,發(fā)現(xiàn)由于巖石過于堅硬,在掘進(jìn)過程中滾刀刀圈容易發(fā)生斷裂和崩刃破壞,窄刃刀刀圈斷裂和崩刃比例為5.2%,高于標(biāo)準(zhǔn)刀的2.6%,但2種刀型相對于總的失效占比都不大。

2.2.3 滾刀刀圈磨損對比

根據(jù)試驗期間的換刀臺賬,分別統(tǒng)計2種滾刀在29#—48#刀位的累計磨損情況,如圖11所示。

圖11 29#—48#刀位累計磨損情況

由圖11可以看出,在29#—48#刀位2種滾刀累計磨損量都大體呈現(xiàn)先增后減的趨勢,且都是在42#刀位附近累計磨損量達(dá)到最大,這和各刀位累計更換結(jié)果相一致。此外,還可以看出窄刃刀和標(biāo)準(zhǔn)刀的累計磨損出現(xiàn)明顯差距的部位主要集中在面刀,小部分位于過渡區(qū)域的邊刀上,而在39#刀位以后累計磨損差距變小。分析其原因主要是邊刀存在安裝傾角,隨著刀位號的增加,安裝傾角逐漸增大,滾刀開始以側(cè)面磨損為主,2種滾刀的徑向磨損差距變小。

進(jìn)一步對圖11中的滾刀磨損數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,分別統(tǒng)計窄刃刀和標(biāo)準(zhǔn)刀在試驗掘進(jìn)期間面刀和邊刀區(qū)域的平均每延米磨損速率,結(jié)果如圖12所示。

圖12 面刀和邊刀區(qū)域的平均每延米磨損速率

在面刀區(qū)域,標(biāo)準(zhǔn)刀的平均每延米磨損為0.077 mm,窄刃刀的平均每延米磨損為0.118 mm,超出標(biāo)準(zhǔn)刀約53%;在邊刀區(qū)域,標(biāo)準(zhǔn)刀的平均每延米磨損為0.159 mm,窄刃刀的平均每延米磨損為0.135 mm,超出標(biāo)準(zhǔn)刀約17%?？梢园l(fā)現(xiàn),從面刀到邊刀,雖然2種滾刀的平均磨損速率都增加了,但窄刃刀與標(biāo)準(zhǔn)刀之間的差距卻減小了,由此可以看出標(biāo)準(zhǔn)刀和窄刃刀的磨損差距主要集中在面刀區(qū)域。

2.2.4 滾刀平均掘進(jìn)距離對比

滾刀的平均掘進(jìn)距離是指各個刀位上單把滾刀的平均掘進(jìn)長度,由掘進(jìn)里程分別與某刀位上理論換刀數(shù)和實際換刀數(shù)的比值得到該刀位上滾刀的理論平均掘進(jìn)距離和實際平均掘進(jìn)距離。其中,理論換刀數(shù)為此刀位的累計磨損值與極限磨損值的比值,實際換刀數(shù)由刀具記錄臺賬得到。采用上述方法得到29#—48#刀位上滾刀的平均掘進(jìn)距離,如圖13所示。

(a) 窄刃刀

由圖13可以看出:無論是標(biāo)準(zhǔn)刀還是窄刃刀,理論平均掘進(jìn)距離和實際平均掘進(jìn)距離都隨著刀位號的增加大致呈遞減趨勢;面刀區(qū)域?qū)嶋H和理論平均掘進(jìn)距離差距較大,邊緣滾刀實際與理論平均掘進(jìn)距離相近,這是由于邊刀區(qū)域滾刀失效的主要原因是刀圈磨損到極限位置,而面刀區(qū)域除發(fā)生滾刀異常失效外,還需要頻繁進(jìn)行調(diào)刀工作,使相鄰刀圈的高度差控制在安全范圍內(nèi)(一般規(guī)定最大不能超過15 mm[15]),導(dǎo)致實際換刀次數(shù)增多,實際平均掘進(jìn)距離下降。

由圖13還可以看出,窄刃刀的理論平均掘進(jìn)距離和實際平均掘進(jìn)距離都小于標(biāo)準(zhǔn)刀,說明窄刃刀在掘進(jìn)期間的換刀和調(diào)刀工作量相比于標(biāo)準(zhǔn)刀要略大,但差距主要集中在面刀區(qū)域,而在線速度高、磨損速率快的邊刀區(qū)域,2種滾刀掘進(jìn)距離的差距并不是很明顯。

3 結(jié)論與討論

針對TBM在施工過程中遭遇長距離極硬巖,嚴(yán)重延誤施工進(jìn)度的情況,在新疆YE工程KSⅡ標(biāo)段開展現(xiàn)場掘進(jìn)試驗,探究窄刃刀和標(biāo)準(zhǔn)刀在高強度圍巖洞段下的性能,主要結(jié)論如下。

1)在本工程極硬巖試驗條件下,使用窄刃刀破巖對施工速度有著較為明顯的提升,提升效果主要來自于窄刃刀對貫入度的提高,且隨著圍巖強度的增加,窄刃刀對掘進(jìn)速度的提升效果越來越明顯,窄刃刀的平均貫入度較標(biāo)準(zhǔn)刀提升約63%;在150 MPa左右圍巖強度條件下,窄刃刀的掘進(jìn)速度相比于標(biāo)準(zhǔn)刀要提升40%左右。

2)掘進(jìn)相同里程,窄刃刀相比于標(biāo)準(zhǔn)刀消耗刀具數(shù)量較多,累計換刀數(shù)量超出標(biāo)準(zhǔn)刀約26.76%;窄刃刀的磨損速率較快,超出標(biāo)準(zhǔn)刀約17%。但是,2種滾刀的失效形式占比相差很小,刀圈偏磨和斷裂是主要的異常損壞形式。

3)窄刃刀因磨損和調(diào)刀導(dǎo)致?lián)Q刀量有所增加,但維護(hù)人員能在常規(guī)維護(hù)時間段內(nèi)完成刀具的檢查與更換任務(wù),對TBM掘進(jìn)作業(yè)時間利用率影響極小。

4)通過成本估算,試驗掘進(jìn)期間窄刃刀通過提高施工速度可節(jié)省成本約110萬元,刀具消耗成本增加約34萬元。因此,在高強度極硬圍巖條件下,使用窄刃刀可以獲得施工速度和成本上的綜合優(yōu)勢。

由于現(xiàn)場條件的限制,試驗都是在Ⅱ類凝灰?guī)r條件下進(jìn)行的,缺乏其他巖性下的對比研究,未來將進(jìn)一步開展不同巖性下窄刃刀和標(biāo)準(zhǔn)刀的性能對比測試。