全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀磨損影響因素分析

楊延棟， 陳 饋， 郭 璐， 李 星

(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)

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全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀磨損影響因素分析

楊延棟， 陳 饋， 郭 璐， 李 星

(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)

為了有效控制和降低全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)施工時(shí)滾刀的磨損，較準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)滾刀的磨損量，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)從地質(zhì)影響因素和機(jī)械影響因素2個(gè)方面對(duì)滾刀磨損問(wèn)題進(jìn)行了分析。通過(guò)水泥試樣實(shí)驗(yàn)，得出等效石英含量EQC和單軸抗壓強(qiáng)度UCS單獨(dú)對(duì)巖石磨蝕性的影響規(guī)律；通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巖樣實(shí)驗(yàn)，得出兩者共同對(duì)巖石磨蝕性的影響規(guī)律。通過(guò)對(duì)比進(jìn)口與國(guó)產(chǎn)TBM的刀盤刀具布置，得出滾刀破巖面積對(duì)磨損速率的影響規(guī)律；通過(guò)統(tǒng)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)參數(shù)與刀具磨損數(shù)據(jù)，得出場(chǎng)切深指數(shù)FPI對(duì)滾刀平均磨損速率的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明： 巖石對(duì)滾刀磨損的地質(zhì)影響是巖石等效石英含量和單軸抗壓強(qiáng)度共同作用的結(jié)果；破巖面積是刀盤刀具設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)滾刀磨損的敏感指標(biāo)；場(chǎng)切深指數(shù)是設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)對(duì)滾刀磨損的敏感指標(biāo)。

全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)； 盤形滾刀； 刀具磨損； 影響因素； 敏感指標(biāo)

0 引言

盤形滾刀作為全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)(TBM)的核心破巖工具，滾刀磨損已成為TBM施工過(guò)程中不可避免的關(guān)鍵問(wèn)題之一。對(duì)于TBM施工的山嶺隧道，滾刀磨損導(dǎo)致的刀具費(fèi)用約占施工費(fèi)用的1/3，滾刀更換時(shí)間約占施工時(shí)間的1/3[1]；另外TBM施工前滾刀的使用量往往難以預(yù)測(cè)。為了明確滾刀的磨損規(guī)律，建立滾刀磨損的預(yù)測(cè)方法，需要對(duì)滾刀磨損的影響因素進(jìn)行分析，為滾刀磨損的定量分析提供基礎(chǔ)，對(duì)滾刀的使用具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

目前，對(duì)于滾刀磨損的影響因素，國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者已開(kāi)展了針對(duì)性研究。L.A.Prieto[2]針對(duì)滾刀磨損問(wèn)題，提出了多個(gè)影響滾刀磨損的地質(zhì)因素，并通過(guò)開(kāi)展CAI實(shí)驗(yàn)，探索滾刀磨損影響規(guī)律； 王旭等[3]通過(guò)對(duì)滾刀磨料磨損機(jī)制的分析，歸納滾刀磨損的影響因素主要來(lái)自機(jī)械因素和地質(zhì)因素2個(gè)方面； 竺維彬等[4]通過(guò)對(duì)四十多臺(tái)盾構(gòu)滾刀磨損情況的歸納，從地質(zhì)、滾刀結(jié)構(gòu)、刀盤形式和施工控制等方面總結(jié)了導(dǎo)致滾刀磨損的原因，并提出了控制滾刀磨損的對(duì)策； 張厚美等[5]通過(guò)分析掘進(jìn)參數(shù)判斷滾刀的磨損情況； 孫紅等[6]通過(guò)分析滾刀磨損現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，建立了滾刀消耗率與巖體完整性系數(shù)的關(guān)系； 張忠健等[7]對(duì)3種刀圈耐磨材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，表明刀圈材料對(duì)滾刀磨損亦有影響； WANG等[8-9]認(rèn)為刀具磨損是磨擦功作用的結(jié)果，建立了磨損體積與摩擦功的關(guān)系，通過(guò)滾刀磨損引起的比能變化來(lái)預(yù)測(cè)滾刀的磨損量； ZHANG等[10]通過(guò)對(duì)比滾刀刀刃破巖點(diǎn)弧長(zhǎng)與刀具磨損量，表明滾刀刀刃破巖點(diǎn)弧長(zhǎng)與磨損量之間存在一定的正比例關(guān)系； J.Hassanpour等[11]通過(guò)分析滾刀單刀破巖量與巖石維氏硬度VHNR、巖石單軸抗壓強(qiáng)度UCS等參數(shù)的關(guān)系，通過(guò)數(shù)值擬合的方法建立了滾刀壽命預(yù)測(cè)模型。

