全斷面硬巖盾構(gòu)刀具磨損機(jī)理分析及控制措施

周靜增，賴金輝，王建華，戴敏澤，謝逢之

（1.杭州市建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督總站，浙江 杭州 310005；2.上海地鐵咨詢監(jiān)理科技有限公司，上海 200032；3.杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310003）

當(dāng)前我國地下空間建設(shè)已進(jìn)入高潮，在城市快速路和城市軌道交通隧道建設(shè)施工中，盾構(gòu)法施工工藝占有重大比例。在實(shí)際工程施工過程中，因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)刀盤刀具磨損過快，不僅增加了施工成本，而且更換刀具過程中安全生產(chǎn)事故時(shí)有發(fā)生。特別是在一些跨江過湖越海隧道施工中，因水壓較高，地質(zhì)復(fù)雜，頻繁更換刀具將面臨更大工程施工風(fēng)險(xiǎn)，因此刀具配置與地層之間的適應(yīng)性研究顯得尤為重要。

盾構(gòu)刀具的磨損是巖體與刀具相互作用的結(jié)果，刀具磨損的影響因素復(fù)雜，地質(zhì)、參數(shù)設(shè)定、地下水、刀具配置、姿態(tài)控制、泡沫使用、刀具自身材料及形狀等都對刀具磨損有影響。為真實(shí)反映刀具破巖過程，夏毅敏等［1］使用有限元建立非線性彈塑性本構(gòu)模型巖體和刀具相互作用三維模型并進(jìn)行分析計(jì)算，真實(shí)地反映了刀具磨損和巖石碎裂動(dòng)態(tài)過程，結(jié)果表明巖石破碎主要由拉伸裂紋和裂紋延伸構(gòu)成。

利用摩擦學(xué)原理，吳俊等［2］結(jié)合CSM模型，基于理想巖體模型［3］，通過力學(xué)分析和理論推導(dǎo)，得出滾刀和切刀磨損量預(yù)測計(jì)算公式，通過工程驗(yàn)證，結(jié)果精度較高。王旭等［3］考慮刀具受力和地質(zhì)因素，對刀具磨損進(jìn)行分析，并認(rèn)為建立預(yù)測分析模型應(yīng)綜合考慮地質(zhì)和機(jī)械因素等不可控因素。竺維彬等［4］認(rèn)為刀具磨損主要分為均勻磨損和單邊磨損、多邊磨損、刀圈崩裂等非均勻磨損，綜合考慮巖石硬度、強(qiáng)度、研磨性節(jié)理發(fā)育、石英含量對刀具磨粒磨損進(jìn)行定性分析，對不同巖層下滾刀間距和刀具高差給出了建議值并提出了磨損的工程控制措施。張照煌［5］將滾刀運(yùn)動(dòng)分解為三個(gè)方向，得出側(cè)向位移對刀具磨損影響最大，同時(shí)也給出了破巖點(diǎn)弧長與磨損量之間存在一定的正比關(guān)系。張厚美［6］從刀具設(shè)計(jì)制造、維修裝配、掘進(jìn)使用等階段提出減少滾刀磨損的控制措施。

本文綜合分析盾構(gòu)機(jī)在巖層地層掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)刀具磨損的機(jī)理基礎(chǔ)之上，對采用兩種不同計(jì)算模型對杭州某區(qū)間的盾構(gòu)刀具磨損進(jìn)行計(jì)算分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，分析影響刀具磨損的各種因素，提出工程施工過程中各種控制措施，為刀具選型、設(shè)計(jì)和施工控制刀具磨損提供依據(jù)。

1 刀具磨損機(jī)理分析

1.1 巖體破碎機(jī)理

滾壓刀具的工作原理主要是依靠刀具推力來沖擊擠壓巖層；再加上刀具旋轉(zhuǎn)扭矩連續(xù)滾壓破巖，這類刀具在掘進(jìn)過程中會(huì)隨刀盤一起公轉(zhuǎn)，同時(shí)自身還繞刀軸進(jìn)行自轉(zhuǎn)。刀具磨損是刀具與巖體相互作用的結(jié)果，盾構(gòu)刀盤施加一個(gè)壓力在刀具上，刀具在這個(gè)壓力的作用下，擠壓巖石，當(dāng)巖石受到其拉應(yīng)力和剪應(yīng)力超出巖石材料力學(xué)指標(biāo)時(shí)，巖石碎裂，刀具擠壓巖石過程巖石也對刀具施加一個(gè)反作用力，導(dǎo)致刀具磨損。

