刮渣斗與緊鄰滾刀夾角對(duì)滾刀磨損影響研究

周建軍, 翟乾智， *, 馬 利, 王利明, 李宏波, 趙海雷

(1. 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； 2. 中鐵隧道局集團(tuán)有限公司， 廣東 廣州 511458;3. 中鐵隧道股份有限公司， 河南 鄭州 450001)

0 引言

TBM在我國(guó)城市地鐵隧道、山嶺隧道、輸水隧洞等工程中的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。近2年隨著TBM的應(yīng)用，掘進(jìn)機(jī)刀盤日益成為研究熱點(diǎn)。夏毅敏等[1]研究了刀盤刮渣斗結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)出渣特性的影響規(guī)律，表明刮渣斗在不同面積和長(zhǎng)寬比例下出渣效率不同。王旭等[2]研究了滾刀磨料磨損和在不同巖石強(qiáng)度下的磨損形式。陳巍等[3]認(rèn)為刮渣斗面積和刀盤排渣效率密切相關(guān)，并從排渣效率方面給出了刀盤合理刮渣斗面積?；糗娭艿萚4]提出在開(kāi)口面積一定的情況下，刮渣斗應(yīng)布置為長(zhǎng)短交替等對(duì)稱布置形式，以提高出渣穩(wěn)定性和出渣效率。耿麒等[5]采用離散元方法模擬級(jí)配巖渣的落渣、產(chǎn)渣和出渣過(guò)程，并為刮渣斗的結(jié)構(gòu)形式和尺寸提供了建議。陳巍[6]通過(guò)研究刀盤開(kāi)口面積、出渣槽結(jié)構(gòu)和溜渣結(jié)構(gòu)，提出折線形溜渣結(jié)構(gòu)，優(yōu)化出渣槽長(zhǎng)度，保證出渣槽寬度。翟乾智等[7-8]研究了不同刀位滾刀的二次磨損，并提供了計(jì)算依據(jù)。張厚美[9-10]從秦嶺隧道掘進(jìn)機(jī)滾刀磨損入手，提出了滾刀重復(fù)破碎和二次磨損的計(jì)算方法。洪開(kāi)榮[11]從引漢濟(jì)渭工程出發(fā)，提出了不同滾刀間距的破巖效率。宋穎鵬[12]在考慮邊緣滾刀安裝傾角等因素下，對(duì)滾刀的破巖比能進(jìn)行研究，并分析了滾刀破巖效率的影響因素。吳元等[13]利用正交實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)邊緣滾刀的刃寬和刃角進(jìn)行了分析，得出了各因素對(duì)滾刀破巖效率的影響。趙海鳴等[14]利用磨料磨損的方法結(jié)合圖像識(shí)別技術(shù)對(duì)滾刀磨損進(jìn)行預(yù)測(cè)，并得出了預(yù)測(cè)公式。但是，至今少有關(guān)于滾刀磨損和刮渣斗的空間位置關(guān)系的研究。

本文主要探索研究刮渣斗與緊鄰滾刀位置關(guān)系對(duì)滾刀磨損的影響規(guī)律，以新疆某輸水工程為例，通過(guò)分析2個(gè)工程TBM滾刀磨損情況，對(duì)滾刀磨損和刀盤刮渣斗的關(guān)系進(jìn)行研究，找出刮渣斗分布和滾刀磨損之間的影響關(guān)系，以期為后續(xù)TBM刀盤設(shè)計(jì)提供優(yōu)化建議。

1 工程概況

新疆某輸水工程某標(biāo)段采用2臺(tái)TBM(4#和5#)施工，開(kāi)挖洞徑7.03 m，其中4#TBM計(jì)劃掘進(jìn)23.51 km(第1階段15.36 km，第2階段8.15 km)，5#TBM計(jì)劃掘進(jìn)17.457 km。

4#TBM穿越地層巖性為華力西期花崗巖，中粗粒結(jié)構(gòu)，無(wú)大斷裂帶發(fā)育，巖石堅(jiān)硬、巖體完整，石英含量為20%～30%，巖石飽和抗壓強(qiáng)度為108～120 MPa。圍巖以Ⅱ類為主，局部夾Ⅳ、Ⅴ類圍巖，其中，Ⅱ類圍巖占該段總長(zhǎng)的94.74%，如圖1所示。5#TBM掘進(jìn)段巖性為泥盆系凝灰?guī)r、夾凝灰角礫巖，巖體完整，呈塊狀，石英體積分?jǐn)?shù)5%～10%，以Ⅱ類圍巖為主，局部夾Ⅳ、Ⅴ類圍巖，如圖2所示。

