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)國家重點實驗室， 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。夏毅敏等[1]研究了刀盤刮渣斗結(jié)構(gòu)參數(shù)對出渣特性的影響規(guī)律，表明刮渣斗在不同面積和長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]提出在開口面積一定的情況下，刮渣斗應(yīng)布置為長短交替等對稱布置形式，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配巖渣的落渣、產(chǎn)渣和出渣過程，并為刮渣斗的結(jié)構(gòu)形式和尺寸提供了建議。陳巍[6]通過研究刀盤開口面積、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算方法。洪開榮[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]利用正交實驗的方法對邊緣滾刀的刃寬和刃角進(jìn)行了分析，得出了各因素對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)合圖像識別技術(shù)對滾刀磨損進(jìn)行預(yù)測，并得出了預(yù)測公式。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)系對滾刀磨損的影響規(guī)律，以新疆某輸水工程為例，通過分析2個工程TBM滾刀磨損情況，對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TBM(4#和5#)施工，開挖洞徑7.03 m，其中4#TBM計劃掘進(jìn)23.51 km(第1階段15.36 km，第2階段8.15 km)，5#TBM計劃掘進(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)，無大斷裂帶發(fā)育，巖石堅硬、巖體完整，石英含量為20%～30%，巖石飽和抗壓強度為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個刮渣斗的5#和8個刮渣斗的4#。2臺TBM開挖直徑均為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個刮渣斗，刮渣斗長度均為802 mm。5#TBM共設(shè)置6個刮渣斗，其中,1#、3#、4#刮渣斗長度為1 035 mm，2#刮渣斗長度為510 mm，5#刮渣斗長度為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)計分析了刮渣斗安裝角度和渣斗長度，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個刮渣斗，刮渣斗夾角布設(shè)較為均勻且每個刮渣斗長度均為802 mm； 5#TBM刀盤設(shè)置6個不同長度的刮渣斗，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

為了研究不同刮渣斗位置對滾刀磨損的影響，分別對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。忽略安裝半徑對滾刀磨損的影響，邊緣滾刀磨損量大的一個重要原因在于巖渣沒有及時排出掌子面，造成邊緣滾刀在滾動過程中二次破巖，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=滾刀累計磨損量/滾刀累計破巖量。

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。這是因為中心區(qū)域滾刀安裝半徑較小，滾刀運動的滑移量較大，導(dǎo)致滾刀滑移磨損較大。

2)正面滾刀區(qū)。位于刀盤正面靠內(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。

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、溜渣槽通過皮帶排出。當(dāng)刮渣斗磨損后，導(dǎo)致邊緣滾刀對巖渣產(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?；诖耍岢銎茙r磨損與二次磨損的概念。為研究刮渣斗和緊鄰滾刀夾角對滾刀磨損的影響規(guī)律，對滾刀二次磨損進(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)域的各點速度方向與接觸弧切線方向有一定夾角，則滾刀將會與巖石發(fā)生相對滑動，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)量對滾刀磨損影響

為研究刮渣斗數(shù)量對滾刀磨損的影響，對比分析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)，計算2臺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)過計算得出以下結(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。對比分析2臺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)，對本文研究結(jié)果的影響可忽略不計。

3.3.2 滾刀和刮渣斗夾角對滾刀磨損的研究

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，通過建立夾角和二次磨損系數(shù)的坐標(biāo)點(夾角，二次磨損系數(shù))，利用向量的矢量計算準(zhǔn)則，計算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)過向量運算得出表4。

從表4可以看出： 當(dāng)夾角差值為正值時,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象限的點表明滾刀和刮渣斗夾角越大，滾刀磨損越嚴(yán)重。

統(tǒng)計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，呈負(fù)相關(guān)關(guān)系的有6個，且對17個滾刀數(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)刮渣斗的布置對滾刀磨損具有重要影響，特別是刮渣斗布設(shè)數(shù)量對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，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磨損的作用關(guān)系，建議進(jìn)一步深入研究，給出明確的計算公式。

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(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。

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