通過(guò)上述國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)滾刀磨損影響因素的研究，可將滾刀磨損的影響因素歸納為地質(zhì)因素、機(jī)械因素和材料因素等； 但已有研究多為定性的分析，未能建立各個(gè)影響因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)。本研究通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)分析滾刀磨損的影響因素，建立各影響因素的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并提取敏感影響因子，為滾刀磨損量的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)。

1 影響滾刀磨損的地質(zhì)因素

影響滾刀磨損的地質(zhì)因素主要包括巖石單軸抗壓強(qiáng)度UCS(Unconfined Compressive Strength)、等效石英含量EQC(Equivalent Quartz Content)[2]和巖體完整性等，其中UCS與EQC對(duì)滾刀磨損的影響突出，是地質(zhì)影響因子中的敏感指標(biāo)； 而巖石磨蝕性指標(biāo)CAI(Cerchar Abrasivity Index)[12]是衡量巖石對(duì)滾刀磨蝕性的重要指標(biāo)，且G.Wijk在1992年已建立了滾刀磨損速率與巖石磨蝕性指標(biāo)CAI的定量關(guān)系，認(rèn)為滾刀的磨損速率與CAI的平方近似呈正比例關(guān)系[13]。因此，建立UCS、EQC和CAI的關(guān)系，即可明確地質(zhì)敏感指標(biāo)對(duì)滾刀磨損的影響。

1.1 單軸抗壓強(qiáng)度與等效石英含量的單獨(dú)影響

由于施工現(xiàn)場(chǎng)采集的巖石的UCS和EQC 2個(gè)指標(biāo)無(wú)法單獨(dú)控制其中某一個(gè)變量，導(dǎo)致無(wú)法定量分析UCS和EQC單獨(dú)對(duì)CAI的影響，因此利用水泥、石英砂(150目)和水3種材料，通過(guò)改變石英砂含量來(lái)獲得不同石英含量的試樣，并通過(guò)改變水灰比來(lái)獲得不同單軸抗壓強(qiáng)度的試樣。不同石英含量的5組試樣的水∶水泥∶石英砂(質(zhì)量比)依次為1∶2∶1.00、1∶2∶1.25、1∶2∶1.50、1∶2∶1.75、1∶2∶2.00； 不同抗壓強(qiáng)度的5組試樣的水∶水泥(水灰比)依次為0.40、0.45、0.50、0.55、0.60； 同時(shí)確保每組試樣的材料總質(zhì)量為1 024 g。每組材料攪拌均勻后裝入模具振動(dòng)密實(shí)，恒溫養(yǎng)護(hù)7 d，最終形成每組3塊，共30塊的40 mm×40 mm×160 mm的長(zhǎng)方體水泥試樣。

10組水泥試樣各取1塊，利用切割機(jī)切成40 mm×40 mm×40 mm的3塊立方體，通過(guò)恒速壓力機(jī)測(cè)試其單軸抗壓強(qiáng)度UCS，每組試樣測(cè)3次求其平均值并繪制曲線，如圖1所示。

(a) 不同石英含量組試樣抗壓強(qiáng)度

(b) 不同抗壓強(qiáng)度組試樣抗壓強(qiáng)度

從圖1(a)可以看出，不同石英含量的5組水泥試樣的單軸抗壓強(qiáng)度較接近，達(dá)到了控制單軸抗壓強(qiáng)度不變的目的，符合試樣配置要求； 從圖1(b)可以看出，不同單軸抗壓強(qiáng)度的5組水泥試樣隨著水灰比的增加，單軸抗壓強(qiáng)度近似呈線性減小，符合試樣的配置要求。

