引汉济渭岭南TBM工程二长花岗岩地层滚刀磨损研究

孙振川， 杨延栋， 陈 馈， 李凤远， 张 兵

(盾构及掘进技术国家重点实验室， 河南 郑州 450001)

引汉济渭岭南TBM工程二长花岗岩地层滚刀磨损研究

孙振川， 杨延栋， 陈 馈， 李凤远， 张 兵

(盾构及掘进技术国家重点实验室， 河南 郑州 450001)

针对秦岭二长花岗岩条件下TBM滚刀消耗严重的问题，依托引汉济渭岭南TBM工程，通过对现场岩样和刀圈材料开展室内试验，明确岩石的磨蚀性能和刀圈的耐磨性能指标，发现岩石的磨蚀性由其抗压强度与矿物成分共同决定，刀圈的耐磨性主要取决于材料的成分及组织。通过对前2 000 m试掘进段刀具使用情况和磨损数据的分析，掌握各个刀位的磨损规律： 1)正滚刀的累计磨损量随滚刀安装半径的增加近似呈线性增长； 边滚刀中处于过渡区域的滚刀累计磨损量最大，两侧逐渐减小。2)与滚动距离磨损速率相比，破岩体积磨损速率更能准确衡量滚刀磨损的快慢程度。3)重复磨损对边滚刀磨损影响较大，而通过在边缘区域增加滚刀数量来提高耐磨性的方法可以起到一定作用，但不能从根本上解决问题。

隧洞； TBM； 盘形滚刀； 磨损规律； 二长花岗岩地层； 引汉济渭工程

Abstract: The TBM disc cutter wear is serious when boring in monzonitic granite strata of Qinling Mountain. The abrasion performance of the rock and the wear resistance performance of the cutter ring are clarified by laboratory test on rock samples and the cutter ring materials taken from Lingnan TBM Section of Hanjiang River-Weihe River Water Conveyance Project. The abrasiveness of rock is affected by compressive strength and mineral composition of rock; and the wear resistance of the cutter ring is mainly affected by the composition and organization of the materials. The wear rules of different disc cutters are figured out by the analysis of cutter usage and wear data gained from 2 000 m test section. It is found that: 1) The cumulative wear of the inner cutters shows approximate linear with the installation radius increase; and the maximum cumulative wear of edge cutters occurs at the transition zone. 2) The wear rate calculated by unit rock breaking volume is superior to wear rate calculated by unit tunneling distance in terms of wear speed of disc cutter. 3) The repeated wear has great influence on the wear of edge cutters; and by increasing the numbers of disc cutters in the marginal area, the wear resistance of disc cutter can be improved, to a certain extent; but it can not be improved basically.

Keywords: tunnel; TBM; disc cutter; wear rule; monzonitic granite strata; Hanjiang River-Weihe River Water Conveyance Project

0 引言

在高强度硬岩地层TBM施工中，滚刀磨损消耗占TBM施工成本较高，如穿越秦岭的西康铁路秦岭隧道，滚刀消耗费用高达掘进机施工费用的1/3[1]。因此，TBM滚刀磨损问题受到学术界和工程界的高度关注。

针对刀具磨损问题，国内外专家和学者开展了大量的研究。文献[2-4]通过室内试验和现场试验，建立了TBM掘进效率和刀具磨损评价的CSM、NTNU模型。文献[5-6]结合国内外工程实例，对上述预测模型进行了实践，发现实际情况与预测结果相符度不高。文献[7]对西康线秦岭隧道TB880E滚刀的磨损形式和磨损规律进行了总结。文献[8]对西康线秦岭隧道TB880E滚刀的二次磨损机制及规律进行了研究。文献[9]提出滚刀径向磨损系数、轴向磨损系数和轨迹磨损系数，对滚刀的耐磨性进行评价。文献[10-12]从微观和宏观方面对滚刀磨损进行了研究，提出了滚刀磨损的理论预测模型，但理论研究结果仅得到少量工程数据支撑，其可靠性需要进一步验证。

目前针对滚刀磨损规律的研究大多针对具体工程展开，具有较大的应用局限性。无论是已建成的西康铁路秦岭隧道，还是在建的引汉济渭岭南TBM工程，有关滚刀消耗严重的问题，均未能找到有效的解决方法。本文针对引汉济渭岭南TBM工程，从二长花岗岩地层特性、刀圈材料特性以及刀具的现场使用情况等方面，开展秦岭二长花岗岩条件下TBM滚刀磨损规律分析，以期为TBM施工提供参考。