圖1 4#TBM穿越地層圍巖類別分布餅狀圖

圖2 5#TBM穿越地層圍巖類別分布餅狀圖

2 設(shè)備概況

2.1 滾刀布設(shè)概況

TBM分別采用了6個(gè)刮渣斗的5#和8個(gè)刮渣斗的4#。2臺(tái)TBM開(kāi)挖直徑均為7 030 mm，共有49把刀刃。其中中心滾刀設(shè)置8把43.18 cm(17英寸)雙刃滾刀，正面滾刀采用29把48.26 cm(19英寸)單刃滾刀，邊緣滾刀采用12把48.26 cm(19英寸)單刃滾刀。4#TBM刀盤如圖3所示。滾刀安裝半徑如表1所示。

圖3 4#TBM刀盤

2.2 刮渣斗空間布置

4#TBM共設(shè)置8個(gè)刮渣斗，刮渣斗長(zhǎng)度均為802 mm。5#TBM共設(shè)置6個(gè)刮渣斗，其中,1#、3#、4#刮渣斗長(zhǎng)度為1 035 mm，2#刮渣斗長(zhǎng)度為510 mm，5#刮渣斗長(zhǎng)度為660 mm。4#TBM和5#TBM刀盤刮渣斗的布設(shè)方案分別如圖4和圖5所示。

為了分析刮渣斗和滾刀磨損量的關(guān)系，統(tǒng)計(jì)分析了刮渣斗安裝角度和渣斗長(zhǎng)度，如表2所示。

根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以看出： 4#TBM刀盤設(shè)置8個(gè)刮渣斗，刮渣斗夾角布設(shè)較為均勻且每個(gè)刮渣斗長(zhǎng)度均為802 mm； 5#TBM刀盤設(shè)置6個(gè)不同長(zhǎng)度的刮渣斗，刮渣斗尺寸不相鄰刮渣斗之間布置3～4把滾刀。

3 滾刀磨損分析

3.1 不同刀位滾刀磨損分析

3.1.1 滾刀磨損統(tǒng)計(jì)

為了研究不同刮渣斗位置對(duì)滾刀磨損的影響，分別對(duì)4#TBM掘進(jìn)6 064 m和5#TBM掘進(jìn)8 498 m進(jìn)行滾刀磨損分析，如圖6和圖7所示。

表1 TBM 4#和TBM 5#滾刀安裝半徑

圖4 4#TBM刀盤刮渣斗布設(shè)

圖5 5#TBM刀盤刮渣斗布設(shè)

圖6 4#TBM滾刀磨損

圖7 5#TBM滾刀磨損

由圖6和圖7可看出，邊緣滾刀磨損量大于正面滾刀和中心滾刀。忽略安裝半徑對(duì)滾刀磨損的影響，邊緣滾刀磨損量大的一個(gè)重要原因在于巖渣沒(méi)有及時(shí)排出掌子面，造成邊緣滾刀在滾動(dòng)過(guò)程中二次破巖，因而導(dǎo)致磨損量變大。

3.1.2 不同刀位滾刀磨損定量分析

根據(jù)不同區(qū)域滾刀磨損量和破巖磨損量的關(guān)系，將4#和5#TBM中心滾刀、正面滾刀和邊緣滾刀分區(qū)域分析，結(jié)果如圖8和圖9所示。為方便研究，定義變量滾刀單位破巖磨損量=滾刀累計(jì)磨損量/滾刀累計(jì)破巖量。

圖8 4#TBM滾刀單位破巖磨損量

圖9 5#TBM滾刀單位破巖磨損量

從圖8和圖9中可以看出，不同區(qū)域滾刀的磨損不同：

1)中心滾刀區(qū)。位于刀盤中心區(qū)域有8把滾刀(1#—8#)。該區(qū)域滾刀隨著滾刀安裝半徑增加，滾刀單位破巖磨損量減小。這是因?yàn)橹行膮^(qū)域滾刀安裝半徑較小，滾刀運(yùn)動(dòng)的滑移量較大，導(dǎo)致滾刀滑移磨損較大。