從10組水泥試樣中各取出1塊，利用雙端面磨平機(jī)對(duì)試樣表面進(jìn)行打磨，使包裹的石英砂裸露出來(lái)，同時(shí)提高試樣表面的平整度； 然后利用巖石磨蝕伺服實(shí)驗(yàn)儀[14]測(cè)試10組試樣的CAI值，每塊試樣測(cè)試3次并求其平均值。由于石英砂的石英含量達(dá)99%，因此不同石英含量組的石英含量近似等于等效石英含量，由不同石英含量組擬合巖石磨蝕性指標(biāo)CAI與等效石英含量EQC的關(guān)系曲線如圖2所示； 不同單軸抗壓強(qiáng)度組擬合磨蝕性指標(biāo)CAI與單軸抗壓強(qiáng)度UCS的關(guān)系曲線，如圖3所示。

從圖2和圖3可以看出，磨蝕性指標(biāo)CAI與等效石英含量EQC、單軸抗壓強(qiáng)度UCS的關(guān)系曲線均有較高的擬合度，磨蝕性指標(biāo)CAI與等效石英含量EQC呈正的線性關(guān)系，與單軸抗壓強(qiáng)度UCS呈正的對(duì)數(shù)關(guān)系。由此可見(jiàn)，水泥試樣的磨蝕性是等效石英含量和單軸抗壓強(qiáng)度共同作用的結(jié)果，二者缺一不可。為了進(jìn)一步證明該觀點(diǎn)，又配置了5組不含石英砂的純水泥試樣，單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖4(a)所示，磨蝕性指標(biāo)測(cè)試結(jié)果如圖4(b)所示。

圖2 CAI與EQC的擬合關(guān)系

圖3 CAI與UCS的擬合關(guān)系

(a) 無(wú)石英砂組試樣單軸抗壓強(qiáng)度

(b) 無(wú)石英砂組試樣磨蝕性指標(biāo)

從圖4可以看出，雖然無(wú)石英砂組試樣的單軸抗壓強(qiáng)度可達(dá)較高的值，但表現(xiàn)出來(lái)的磨蝕性均較小，CAI值均不超過(guò)0.1 mm，可見(jiàn)巖石對(duì)滾刀的磨損是巖石等效石英含量和單軸抗壓強(qiáng)度共同作用的結(jié)果。巖石中對(duì)滾刀起磨蝕作用的主要是石英和長(zhǎng)石等硬質(zhì)顆粒，但如果巖石單軸抗壓強(qiáng)度不夠高即意味著巖石對(duì)硬質(zhì)顆粒的膠結(jié)能力弱，磨粒容易脫落，對(duì)刀具的磨蝕性較弱，反之則磨蝕性較強(qiáng)。

1.2 單軸抗壓強(qiáng)度和等效石英含量的共同影響

對(duì)于實(shí)際工程中所遇到的巖石，對(duì)滾刀的磨損是巖石等效石英含量和單軸抗壓強(qiáng)度共同作用的結(jié)果，因此需考慮等效石英含量和單軸抗壓強(qiáng)度共同對(duì)巖石磨蝕性的影響。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]定義，巖石等效石英含量EQC與巖石單軸抗壓強(qiáng)度UCS的乘積為巖石耐磨性指數(shù)RAI (Rock Abrasivity Index)，即

RAI=UCS×EQC。

巖石的礦物成分可通過(guò)巖石薄片鑒定實(shí)驗(yàn)或材料成分衍射實(shí)驗(yàn)獲取，并根據(jù)文獻(xiàn)[15]方法計(jì)算得到巖石的等效石英含量EQC； 巖石的單軸抗壓強(qiáng)度UCS通過(guò)MTS實(shí)驗(yàn)機(jī)預(yù)巖石單軸壓縮實(shí)驗(yàn)獲??； 巖石磨蝕性指標(biāo)CAI通過(guò)巖石磨蝕伺服儀獲取。從秦嶺某引水隧洞、廣州某鐵路隧道和東北某引水隧洞施工現(xiàn)場(chǎng)共取樣27組，測(cè)試各參數(shù)的結(jié)果如表1所示，擬合CAI與RAI的關(guān)系曲線如圖5所示。

表1 地質(zhì)敏感指標(biāo)測(cè)試結(jié)果

表1(續(xù))

注： A1—A11取自秦嶺某引水隧洞，B1—B11取自廣東某鐵路隧道，C1—C5取自東北某引水隧洞。

圖5 CAI與RAI的擬合關(guān)系

從圖5可以看出，巖石磨蝕性指標(biāo)CAI與RAI(UCS×EQC)呈正的對(duì)數(shù)關(guān)系，且高度相關(guān)(相關(guān)性系數(shù)為0.956)。