1 工程概况

引汉济渭工程秦岭隧洞全长81.8 km，岭南TBM段全长18.275 km，由TBM后配套安装洞、主机安装洞、步进洞、始发洞、检修洞和TBM 2个掘进施工段组成。工程位于秦岭岭脊高中山区及岭南中低山区，地形起伏，隧道埋深500～2 000 m。岩性主要以花岗岩为主，单轴抗压强度96.7～242 MPa，抗拉强度2.1～3.3 MPa，内摩擦角51°～68.5°，内聚力1.44～12.53 MPa，完整系数0.59～0.89。围岩类别以Ⅱ类为主，占72.9%； 此外，Ⅰ类占16.7%，Ⅲ类占6.5%，Ⅳ类占2.9%，Ⅴ类占1%。地表水较发育，地下水为基岩裂隙水，水量较丰富，受大气降水补给，全隧可能发生的最大涌水量为41 000 m3/d。

岭南TBM段采用φ8.02 m开敞式TBM掘进，安装新刀时的开挖直径为8.05 m。刀盘上布置有4把43.18 cm(17英寸)中心双刃滚刀，编号为1#—8#； 同时布置有43把50.80 cm(20英寸)单刃滚刀，编号为9#—51#。刀盘滚刀布置如图1所示。其中： 1#—8#滚刀刀间距为101.6 mm； 9#—39#滚刀为正滚刀，刀间距为82.4 mm； 40#—51#滚刀为边滚刀，刀间距依次减小。

2 岩石磨蚀性指标与刀圈耐磨性指标

2.1 岩石磨蚀性能指标

针对引汉济渭岭南TBM工程，在掘进距离500～1 000 m范围内，每50 m取样一次，共取样11组。利用Leitz Orthoplan显微镜开展岩石薄片鉴定试验，获取岩样岩性及矿物成分。部分岩样的薄片鉴定显微照片如图2所示。岩样岩性主要为片麻状细粒二长花岗岩、斑状二长花岗岩以及中细粒二长花岗岩； 矿物成分主要为石英、斜长石、钾长石，另外还有少量的云母。通过岩石压力试验机获取岩样单轴抗压强度UCS，通过岩石磨蚀伺服试验仪[13]获取岩样磨蚀性能指标CAI，得到各组岩样磨蚀性能指标见表1。

(a) 滚刀平面布置

Wmax表示该区域滚刀允许的最大磨损量。

(b) 滚刀布置间距示意图(单位： mm)

图1 TBM刀盘滚刀布置

Fig. 1 Layout of TBM disc cutters

(a) 片麻状细粒二长花岗岩

(b) 斑状二长花岗岩

(c) 中细粒二长花岗岩

表1 岩石磨蚀性能指标

从11组二长花岗岩磨蚀性测试结果来看，矿物成分中石英含量平均值为23%～25%，长石的含量高达62%～73%。石英的莫氏硬度为7，长石的莫氏硬度为6，可见石英、长石均有较高的磨蚀性，因而矿物成分中高含量的石英和长石是导致滚刀消耗严重的因素之一。另外，目前普遍认为TBM适合于岩石单轴抗压强度为30～150 MPa的中等坚硬至硬岩中[14]，且在硬岩中掘进对TBM的推力、刀具和刀具轴承的要求较高，可能造成易损件的频繁更换，费时且极不经济； 由二长花岗岩的单轴抗压强度平均值高达167 MPa可见，该掘进段的岩石单轴抗压强度高也是造成刀具消耗严重的因素之一。

岩石磨蚀性是由岩石硬质矿物成分与单轴抗压强度等因素共同决定的[12]。若岩石硬质矿物成分含量较低，即使单轴抗压强度高，岩石磨蚀性也不高； 若岩石硬质矿物成分含量高、单轴抗压强度低，意味着岩石对硬质颗粒的胶结能力弱，磨粒容易脱落，岩石磨蚀性也低； 只有当两者都较高时，岩石的磨蚀性才较高。该掘进段衡量岩石磨蚀性的指标CAI值高达0.335 mm，在岩石磨蚀性分级中处于较高等级，造成刀具消耗严重。通过该工程和东北某引水隧洞的岩石取样，得到CAI与单轴抗压强度UCS、岩石等效石英含量EQC[15]的拟合关系如图3所示。

