基于多个隧道掘进机工程数据回归分析的滚刀磨损评价方法

杨延栋 孙振川 张 兵 闫长斌

1. 盾构及掘进技术国家重点实验室， 郑州, 450001 2. 中铁隧道局集团有限公司， 广州, 511458 3. 郑州大学土木工程学院， 郑州, 450001

0 引言

随着我国交通、能源、水利等领域基础设施建设的全面展开，越来越多的长大山岭隧道(洞)采用岩石隧道掘进机(tunnel boring machine， TBM)修建，但TBM在极硬岩地层掘进时效率低、刀具消耗大，刀具磨损评价是长期困扰TBM施工的世界性难题。

目前研究成果表明，对滚刀磨损评价的方法主要包括三种。一是理论模型评价方法，文献[1-5]基于滚刀微观磨粒磨损机理建立了滚刀磨损评价预测模型，该类方法确定磨粒磨损系数和滚刀载荷困难；文献[6-8]基于能量磨损理论建立了滚刀磨损评价预测模型，该类方法确定能量磨损率和滚刀滑移距离困难。二是实验评价方法，文献[9-10]通过缩尺滚刀实验揭示了滚刀磨损影响规律，但未能提出评价滚刀磨损具体方法。三是基于现场数据统计规律的评价方法，文献[11-15]针对现场TBM刀具磨损数据建立了滚刀磨损规律，但多针对特定工程，通用性无法保证。理论模型评价方法的关键参数选取困难，难以直接应用于TBM施工刀具磨耗评价与预测；实验评价方法的测试标准不统一，且需要专用的实验设备，应用推广难度大；基于现场数据统计规律的评价方法多针对单一工程，缺乏普遍适用性。

影响滚刀磨损的因素主要包括地质、机械、材料等，其中地质因素是关键决定性因素。细观层面上，岩石的矿物成分以及造岩矿物间的结合力影响滚刀的磨损；宏观层面上，滚刀磨损除了受细观上的岩石特性影响外，还受岩体结构面完整性的影响。本研究主要针对影响滚刀磨损的地质因素，通过对多个TBM工程数据的回归分析，揭示细观岩石磨蚀性对滚刀的影响规律和宏观岩体磨损性对滚刀的影响规律，建立强通用性的滚刀磨损分级评价方法。

1 细观岩石磨蚀性影响规律及评价方法

1.1 细观岩石磨蚀性评价指标

岩石的细观结构为造岩矿物按一定的方式连接而成的结晶材料，造岩矿物间有一定的结合力作用。岩石中造岩矿物的结晶对滚刀磨损的影响主要表现为矿物硬度，造岩矿物越硬，硬质颗粒在滚刀垂直力的作用下越容易压入滚刀刀圈材料表面并将刀圈材料切削下来；另外，造岩矿物间的结合力越大，滚刀破岩时造岩矿物越不容易被剥离，刀圈越容易被磨损。为了评价岩石对滚刀磨损的特性，提出了岩石磨蚀性指标CAI值[16]，该指标通过岩石磨蚀性伺服试验仪获取，该试验测试方法是利用针尖为圆锥形的特质钢针(直径10 mm，锥角90°，硬度40～45HRC)加载70 N的载荷在岩石表面以10 mm/min的速度移动10 mm，然后利用显微成像仪测量针尖被磨后所形成圆的直径，该直径被定义为岩石磨蚀性指标CAI值(以0.1 mm为计量单位)，如图1所示。

(a) 钢针在岩样表面滑移

为了测量硬质矿物含量，采用岩粉衍射仪测试岩石的矿物成分，利用定义的等效石英含量QE[16]将对岩石磨蚀性不同的矿物含量换算成等效石英含量，文献[17]给出了换算方法。硬质矿物间结合力对滚刀磨损的影响主要表现为岩石强度，采用岩石单轴抗压强度RC衡量。岩石磨蚀程度用岩石等效石英含量和单轴抗压强度共同衡量。