2 影響滾刀磨損的機(jī)械因素

影響滾刀磨損的機(jī)械因素主要包括2個(gè)方面： 一是TBM設(shè)計(jì)時(shí)刀盤刀具布置對(duì)滾刀磨損的影響； 二是TBM掘進(jìn)時(shí)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)滾刀磨損的影響。TBM設(shè)計(jì)時(shí)，刀盤刀具布置對(duì)滾刀磨損的影響主要反映在滾刀安裝半徑、刀間距、滾刀直徑和刀刃寬度等設(shè)計(jì)參數(shù)的影響； TBM掘進(jìn)時(shí)，主要表現(xiàn)在刀盤推力、刀盤扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速和刀刃貫入度等掘進(jìn)參數(shù)的影響。

2.1 刀盤刀具設(shè)計(jì)參數(shù)的影響

滾刀安裝半徑越大，刀盤旋轉(zhuǎn)一圈滾刀的破巖距離越長(zhǎng)，磨損越快； 刀間距越大，兩相鄰滾刀之間的巖石越不容易被破壞，滾刀磨損越快； 滾刀直徑越大、刀刃越寬，刀圈允許的磨損量越多，刀圈的使用壽命越長(zhǎng)。

同一種滾刀的直徑和刀刃寬度相同，而滾刀安裝半徑與刀間距共同決定了每把滾刀的破巖量。刀盤每轉(zhuǎn)一圈，滾刀的破巖面積為一系列同心的帶狀圓環(huán)，長(zhǎng)度為滾刀安裝半徑所在圓的周長(zhǎng)，寬度為相鄰滾刀的刀間距。滾刀的破巖面積

A=2πR·S。

式中： R為滾刀的安裝半徑； S為滾刀的刀間距。

通過(guò)對(duì)比2臺(tái)直徑8.0 m、分別用于秦嶺某引水隧洞的進(jìn)口TBM和東北某引水隧洞的國(guó)產(chǎn)TBM的刀盤刀具布置，分析刀盤刀具設(shè)計(jì)對(duì)滾刀磨損的影響。進(jìn)口TBM刀盤上布置了4把17 in雙刃中心滾刀，43把20 in單刃滾刀(其中正滾刀32把，邊滾刀11把)，共計(jì)51個(gè)刀刃； 國(guó)產(chǎn)TBM刀盤上布置了4把17 in雙刃中心滾刀，48把19 in單刃滾刀(其中正滾刀36把，邊滾刀12把)，共計(jì)56個(gè)刀刃。2臺(tái)TBM各刀位滾刀的刀間距和破巖面積對(duì)比如圖6所示。

(a) 各刀位滾刀刀間距

(b) 各刀位滾刀破巖面積

Fig. 6 Comparison between imported cutter and homemade cutter in terms of cutter spacing and rock breaking area

從圖6可以看出，2個(gè)刀盤均在過(guò)渡區(qū)43#刀位附近時(shí)滾刀的破巖面積最大，國(guó)產(chǎn)TBM設(shè)計(jì)時(shí)在該位置附近刻意增加了1把滾刀，試圖通過(guò)減小刀間距達(dá)到減小過(guò)渡區(qū)域滾刀破巖面積的目的，有利于降低該區(qū)域的滾刀磨損量。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)秦嶺某引水隧洞前1 500 m和東北某引隧洞(該工程中心滾刀未統(tǒng)計(jì))前2 000 m每個(gè)刀位滾刀的累計(jì)磨損量，并定義單位掘進(jìn)距離的滾刀磨損量為滾刀磨損速率。兩個(gè)工程均為破巖面積最大的43#刀位的磨損速率最高，每個(gè)刀位滾刀的磨損速率與破巖面積的擬合關(guān)系如圖7所示。

從圖7可以看出，兩個(gè)工程的擬合結(jié)果均表明滾刀磨損速率與破巖面積呈正的指數(shù)函數(shù)關(guān)系，其中離散點(diǎn)主要是由于某些滾刀發(fā)生異常磨損導(dǎo)致磨損速率加快。滾刀磨損速率的差異主要由于這兩個(gè)工程的地質(zhì)條件和所使用滾刀的廠家不同所導(dǎo)致，但破巖面積的指數(shù)系數(shù)相當(dāng)接近。