2.2 刀圈耐磨性指标

针对引汉济渭岭南TBM工程前2 000 m试掘进段使用的国外某品牌的滚刀和试掘进段后现场试验的某品牌的滚刀，对刀圈进行金相组织、元素成分、洛氏硬度以及冲击韧性测试试验。根据金相组织测试结果： 试掘进段刀圈组织为板条状马氏体，如图4(a)所示； 试掘进段后现场试验的刀圈组织为回火索氏体，周围有少量的碳化物，如图4(b)所示。由于试掘进段后现场试验用滚刀刀圈的组织以马氏体的回火态为基体，并析出具有高硬度、高熔点的碳化物，同时这些碳化物镶嵌在回火索氏体基体上，使刀圈的硬度较高，但冲击韧性较差； 而试掘进段滚刀刀圈的金相组织显示大量细小碳化物弥散分布在板条状马氏体基体中，刀圈刃部硬度值虽没回火索氏体刀圈高，但冲击韧性较好。建议如下： 岩石单轴抗压强度高于150 MPa时，采用板条状马氏体组织的刀圈，优先考虑刀圈的抗冲击韧性，降低刀具异常磨损； 岩石单轴抗压强度低于150 MPa时，采用回火索氏体组织的刀圈，优先考虑刀圈的硬度，提高耐磨性。2种滚刀刀圈的元素成分和耐磨性指标如表2所示。

图3 岩石磨蚀性的影响关系

(a) 板条状马氏体

(b) 回火索氏体

3 TBM滚刀使用情况与磨损量统计分析

3.1 TBM滚刀使用情况与累计磨损量统计

通过现场跟踪，对引汉济渭工程岭南TBM施工段前2 000 m试掘进段的刀具使用情况进行了统计分析，如表3所示。滚刀的异常磨损形式主要有刀圈偏磨、崩裂、卷刃及滑动，挡圈断裂，密封漏油，刀体磨损和轴承损坏等。

通过前2 000 m试掘进段刀具消耗数量统计，可初步预测在秦岭二长花岗岩地质条件下整个工程的滚刀刀圈消耗量。为进一步研究不同刀位滚刀磨损量的规律，对不同刀位滚刀刀圈累计磨损量进行统计，异常磨损的刀圈统计累计磨损量时按相邻正常磨损滚刀的磨损量记。滚刀累计磨损量如图5所示。

由图5可知： 正滚刀的累计磨损量随滚刀安装半径的增加呈近似线性增长； 边滚刀中处于过渡区域的43#刀累计磨损量最大，达1 996 mm，平均每延米的磨损量为1 mm，该刀位两侧磨损量逐渐减小。

表2 滚刀刀圈的元素成分和耐磨性指标

注：αK为材料V型缺口夏比冲击试验吸收功。

表3 滚刀使用情况

图5 滚刀累计磨损量

目前对于提高边缘刀具的换刀距离有2种观点。一种观点认为，在43#刀位附近增加1把滚刀，分担边缘区域滚刀的破岩任务，可以降低43#刀的磨损速率，提高整个边缘区域的换刀距离，节约换刀时间，提高TBM机时率； 同时，该刀盘设计时在该刀位轨迹附近预留了1个未焊接刀座的安装孔，具备改造条件，但要通过计算整个刀盘的倾覆力矩，确保增加刀具之后刀盘的稳定性。另一种观点认为，边缘区域滚刀的重复磨损(指岩碴向底部下落过程中对滚刀造成的磨损以及岩碴堆积在刀盘底部重复破碎所造成的刀具磨损)严重，若增加边缘刀具会进一步加大重复磨损的消耗量，且对延长边滚刀的换刀距离效果不明显，不建议增加刀具。对于上述2种观点，应首先明确重复磨损的影响程度，以便做出更准确的判断。

3.2 TBM滚刀累计磨损量分析

衡量滚刀磨损的快慢，有学者利用单位掘进距离滚刀的径向磨损量，也有学者利用单位破岩体积滚刀的径向磨损量。根据前2 000 m累计磨损量计算每个刀位的滚动距离磨损速率和破岩体积磨损速率。滚动距离磨损速率为累计磨损量除以该刀位的累计滚压距离，累计滚压距离计算公式见式(1)； 破岩体积磨损速率为累计磨损量除以该刀位的累计破岩体积，累计破岩体积计算公式见式(2)。滚动距离磨损速率和破岩体积磨损速率计算结果如图6所示。由于计算滚动距离磨损速率时1#刀位出现明显异常，计算破岩体积磨损速率时51#刀位出现明显异常，因此分析时未考虑上述2个刀位。

li=2πRil/h；

(1)

Vi=2πRiSil。

(2)

式中：Ri为滚刀的安装半径，Si为滚刀的刀间距，按照TBM刀盘刀具的设计参数确定；l为TBM掘进距离，h为掘进段内滚刀的平均贯入度，按照实际掘进情况确定，l取2 000 m，h经计算取6.25 mm/r。