巖石破碎過程分為兩種機(jī)制：第一種為切削機(jī)制；第二種為擠壓破碎機(jī)制。

切削過程中，刀盤施加一個(gè)垂直刀盤的壓力和一個(gè)沿著刀具軌跡線切向水平分力，刀尖下端巖石因應(yīng)力集中產(chǎn)生多條裂紋，刀尖前端因應(yīng)力集中在巖石最大主應(yīng)力方向產(chǎn)生裂紋，隨著刀具前進(jìn)，最大剪應(yīng)力超出巖石抗剪強(qiáng)度時(shí)，出現(xiàn)剪切裂紋，裂紋擴(kuò)展至巖石表面時(shí)巖石斷裂，刀具對巖體完成一次切削過程。

擠壓切削過程就是刀盤施加垂直作用力將刀具壓入巖石自由面的過程（即盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的貫入度），根據(jù)巖石破碎過程分為以下三個(gè)階段：1）擠壓階段。刀具剛接觸巖體表面時(shí)，巖體表面彈性變形，隨著刀具壓入，彈性變形變?yōu)樗苄宰冃危瑤r石破壞，刀具下方形成破碎區(qū)域，超出貫入度，即貫入度范圍內(nèi)巖石破碎。2）開裂階段。破碎區(qū)周圍形成一個(gè)應(yīng)力過渡區(qū)。過渡區(qū)外側(cè)由于巖石碎裂變形卸荷應(yīng)力減小，受影響區(qū)域巖石僅產(chǎn)生裂紋。3）破碎切削階段。當(dāng)相鄰刀具壓入巖體周邊裂紋相互連通形成斷裂面時(shí)，巖體脫落。巖體破損過程見圖1。

圖1 巖體在刀具左右下破裂過程

1.2 刀具磨損機(jī)理

工程實(shí)踐中刀具磨損主要表現(xiàn)為均勻磨損和偏磨、弦磨、刀圈崩裂等非均勻磨損，見圖2。

圖2 刀具磨損主要形式

刀具磨損過程主要是刀具和巖體相互作用的結(jié)果，表現(xiàn)為巖石破碎和刀具磨損，本質(zhì)是荷載反復(fù)作用下能量轉(zhuǎn)換和能量消散的過程?；谀Σ翆W(xué)理論，磨損機(jī)制分為磨粒磨損、粘著磨損和疲勞磨損。刀具實(shí)際磨損過程通常不是單一形式出現(xiàn)，是幾種磨損相互作用的結(jié)果。

刀具的磨粒磨損主要表現(xiàn)為刀具與巖體相對位移過程中，刀圈貫入巖體時(shí)，巖體由彈性變形過渡到塑性變形，巖體隆起脫落，刀圈在貫入過程中承受刀圈正面巖體中硬粒的嵌入作用和來自隆起巖體中硬粒在刀圈上的作用，在刀圈上形成犁溝，反復(fù)作用導(dǎo)致刀具磨損。粘著磨損是指刀具貫入巖體時(shí)，硬粒壓入刀具表面并形成黏著點(diǎn)，刀具旋轉(zhuǎn)或者運(yùn)動(dòng)時(shí)，硬粒在切向應(yīng)力作用下黏著點(diǎn)脫落，刀具磨損。刀具在巖體應(yīng)力的反復(fù)作用下，刀具承受巖體反作用力產(chǎn)生疲勞磨損，刀圈斷裂。

2 刀具磨損預(yù)測計(jì)算模型

2.1 刀具磨損預(yù)測模型共性分析

2.1.1 預(yù)測模型共性分析

由表1可知，各種預(yù)測模型均考慮了巖石的強(qiáng)度和磨蝕值。磨蝕值采用CERCHAR實(shí)驗(yàn)儀測定值或者挪威磨蝕測定AV，在一定程度上考慮了巖石的節(jié)理發(fā)育。由于刀具磨損影響因素很多，相互作用受力較復(fù)雜，目前沒有成熟的理論計(jì)算公式，刀具磨損量預(yù)測只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)處理后的結(jié)果，每種模型都有嚴(yán)格的假設(shè)條件，對于相同條件下的預(yù)測結(jié)果相對準(zhǔn)確，適應(yīng)條件苛刻。見表1。