(a) 秦嶺某引水隧洞

(b) 東北某引水隧洞

Fig. 7 Fitting relationship between disc cutter wear rate and rock breaking area

由于刀盤刀具設(shè)計(jì)參數(shù)的影響，導(dǎo)致不同刀位滾刀的磨損速率有所差異，為了能夠準(zhǔn)確計(jì)算不同刀位滾刀的磨損量，引入滾刀磨損刀位系數(shù)[16]。刀位系數(shù)通過(guò)指定某把滾刀的刀位系數(shù)為1，其他刀位的刀位系數(shù)利用某一掘進(jìn)段各刀位累計(jì)磨損量與指定刀位累計(jì)磨損量的比值得到； 對(duì)于尚未開(kāi)工的工程，刀位系數(shù)可通過(guò)所設(shè)計(jì)刀盤的每個(gè)刀位的破巖面積與破巖速率的擬合關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)刀位系數(shù)。確定刀位系數(shù)之后，只要確定指定刀位的滾刀磨損量就可以確定所有刀位的滾刀磨損量。

2.2 設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)的影響

刀盤推力為滾刀提供破巖的垂直力，滾刀所受垂直力越大，越容易磨損； 刀盤扭矩為滾刀提供破巖的滾動(dòng)力，滾刀所受滾動(dòng)力越大，越容易磨損； 但刀盤扭矩與刀盤推力高度相關(guān)，二者呈正比例關(guān)系[17]。刀刃貫入度越大，刀刃與巖石中硬質(zhì)顆粒接觸的機(jī)會(huì)越大，刀圈材料越容易被剝落。刀盤轉(zhuǎn)速越大，滾刀破巖所受的沖擊力越大，容易導(dǎo)致刀圈崩刃； 但由于刀盤轉(zhuǎn)速相對(duì)較低，滾刀的線速度最大也不超過(guò)2.5 m/s，滾刀運(yùn)動(dòng)屬于準(zhǔn)靜態(tài)狀態(tài)，因此不考慮刀盤轉(zhuǎn)速對(duì)滾刀正常磨損的影響。

通過(guò)定義單位貫入度時(shí)滾刀所受垂直力為滾刀的場(chǎng)切深指數(shù)FPI(Field Penetration Index)，則

式中： FV為滾刀垂直力，kN； h為刀刃貫入度，即刀盤每轉(zhuǎn)一圈滾刀的切深，mm/r; F為刀盤推力，kN； N為刀盤上的滾刀數(shù)量。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)刀具使用情況與刀具磨損參數(shù)的分析，刀盤正滾刀磨損主要是直接破巖的一次磨損，刀盤邊緣滾刀除了直接破巖導(dǎo)致的直接磨損外，還包括重復(fù)破碎堆積在刀盤底部的巖渣造成的二次磨損； 刀盤正滾刀的磨損速率隨著滾刀安裝半徑的增大成線性增加； 因此可以通過(guò)刀盤正滾刀的平均磨損速率來(lái)反映整個(gè)刀盤絕大部分刀具的消耗量。在地質(zhì)影響因素不變的情況下，建立刀盤正滾刀平均磨損速率與場(chǎng)切深指數(shù)FPI的關(guān)系就可以預(yù)估刀盤上絕大部分滾刀的消耗量。

場(chǎng)切深指數(shù)FPI被廣泛地用作TBM可掘性的衡量指標(biāo)[18]，也可作為設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)對(duì)滾刀磨損的敏感指標(biāo)。通過(guò)對(duì)秦嶺某引水隧洞前1 000 m掘進(jìn)段設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)和刀具磨損的統(tǒng)計(jì)，建立場(chǎng)切深指數(shù)對(duì)滾刀磨損的影響。根據(jù)該掘進(jìn)段的掘進(jìn)報(bào)告，對(duì)每個(gè)循環(huán)(約1.8 m)的掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并求得每50 m(約28個(gè)循環(huán))各掘進(jìn)參數(shù)的平均值； 每50 m統(tǒng)計(jì)各刀位的累計(jì)磨損量，通過(guò)計(jì)算9#—40#正滾刀磨損速率再求其平均值得到平均磨損速率。正滾刀平均磨損速率與場(chǎng)切深指數(shù)的關(guān)系如圖8所示，從圖中可以看出，隨著場(chǎng)切深指數(shù)的增大，滾刀平均磨損速率呈線性增加。

