基于層次分析法的TBM滾刀評價方式*

李 雪 陳 霖 霍 鵬,3 馬文帥 龔子邦 吳九七

(1.西南石油大學地球科學與技術學院,610500,成都;2.上海市軌道交通結構耐久與系統(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(硬巖隧道掘進機)采用的主要刀具為滾刀,但掘進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域的研究難點,針對這一問題,國內外學者大多通過建立刀具磨損預測模型來進行研究。文獻[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測通用計算模型。文獻[3]研究了滾刀的運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刀具的磨損預測模型。文獻[4-5]針對高磨蝕性巖層中的刀具磨損嚴重問題,利用縮尺滾刀進行了室內試驗,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測模型。文獻[6]以成都地鐵1號線和7號線為例,總結了砂卵石巖層中影響滾刀磨損量的各種因素。文獻[7]研究了滾刀張拉破巖模式和CSM(科羅拉多力學模型),對高磨蝕性巖層中滾刀的非正常磨損進行了監(jiān)測和實例分析。文獻[8]對復合地層中的滾刀磨損風險等級進行了過模糊評判,針對不同巖性中的刀具選擇問題進行了研究分析。

目前,對于硬巖巖層中滾刀的壽命預測及磨損規(guī)律的研究較多,但鮮少有文獻針對不同的滾刀評價體系進行研究?；诖?本文通過選取不同品牌的滾刀,以控制變量法設計了現(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。

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雙模式盾構進行掘進施工。地鐵隧道穿越的地層主要為中風化片麻巖(占32%)和強風化粉砂巖(占25%)。盾構隧道穿越的地層主要為中風化粉砂巖和強風化粉砂巖。巖樣天然抗壓強度為2.75～139.50 MPa,抗壓強度變化大,巖層軟硬不均,刀具磨損嚴重。隧址區(qū)屬預丘陵地貌,地勢起伏大,隧道埋深為14.5～15.8 m。掘進地層縱斷面示意圖如圖1所示。

圖1 掘進地層縱斷面示意圖

1.2 現(xiàn)場試驗方案

在大源站至太和站區(qū)間掘進過程中,4家滾刀品牌可供選擇,為選擇相同條件下掘進距離長、刀具磨損小、高磨蝕性巖層適應性好的刀具方案,設計了控制變量試驗,即控制刀間距、掘進地層、滾動半徑等參數(shù)保持不變,對掘進的滾刀進行現(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,掘進距離為120.6 m,穿越地層包括中風化及強風化粉砂巖地層。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),經分析發(fā)現(xiàn),在掘進過程中,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刀具磨損中各失效類型因素所造成風險的相對權重,權重越高則危害性越大,權重越低則危害性越小?；谇拔乃龅哪p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)作為基礎評價因子,對滾刀失效危害進行綜合評價。

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的比例標度進行危害調查與專家咨詢調查,按照危害越大,評價分數(shù)越高的評價機制進行排名,風險評價分值表如表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中的風險評價分值進行兩兩比較,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進行特征值及特征向量求解,計算7種失效類型危害的權重(w1q,…,w7q):

經過方根量綱一化處理后,可以得到失效類型危害的相對權重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。

最后進行一致性檢驗,一致性指標γCI為:

7階矩陣隨機一致性指標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,進而造成更為嚴重的刀具刀盤磨損,對施工項目的經濟性影響較大,需要重點關注和控制。

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面影響越嚴重。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為對照參數(shù)1,計算出各品牌刀具的相對磨損速率。結合試驗時發(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、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 結論

1) 將刀盤分區(qū)進行編號,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評價矩陣,并進行了一致性檢驗,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面影響越嚴重。

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。