2)正面滾刀區(qū)。位于刀盤正面靠?jī)?nèi)區(qū)域，有29把滾刀(9#—37#)。隨著滾刀安裝半徑的增加，滾刀單位破巖磨損量基本不變。

3)邊緣滾刀區(qū)。位于刀盤邊緣區(qū)域，有12把邊緣滾刀(38#—49#)。隨著滾刀安裝半徑的增加，滾刀單位破巖磨損量急劇增加。

上述滾刀單位破巖磨損量與滾刀安裝半徑關(guān)系近似為高次函數(shù)關(guān)系：

δv=kδ·ρn。

式中：δv為滾刀單位破巖磨損量，mm/m3；ρ為滾刀在刀盤上的安裝半徑，mm；kδ、n為回歸方程常數(shù)項(xiàng)。

研究發(fā)現(xiàn)，正面滾刀的單位破巖磨損量變化較小，因此以正面滾刀的單位破巖磨損量作為計(jì)算滾刀有效破巖磨損量的基準(zhǔn)值。

3.1.3 滾刀二次磨損

掌子面巖石被滾刀碾壓后形成巖渣，散落堆積在刀盤與掌子面下半部，經(jīng)刮渣斗、溜渣槽通過(guò)皮帶排出。當(dāng)刮渣斗磨損后，導(dǎo)致邊緣滾刀對(duì)巖渣產(chǎn)生重復(fù)破碎，滾刀安裝半徑越大，滾刀磨損越嚴(yán)重。這就是滾刀單位破巖磨損量隨滾刀安裝半徑增大而增加的主要原因?；诖?，提出破巖磨損與二次磨損的概念。為研究刮渣斗和緊鄰滾刀夾角對(duì)滾刀磨損的影響規(guī)律，對(duì)滾刀二次磨損進(jìn)行研究。

滾刀磨損分為破巖磨損和二次磨損/滑移磨損。其中破巖磨損為滾刀碾壓破碎巖石發(fā)生的磨損，正面滾刀的磨損主要以破巖磨損為主，約占總磨損的95%。破巖磨損量的計(jì)算方法為正面滾刀單位破巖磨損量乘以破巖量的平均值?；颇p主要存在于中心滾刀磨損中，滾刀與巖石接觸區(qū)域的各點(diǎn)速度方向與接觸弧切線方向有一定夾角，則滾刀將會(huì)與巖石發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)，從而造成滾刀滑移磨損。

二次磨損是由于邊緣滾刀旋轉(zhuǎn)半徑較大，在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中重復(fù)碾壓掌子面下方的巖渣，造成滾刀磨損。大部分邊緣滾刀的磨損以二次磨損為主，占總磨損的20%～90%。二次磨損量為總磨損量減去滾刀破巖磨損量。4#TBM和5#TBM滾刀磨損如圖10和圖11所示。

圖10 4#TBM滾刀磨損

圖11 5#TBM滾刀磨損

從圖10和圖11中可以看出，中心滾刀滑移磨損和邊緣滾刀的二次磨損占比較大。中心滾刀的滑移磨損量比例隨著安裝半徑增大，從95%變化到15%。正面滾刀的二次磨損量較小，主要在5%以下，可以說(shuō)明正面滾刀的磨損主要屬于破巖磨損；邊緣滾刀隨著安裝半徑增大，二次磨損量從15%逐漸增大到95%。

3.2 刮渣斗數(shù)量對(duì)滾刀磨損影響

為研究刮渣斗數(shù)量對(duì)滾刀磨損的影響，對(duì)比分析4#TBM和5#TBM邊緣滾刀的磨損規(guī)律，以滾刀二次磨損系數(shù)為基準(zhǔn)，計(jì)算2臺(tái)TBM邊緣滾刀二次磨損系數(shù)，如圖12所示。

圖12 4#TBM和5#TBM滾刀二次磨損系數(shù)

二次磨損系數(shù)為滾刀二次磨損量占總磨損量的比例。

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出以下結(jié)果：

1)4#TBM滾刀二次磨損系數(shù)比5#TBM滾刀二次磨損系數(shù)小2.37%。4#TBM和5#TBM二次磨損系數(shù)差值，如圖13所示。

圖13 4#TBM和5#TBM二次磨損系數(shù)差值

2)4#TBM的滾刀二次磨損系數(shù)普遍低于5#TBM。對(duì)比分析2臺(tái)TBM刮渣斗布置，得出刮渣斗數(shù)量越多，滾刀二次磨損系數(shù)越小。