圖8 正滾刀平均磨損速率與場(chǎng)切深指數(shù)的擬合關(guān)系

Fig. 8 Fitting relationship between disc cutter average wear rate and FPI

3 影響滾刀磨損的其他因素

不同廠家的滾刀除了刀具的幾何尺寸不同以外，刀圈材料的不同也對(duì)滾刀磨損有著顯著的影響，文獻(xiàn)[19]從滾刀微觀磨損機(jī)制出發(fā)，建立的滾刀磨損速率預(yù)測(cè)模型中滾刀磨損速率與σc/σs(σc為巖石抗壓強(qiáng)度，σs為刀刃屈服強(qiáng)度，定義σc/σs為滾刀的相對(duì)強(qiáng)度)呈正比。對(duì)于抗壓強(qiáng)度一定的巖石，刀刃屈服強(qiáng)度越高，則滾刀的相對(duì)強(qiáng)度值越小，滾刀的磨損速率越慢； 但由于文獻(xiàn)[19]中的假設(shè)條件為滾刀僅發(fā)生了基于塑性去除機(jī)制的磨粒磨損，而滾刀使用時(shí)的實(shí)際情況是當(dāng)?shù)度械那?qiáng)度提高時(shí)，刀刃的抗沖擊韌性將大幅度下降，此時(shí)滾刀的部分塑性去除機(jī)制轉(zhuǎn)化為脆性斷裂去除機(jī)制，刀刃材料更易被巖石中的硬質(zhì)顆粒剝離，表現(xiàn)出的宏觀現(xiàn)象為刀圈崩刃。對(duì)于抗壓強(qiáng)度一定的巖石，刀刃屈服強(qiáng)度越低，則滾刀的相對(duì)強(qiáng)度值越高，此時(shí)刀刃容易發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致滾刀的磨損速率加快，且不易將巖石破碎，表現(xiàn)出的宏觀現(xiàn)象為刀圈卷刃。因此，滾刀的相對(duì)強(qiáng)度應(yīng)控制在一個(gè)較合適的范圍內(nèi)才有利于降低滾刀磨損，對(duì)于不同抗壓強(qiáng)度的巖石，滾刀的屈服強(qiáng)度也應(yīng)該做相應(yīng)調(diào)整才能盡可能地降低滾刀的磨損。

除了刀圈材料對(duì)滾刀磨損的影響外，刀圈的刃形也對(duì)滾刀的磨損有影響。滾刀的刃形經(jīng)歷了從楔形到近似常截面的發(fā)展過(guò)程，有效提高了滾刀的使用壽命； 亦有學(xué)者提出通過(guò)改變滾刀內(nèi)外側(cè)刃半角來(lái)減小破巖刃上最大破巖粒作用點(diǎn)的側(cè)向滑移量，從而提出一種新型滾刀刀圈[20]，降低滾刀的磨損。

4 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)影響滾刀磨損的地質(zhì)因素和機(jī)械因素開(kāi)展室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，得到以下結(jié)論。

1)巖石對(duì)滾刀磨損的地質(zhì)影響是巖石等效石英含量和單軸抗壓強(qiáng)度共同作用的結(jié)果。巖石磨蝕性指標(biāo)與等效石英含量呈正的線性關(guān)系，與單軸抗壓強(qiáng)度呈正的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系； 巖石磨蝕性指標(biāo)與巖石等效石英含量和單軸抗壓強(qiáng)度的乘積呈正的對(duì)數(shù)函數(shù)關(guān)系。

2)破巖面積是刀盤刀具設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)滾刀磨損的敏感指標(biāo)，滾刀磨損速率與破巖面積呈正的指數(shù)函數(shù)關(guān)系； 場(chǎng)切深指數(shù)是設(shè)備掘進(jìn)參數(shù)對(duì)滾刀磨損的敏感指標(biāo)，滾刀平均磨損速率與場(chǎng)切深指數(shù)呈正的線性函數(shù)關(guān)系。

在分析滾刀磨損影響因素的基礎(chǔ)上，利用提取的磨損影響因素敏感指標(biāo)，通過(guò)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)建立滾刀磨損的預(yù)測(cè)模型是課題進(jìn)一步研究所要開(kāi)展的工作。為了有效降低滾刀的磨損，應(yīng)從滾刀的材料和刃形等方面入手，通過(guò)確定最優(yōu)的滾刀相對(duì)強(qiáng)度和開(kāi)發(fā)新型滾刀刃形，達(dá)到提高滾刀耐磨性的目的。