表1 各種刀具磨損預(yù)測模型

2.1.2 預(yù)測模型適用性分析

1）模型中的人為因素。

刀具破巖的動(dòng)力由盾構(gòu)刀盤施加，貫入度即每次刀具入巖深度都是人為控制，由磨損機(jī)理分析可知，巖石破碎隆起對刀具兩側(cè)的磨損速度有著重要影響，同時(shí)刀具正面壓力大小直接決定粘著磨損的速度。因此盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的人為控制的參數(shù)如貫入度、轉(zhuǎn)速、掘進(jìn)速度等對刀具磨損預(yù)測而言是個(gè)不可控因素。進(jìn)一步說明經(jīng)驗(yàn)公式的局限性和理論計(jì)算公式的適用范圍。

2）巖體的不均勻性。

巖體的不均勻性反映在巖體的節(jié)理發(fā)育和巖體硬粒含量。巖石破碎是交界面的破碎，顆粒本身不碎，顆粒硬度、尖銳度、尺寸、塑性和耐磨性對刀具的磨損都有影響。工程實(shí)踐中巖土均勻性不可控，故在一定程度上限制了經(jīng)驗(yàn)公式的適用范圍。

3）刀位的影響。

刀盤旋轉(zhuǎn)過程中，刀位不同導(dǎo)致刀具線速度不同，每個(gè)刀位破巖點(diǎn)運(yùn)動(dòng)弧長就不同，刀位越大破巖點(diǎn)弧長越大，刀具磨損就越大。

4）刀具各部件質(zhì)量。

滾刀有刀圈、輪轂、軸及軸密封等構(gòu)成，密封失效、輪轂變形都會(huì)造成刀圈磨損，磨損量預(yù)測需首先排除此類因素影響。同時(shí)裝配扭矩和刀具直徑、刀具數(shù)量（刀間距）也對刀具磨損影響較大。

3 模型的工程驗(yàn)證及影響因素分析

3.1 工程驗(yàn)證思路

結(jié)合杭州某地鐵隧道區(qū)間現(xiàn)場實(shí)測，對刀具磨損數(shù)值進(jìn)行預(yù)測計(jì)算，改變各個(gè)計(jì)算參數(shù)，對比實(shí)測和不同參數(shù)取值計(jì)算結(jié)果找出影響因素，為工程控制提供依據(jù)。

3.2 區(qū)間概況

區(qū)間采用鐵建重工兩臺(tái)ZTE7180土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，中心開口率45%，中心滾刀4把，正面滾刀30把，邊緣滾刀12把，切刀36把，邊緣切刀12把。盾構(gòu)穿越地層為全斷面中風(fēng)化凝灰?guī)r，室內(nèi)巖石天然單軸抗壓強(qiáng)度范圍值為17.70～94.9 MPa，平均值為35.57 MPa，標(biāo)準(zhǔn)值為35.0 MPa，屬較硬巖，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級。管片型號6900／6100-1500 mm。選取其中10把，掘進(jìn)環(huán)號為89環(huán)～189環(huán)?，F(xiàn)場實(shí)測刀具磨損統(tǒng)計(jì)見表2。

表2 杭州某地鐵盾構(gòu)區(qū)間滾刀磨損統(tǒng)計(jì)

3.3 計(jì)算模型

3.3.1 經(jīng)驗(yàn)公式

刀具磨損量經(jīng)驗(yàn)公式見式（1）。

式中：δ為磨損量，mm；

K為摩擦系數(shù)，mm／km，中風(fēng)化凝灰?guī)r取值75×10-3，mm／km；

D為盾構(gòu)刀盤外徑，7.18 m；

N為刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，1.7 rad／min；

L為掘進(jìn)距離，150 m；

V為掘進(jìn)速度，1.5 cm／min。

代入式（1）計(jì)算刀具磨損量為：28.7 mm。

3.3.2 半經(jīng)驗(yàn)半理論公式

式（2）預(yù)測分析受力模型見圖3。根據(jù)表2數(shù)據(jù)，代入相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸計(jì)算得出a=0.76，b=0.20，c=0.04，計(jì)算結(jié)果和文獻(xiàn)［3］基本一致，磨損值誤差在20%以內(nèi)。由此可以看出，刀具磨損中，磨粒磨損在刀具磨損中占比重最大，粘著磨損占比次之，疲勞磨損占比最小。