3.3 滾刀和刮渣斗夾角對(duì)滾刀磨損的影響

3.3.1 滾刀和刮渣斗位置關(guān)系

以刮渣斗和緊鄰滾刀的夾角為研究變量，分析夾角與滾刀磨損的關(guān)系。4#TBM和5#TBM刮渣斗與緊鄰滾刀夾角和二次磨損系數(shù)如表3所示。

表3 刮渣斗與緊鄰滾刀夾角和二次磨損系數(shù)

研究所用的4#TBM和5#TBM的邊緣滾刀安裝半徑誤差在1.7‰以內(nèi)，對(duì)本文研究結(jié)果的影響可忽略不計(jì)。

3.3.2 滾刀和刮渣斗夾角對(duì)滾刀磨損的研究

以刮渣斗與緊鄰滾刀的夾角和滾刀二次磨損系數(shù)為變量，通過(guò)建立夾角和二次磨損系數(shù)的坐標(biāo)點(diǎn)(夾角，二次磨損系數(shù))，利用向量的矢量計(jì)算準(zhǔn)則，計(jì)算4#TBM指向5#TBM的坐標(biāo)變化： 4#TBM(夾角，二次磨損系數(shù))—5#TBM(夾角，二次磨損系數(shù))。經(jīng)過(guò)向量運(yùn)算得出表4。

從表4可以看出： 當(dāng)夾角差值為正值時(shí),滾刀二次磨損系數(shù)為正值；表明刮渣斗和滾刀夾角越大，滾刀磨損越嚴(yán)重。分析夾角差值和滾刀二次磨損系數(shù)差值如圖14所示，位于第1象限和第3象限的點(diǎn)表明滾刀和刮渣斗夾角越大，滾刀磨損越嚴(yán)重。

統(tǒng)計(jì)17把滾刀發(fā)現(xiàn)，滾刀二次磨損系數(shù)差值和夾角呈正相關(guān)關(guān)系的有11個(gè)，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的有6個(gè)，且對(duì)17個(gè)滾刀數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得出滾刀與緊鄰刮渣斗夾角和滾刀二次磨損系數(shù)差值正相關(guān)的關(guān)系。

表4 刮渣斗夾角差值對(duì)滾刀磨損的影響

圖14 夾角差值和二次磨損系數(shù)差值

4 結(jié)論與建議

1)刮渣斗的布置對(duì)滾刀磨損具有重要影響，特別是刮渣斗布設(shè)數(shù)量對(duì)滾刀磨損影響較為顯著，進(jìn)而影響掘進(jìn)效率，在刀盤制造時(shí)宜多布設(shè)刀盤刮渣斗。

2)刮渣斗與緊鄰滾刀夾角影響滾刀磨損，在滾刀布設(shè)時(shí)應(yīng)當(dāng)盡量布置在緊鄰刮渣斗處，從而減小滾刀磨損。

3)相鄰刮渣斗之間布設(shè)多把滾刀時(shí)，應(yīng)保證外側(cè)邊緣滾刀緊鄰前方刮渣斗。

4)目前未能定量探明刮渣斗與緊鄰滾刀夾角對(duì)磨損的作用關(guān)系，建議進(jìn)一步深入研究，給出明確的計(jì)算公式。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1] 夏毅敏, 楊妹, 吳遁, 等. TBM刀盤出渣槽結(jié)構(gòu)對(duì)出渣效率的影響規(guī)律[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2018, 39(9): 1561.

XIA Yimin, YANG Mei, WU Dun, et al. Influence of the TBM mucking slots′ structure on discharge charaeceristics of ballasts[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2018, 39(9): 1561.

(3)區(qū)內(nèi)地表上色彩明顯的蝕變帶，如接觸帶中的硅化、陽(yáng)起石化、綠簾石化、矽卡巖化、孔雀石化、碳酸鹽化等，以及巖體中的鉀化、高嶺土化、云英巖化等， 都具有明顯的示礦作用。

[2] 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.

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.

[3] 陳巍, 孫偉, 霍軍周. TBM刀盤開(kāi)口面積的確定[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2015(5): 29.

CHEN Wei, SUN Wei, HUO Junzhou. The open area determination of TBM cutterhead[J]. Machinery Design and Manufacture, 2015(5): 29.