[1] 萬(wàn)治昌,沙明元,周雁領(lǐng).盤形滾刀的使用與研究(1)： TB880E型掘進(jìn)機(jī)在秦嶺隧道施工中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2002,39(5): 1-11. (WAN Zhichang, SHA Mingyuan, ZHOU Yanling. Study of disk cutters for hard rock (1): Application of TB880E TBM in Qinling Tunnel [J]. Modern Tunnelling Technology, 2002, 39(5): 1-11. (in Chinese))

[2] Prieto L A. The cerchar abrasivity index’s applicability to dredging rock [C]//Proceedings of the Western Dredging Association (WEDA XXXII) Technical Conference and Texas A & M University (TAMU 43) Dredging Seminar. San Antonio: [s.n.], 2012: 212-219.

[3] 王旭,趙羽,張寶剛,等.TBM滾刀刀圈磨損機(jī)理研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2010,47(5): 15-19. (WANG Xu, ZHAO Yu, ZHANG Baogang, et al. Research on the ring wear mechanism of TBM disc cutter [J]. Modern Tunnelling Technology, 2010, 47(5):15-19. (in Chinese))

[4] 竺維彬,王暉,鞠世健.復(fù)合地層中盾構(gòu)滾刀磨損原因分析及對(duì)策[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2006,43(4): 72-76, 82. (ZHU Weibin, WANG Hui, JU Shijian. Analysis of abrasion of disc cutters of shields in composite ground and countermeasures [J].Modern Tunnelling Technology, 2006, 43(4): 72-76, 82. (in Chinese))

[5] 張厚美,區(qū)希,易覺(jué).運(yùn)用盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)跟蹤判斷滾刀損壞的研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2014,51(4): 121-126. (ZHANG Houmei, OU Xi, YI Jue. Tracking and determination of cutter damage based on the driving parameters of a shield [J]. Modern Tunnelling Technology, 2014, 51(4): 121-126. (in Chinese))

[6] 孫紅,周鵬,孫健,等.巖石隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀受力及磨損[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,32(9): 1237-1241. (SUN Hong, ZHOU Peng, SUN Jian, et al. Stress and wear of disc cutter of rock tunnel boring machine [J].Journal of Liaoning Technical University (Natural Science), 2013, 32(9): 1237-1241. (in Chinese))

[7] 張忠健,謝浩,林國(guó)標(biāo),等.盾構(gòu)機(jī)盤型滾刀刀圈關(guān)鍵材料設(shè)計(jì)與試制[J].硬質(zhì)合金,2013,30(6): 326-331. (ZHANG Zhongjian, XIE Hao, LIN Guobiao, et al. Design and trial production of disc cutter ring for tunnel boring machine [J].Cemented Carbide, 2013, 30(6): 326-331. (in Chinese))

[8] WANG Lihui, KANG Yilan, CAI Zongxi, et al. The energy method to predict disc cutter wear extent for hard rock TBMs [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2012, 28: 183-191.

[9] WANG Lihui, KANG Yilan, ZHAO Xiangjun, et al. Disc cutter wear prediction for a hard rock TBM cutterhead based on energy analysis [J].Tunnelling and Underground Space Technology, 2015, 50: 324-333.

[10] ZHANG Zhaohuang, MENG Liang, SUN Fei. Wear analysis of disc cutters of full face rock tunnel boring machine [J].Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2014, 27(6): 1294-1300.

[11] Hassanpour J, Rostami J, Tarigh Azali S, et al. Introduction of an empirical TBM cutter wear prediction model for pyroclastic and mafic igneous rocks： A case history of Karaj water conveyance tunnel, Iran [J]. Tunnelling and Underground Space Technology, 2014,43: 222-231.

[12] West G. Rock Abrasiveness testing for tunneling [J]. Inter-national Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences & Geomechanics Abstracts, 1989, 26(2): 151-160.

[13] Wijk G. A model of tunnel boring machine performance [J]. Geotechnical and Geological Engineering, 1992, 10(1): 19-40.