(a) 滚动距离磨损速率

(b) 破岩体积磨损速率

由图6(a)可知： 不同刀位正滚刀的滚动距离磨损速率值均比较接近，平均值为0.096 mm/km； 边滚刀滚动距离磨损速率与累计磨损量具有相似的分布规律，43#刀位最大，两侧逐渐减小； 中心滚刀滚动距离磨损速率随安装半径的增加逐渐减小。可见采用滚刀滚动距离磨损速率评价方法，不能消除刀盘上滚刀布置对滚刀磨损速率的影响，滚刀的磨损除了与刀刃滚压的距离有关，可能还与相邻滚刀间的刀间距有关。正滚刀的刀间距基本相同，因而滚动距离磨损速率可以反映滚刀磨损的快慢； 而边缘区域虽然滚刀的滚压距离在增加，但刀间距在减小，此时滚动距离磨损速率不足以作为衡量滚刀磨损快慢的指标。

由图6(b)可知： 不同刀位正滚刀的破岩体积磨损速率值均比较接近，平均值为0.188 mm/m3。40#—42#过渡区域刀位的破岩体积磨损速率逐渐增加； 42#—50#边缘区域刀位的破岩体积磨损速率值较稳定，平均值为0.496 mm/m3。破岩体积磨损速率与滚动距离磨损速率相比，不仅考虑了滚刀的滚压距离，而且考虑了刀间距。另外，虽然正滚刀和边滚刀的破岩体积磨损速率均有稳定值，但各区域间存在很大差异，说明影响滚刀磨损快慢的还有其他因素。分析正滚刀区域和边滚刀区域的工作状况可知： 刀盘正滚刀仅发生了直接破岩所产生的一次磨损； 而边滚刀除了破除开挖面岩体发生磨损，由于破除后的岩碴堆积在TBM刀盘面板前方底部，在TBM掘进时边滚刀又对破除下来的岩块进行重复破碎，产生重复磨损。因此，边缘区域滚刀的体积磨损速率较高，该区域滚刀的磨损是直接破岩发生的一次磨损与重复磨损叠加的结果。从数值上看，边缘区域滚刀的破岩体积磨损速率平均值是正面区域的2.6倍，可见重复磨损速率是一次磨损速率的1.6倍，对滚刀磨损影响较大。如果在43#刀位轨迹附近的预留孔处增加1把滚刀，可对延长边缘区域的换刀距离起到一定的作用，但被重复磨损消耗的破岩能力较多，不能从根本上解决问题。对于中心滚刀，由于中心区域滚刀的运行半径小，滚刀刀刃发生严重的侧向滑动，滚刀产生严重的滑移磨损； 此外，其安装半径越大，侧滑量越小，滚刀磨损量越小。

4 结论与建议

1)通过秦岭二长花岗岩磨蚀性能和滚刀耐磨性能指标试验，明确了岩石磨蚀性是由岩石硬质矿物成分与单轴抗压强度等因素共同决定的。建议当岩石单轴抗压强度高于150 MPa时采用板条状马氏体组织的滚刀刀圈，优先考虑刀圈的抗冲击韧性，降低刀具异常磨损； 当岩石单轴抗压强度低于150 MPa时采用回火索氏体组织的滚刀刀圈，优先考虑刀圈的硬度，提高耐磨性。

2)通过引汉济渭岭南TBM工程前2 000 m试掘进段刀具使用情况和磨损数据的分析，得到正滚刀的累计磨损量随滚刀安装半径的增加近似呈线性增长，边滚刀中处于过渡区域的滚刀累计磨损量最大，两侧逐渐减小； 与滚动距离磨损速率相比，破岩体积磨损速率更能准确衡量滚刀磨损的快慢程度，由于重复磨损的影响，边缘区域滚刀破岩体积磨损速率是正面区域滚刀的2.6倍，重复磨损速率是一次磨损速率的 1.6倍，对于滚刀磨损影响较大。

建议提高刀盘的刮渣能力，以减少刀盘边缘区域滚刀的重复磨损，减小边滚刀磨损量，进而减少换刀次数，提高TBM机时率； 是否在过渡区域增加滚刀数量需进一步研究。对于滚刀磨损的研究，目前尚未能将室内试验指标与现场试验数据关联起来，建立起可直接用于现场刀具成本预测的模型，下一步需要结合室内试验数据与现场数据建立可靠的滚刀磨损评价体系。

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StudyofWearofDiscCutterBoringinMonzoniticGraniteStrataofLingnanTBMSectionofHanjiangRiver-WeiheRiverWaterConveyanceProject

SUN Zhenchuan, YANG Yandong, CHEN Kui, LI Fengyuan, ZHANG Bing

(StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China)

U 455.3

A

1672-741X(2017)09-1167-06

2017-01-24;

2017-05-02

国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目(2014CB046906)； 中国铁路总公司科技研究开发计划(2016G004-A)； 中铁隧道集团科技创新计划(隧研合2016-03)

孙振川(1972—)，男，陕西韩城人，2009年毕业于石家庄铁道学院，土木与建筑专业，硕士，教授级高级工程师，现从事隧道与地下工程技术与管理工作。E-mail: szcwyf@vip.163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.09.016