[4] 霍軍周, 陳巍, 歐陽(yáng)湘宇, 等. 基于巖渣流動(dòng)性的TBM出渣槽口選優(yōu)設(shè)計(jì)[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2015, 36(5): 715.

HUO Junzhou, CHEN Wei, OUYANG Xiangyu, et al. Optimum design of TBM mucking slot based on the rock ballasts fluidity[J]. Journal of Northeastern University (Natural Science), 2015, 36(5): 715.

[5] 耿麒, 謝立揚(yáng), 張澤宇, 等. 全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤刮渣鏟斗結(jié)構(gòu)對(duì)出渣性能的影響[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2020, 54(11): 149.

GENG Qi, XIE Liyang, ZHANG Zeyu, et al. Influence of tunnel boring machine scraper bucket structure on the mucking performance [J]. Journal of Xian Jiaotong University, 2020, 54(11): 149.

[6] 陳巍. TBM出渣過(guò)離散元仿真及新型出渣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D]. 大連： 大連理工大學(xué), 2015.

CHEN Wei. TBM mucking process simulation based on discrete element method and a new mucking structure design[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2015.

[7] 翟乾智, 周建軍, 宋天田, 等. 梧桐山隧道雙護(hù)盾TBM刀盤針對(duì)性設(shè)計(jì)[J]. 施工技術(shù), 2018, 47(增刊4): 1348.

ZHAI Qianzhi, ZHOU Jianjun, SONG Tiantian, et al. Targeted design of double-shield TBM disc cutter for Wutongshan tunnel[J]. Construction Technology, 2018, 47(S4): 1348.

[8] 翟乾智, 周建軍, 李宏波, 等. 雙護(hù)盾TBM滾刀磨損及換刀判定案例分析[J]. 隧道建設(shè)(中英文), 2019, 39(12): 2081.

ZHAI Qianzhi, ZHOU Jianjun, LI Hongbo, et al. A case study on double-shield TBM disc cutter wear and replacement estimation[J]. Tunnel Construction, 2019, 39(12): 2081.

[9] 張厚美. TBM盤形滾刀重復(fù)破碎與二次磨損規(guī)律研究[J] . 隧道建設(shè), 2016, 36(2): 131.

ZHANG Houmei．Study on relationship between repeated cutting and secondary wear of TBM disc cutter[J]. Tunnel Construction, 2016, 36(2): 131.

[10] 張厚美. TBM盤形滾刀磨損與滾刀滑動(dòng)距離關(guān)系研究[J]. 隧道建設(shè), 2017, 37(3): 369.

ZHANG Houmei. Research on relationship between TBM disc cutter abrasion and disc cutter slipping distance[J]. Tunnel Construction, 2017, 37(3): 369.

[11] 洪開(kāi)榮. 高強(qiáng)度高磨蝕地層TBM滾刀破巖與磨損研究[J]. 隧道與地下工程災(zāi)害防治, 2019, 1(1): 64.

HONG Kairong. Study on rock breaking and wear of TBM hob in high-strength high-abrasion stratum[J]. Hazard Control in Tunnelling and Underground Engineering, 2019, 1(1): 64.

[12] 宋穎鵬. 邊滾刀破巖特性的數(shù)值模擬與優(yōu)化布置研究[D]. 成都: 西南交通大學(xué), 2018.

SONG Yingpeng. Numerical simulation of rock-breaking characteristics and optimal layout of the edge disc cutter[D]. Chengdu: Southwest Jiaotong University, 2018.

[13] 吳元, 夏毅敏, 郭金成, 等. TBM邊緣滾刀關(guān)鍵參數(shù)對(duì)破巖效率影響規(guī)律研究[J]. 現(xiàn)代隧道技術(shù), 2015, 52(1): 119.

WU Yuan, XIA Yimin, GUO Jincheng, et al. Influence of key parameters of a TBM gauge disc cutter on rock breaking efficiency [J]. Modern Tunnelling Technology, 2015, 52(1): 119.

[14] 趙海鳴, 舒標(biāo), 夏毅敏, 等. 基于磨料磨損的TBM滾刀磨損預(yù)測(cè)研究[J]. 鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2014, 11(4): 152.

ZHAO Haiming, SHU Biao, XIA Yimin, et al. Study of wear prediction for TBM cutter based on abrasive wear model[J]. Journal of Railway Science and Engineering, 2014, 11(4): 152.