[14] 郭璐,陳饋,李鳳遠(yuǎn),等.一種巖石磨蝕性實(shí)驗(yàn)[J].隧道建設(shè),2015,35(1): 28-32. (GUO Lu, CHEN Kui, LI Fengyuan, et al. A new rock abrasiveness test method [J]. Tunnel Construction, 2015,35(1): 28-32. (in Chinese))

[15] 楊志勇,江玉生,馮吉利,等.獅子洋隧道圍巖磨蝕性研究[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,13(3): 311-315. (YANG Zhiyong, JIANG Yusheng, FENG Jili, et al. Abrasivity characteristics of surrounding rock mass of Shiziyang Tunnel [J].Journal of PLA University of Science and Technology (Natural Science Edition), 2012,13(3): 311-315. (in Chinese))

[16] 萬(wàn)治昌,沙明元,周雁領(lǐng). 盤形滾刀的使用與研究(2): TB880E型掘進(jìn)機(jī)在秦嶺隧道施工中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代隧道技術(shù),2002,39(6):1-12. (WAN Zhichang, SHA Mingyuan, ZHOU Yanling. Study of disk cutters for hard rock (2): Application of TB880E TBM in Qinling Tunnel [J]. Modern Tunnelling Technology, 2002, 39(6): 1-12. (in Chinese))

[17] 宋克志. 泥巖砂巖交互地層越江隧道盾構(gòu)掘進(jìn)效能研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué),2005. (SONG Kezhi. Study of tunneling performance of shield tunnel under river in alternation of mudstone and sandstone[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2005. (in Chinese))

[18] 杜立杰,齊志沖,韓小亮,等.基于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的TBM可掘性和掘進(jìn)性能預(yù)測(cè)方法[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(6): 1284-1289. (DU Lijie, QI Zhichong, HAN Xiaoliang, et al. Prediction method for the boreability and performance of hard rock TBM based on boring data on site[J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(6): 1284-1289. (in Chinese))

[19] 楊延棟,陳饋,李鳳遠(yuǎn),等.盤形滾刀磨損預(yù)測(cè)模型[J].煤炭學(xué)報(bào),2015,40(6): 1290-1296. (YANG Yandong, CHEN Kui, LI Fengyuan, et al. Wear prediction model of disc cutter [J]. Journal of China Coal Society, 2015, 40(6): 1290-1296. (in Chinese))

[20] 張照煌,于國(guó)巍,孫飛.新型盤形滾刀圈設(shè)計(jì)理論研究[J].礦山機(jī)械,2013,41(10): 10-13. (ZHANG Zhaohuang, YU Guowei, SUN Fei. Study of design theory of new-type disc cutter ring [J]. Mining & Processing Equipment, 2013, 41(10): 10-13. (in Chinese))

Analysis of Influencing Factors of Wear of Disc Cutter of Full-face Hard Rock Tunnel Boring Machine

YANG Yandong, CHEN Kui, GUO Lu, LI Xing

(State Key Laboratory of Shield Machine and Boring Technology, Zhengzhou 450001, Henan, China)

The wear of TBM disc cutter is analyzed by indoor test and site test in terms of geological factor and mechanical factor, so as to control and reduce the wear of disc cutter and predict the wear amount. The influencing rules of equivalent quartz content (EQC) and unconfined compressive strength (UCS) on rock abrasiveness are obtained by cement sample and rock sample test. The influencing rules of rock breaking area of disc cutter on disc cutter wear rate are obtained by carrying out comparison between imported cutterhead and cutter and homemade cutterhead and cutter. The influencing rules of field penetration index (FPI) on average wear rate of disc cutter are obtained by carrying out comparison between TBM boring parameters and cutter wear data. The study results show that: 1) The geological factors of EQC and UCS affect the wear of disc cutter together. 2) The rock breaking area is the sensitive index of cutterhead and cutter design to disc cutter wear. 3) The FPI is the sensitive index of equipment boring parameters to disc cutter wear.

full-face rock tunnel boring machine (TBM); disc cutter; cutter wear; influencing factors; sensitive index

2016-05-12;

2016-06-28

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973”計(jì)劃)項(xiàng)目(2014CB046906)； 中鐵隧道集團(tuán)科技創(chuàng)新計(jì)劃(隧研合2014-01)

楊延棟(1988—)，男，陜西寶雞人，2014年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，碩士，助理工程師，主要從事盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)研究工作。E-mail: yay_sky@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.11.018

U 455.43

A

1672-741X(2016)11-1394-07