圖3 模型計(jì)算受力簡圖

3.3.3 影響因素分析

1）式（2）計(jì)算結(jié)果更接近實(shí)測值，主要是式（2）中考慮破巖點(diǎn)弧長，并細(xì)化磨粒磨損、粘著磨損和疲勞磨損。式（1）中沒有考慮巖體多樣性，是根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的經(jīng)驗(yàn)公式，相對精度較低，見圖4。

圖4 實(shí)測值與理論值對比

2）式（2）中改變刀間距S由100 mm變?yōu)?5 mm，計(jì)算結(jié)果為a=0.71，b=0.25，c=0.04，結(jié)果表明，刀間距變小，磨粒磨損對刀具磨損占比減小，粘著磨損對刀具磨損占比增加，疲勞磨損對刀具磨損占比基本不變。

4 刀具磨損的應(yīng)對措施

4.1 刀具設(shè)計(jì)制造

4.1.1 合理控制刀間距

根據(jù)磨損機(jī)理分析，破巖點(diǎn)破巖弧長越長，刀具磨損越大，刀間距越小，越有利于減少刀具磨損，故建議刀位數(shù)值較大位置采用較小的刀間距以彌補(bǔ)破巖點(diǎn)弧長較大產(chǎn)生的磨損。

4.1.2 保證加工材料和精度

保證刀具加工使用的材料，各個(gè)部件之間的尺寸配合等。在刀具裝配時(shí)采用合適的緊固扭矩，防止啟動(dòng)扭矩過大而導(dǎo)致偏磨。

4.2 施工階段

4.2.1 全斷面硬巖掘進(jìn)參數(shù)

采用敞開模式掘進(jìn)，刀盤轉(zhuǎn)速1.5～1.7 r／min，扭矩2 000～2 500 kN·m，掘進(jìn)速度8～12 mm／min，總推力1 500～1 700 t。停止掘進(jìn)后恢復(fù)掘進(jìn)時(shí)，控制掘進(jìn)速度在10 mm／min以內(nèi)，防止刀圈崩裂。

4.2.2 刀具管理和刀具更換

刀具主要檢查拉桿是否松動(dòng)，根據(jù)磨損規(guī)律，可以將邊緣刀具向較中位值更換，合理利用刀具。

4.2.3 渣土改良

適當(dāng)加注泡沫劑，有助于降低刀盤扭矩和刀具溫度，便于出渣。

5 結(jié) 語

刀具磨損過程受力狀況較復(fù)雜，并且認(rèn)為控制因素對刀具磨損影響較大，各種經(jīng)驗(yàn)公式或者理論公式都有嚴(yán)格假設(shè)條件，因此只能通過修正接近實(shí)測值，通過刀具磨損機(jī)理分析和預(yù)測磨損計(jì)算得出以下結(jié)論：

1）通過理論計(jì)算分析，刀具磨損中，磨粒磨損占比最大，粘著磨損占比次之，疲勞磨損占比最小。刀間距減小有助于相鄰刀具產(chǎn)生的裂紋交叉，形成破碎面，提高掘進(jìn)效率，減少刀具磨損。

2）刀具磨損計(jì)算中刀具貫入度、轉(zhuǎn)速和盾構(gòu)掘進(jìn)速度等為人為控制，且對刀具磨損影響較大，因此刀具應(yīng)根據(jù)巖體力學(xué)性質(zhì)計(jì)算后配置，主要包括刀間距、刀圈厚度。刀號大的刀具適當(dāng)減少刀間距，刀號小的位置適當(dāng)增加刀間距，這樣就可以減少換刀次數(shù)，節(jié)約工期和工程成本。

3）全斷面硬巖段控制措施主要為：設(shè)置合理的掘進(jìn)參數(shù)以及合理加注泡沫劑保護(hù)刀具，減少人為原因?qū)е碌度δp。掘進(jìn)期間設(shè)定合理刀具檢查和更換周期，防止巖體不均導(dǎo)致個(gè)別刀具偏磨而加速相同位置刀具的磨損。