1.2 岩石等效石英含量和单轴抗压强度对磨蚀性的影响规律

为了研究岩石等效石英含量和单轴抗压强度对岩石磨蚀性的影响规律，通过采集国内三个TBM工作现场岩样开展室内实验，并对国外TBM工作资料进行调研，共获取了63组岩样的岩石磨蚀性指标CAI值(用ACAI表示)、等效石英含量QE以及单轴抗压强度RC，如表1和表2所示。表1中编号1～11的11组岩样从引汉济渭秦岭隧洞岭南TBM工程(即采用TBM修建的隧道工程)获取，编号12～22的11组岩样从广深港高铁狮子洋隧道工程获取，编号23～27的5组岩样从吉林引松供水隧洞工程获取。表2数据来源于文献[17]，岩石单轴抗压强度RC是利用原数据点荷载强度指标IS(50)按照工程岩体分级标准[18]给出的换算方法得到的，编号1～10的岩样为10组火成岩，编号11～18的8组岩样为变质岩，编号19～36的18组岩样为沉积岩。通过对上述63组数据回归分析，得到的岩石等效石英含量和单轴抗压强对磨蚀性影响的拟合关系如图2和下式所示：

图2 岩石磨蚀性与单轴抗压强度和等效石英含量的关系

表1 国内TBM工程岩石特性参数

表2 国外TBM工程岩石特性参数[17]

ACAI=0.8164ln(RCQE)+0.1761

(1)

上式表明岩石磨蚀性CAI值与单轴抗压强度和等效石英含量的乘积成对数函数关系。

1.3 岩石磨蚀性分级评价方法

国际岩石力学学会建议的CAI测试方法标准[19]中给出的岩石磨蚀强弱分级准则如表3所示。但在实际测试过程中发现，当ACAI<2.0时，滚刀磨

表3 岩石磨蚀性分级准则

损不再是TBM掘进的主要问题；当ACAI< 1.0时，测量准确性难以保证，因此建议定义ACAI<2.0的岩石磨蚀性为低，不再具体细分极低、很低、低。上述63组数据ACAI值均未大于5.0，而实际TBM工程中，当ACAI>4.0时，滚刀消耗就极高了，因此建议定义ACAI≥4.0的岩石磨蚀性为极高。再以ACAI=3.0为界，将介于2.0～4.0之间岩石的磨蚀性分为中、高两级。则针对TBM工程建议的岩石磨蚀性分级准则如表4所示。根据针对TBM工程的岩石磨蚀性分级准则，结合岩石磨蚀性与单轴抗压强度和等效石英含量拟合关系(式(1))，建立以岩石单轴抗压强度和等效石英含量为两个变量的岩石磨蚀性分级表，如图3所示，图3可用于评价TBM工程岩石的磨蚀性高低。

表4 针对TBM工程的岩石磨蚀性分级准则

图3 基于单轴抗压强度和等效石英含量的岩石磨蚀性分级

2 宏观岩体磨损性影响规律及评价方法

2.1 宏观岩体磨损性评价指标

在TBM工程尺度上，滚刀磨损除了受岩石磨蚀性的影响外，岩体完整性对滚刀磨损影响明显，如引汉济渭秦岭隧洞工程和大瑞铁路高黎贡山隧道工程的花岗岩岩石磨蚀性ACAI值相差不大，但引汉济渭的刀具消耗是高黎贡山的刀具消耗的数倍，因此宏观岩体对滚刀磨损性影响除了考虑岩石的磨蚀性外，还需要考虑岩体的完整性，岩体完整性越差，滚刀越容易破岩，滚刀越不易磨损。

表示岩体完整性的指标有岩体完整性系数KV、岩体体积节理数JV、岩体质量指标IRQD等，三者之间有一定联系。工程岩体分级标准[18]给出了JV和KV之间的对应关系，文献[20]通过数据拟合给出了IRQD与KV之间的对应关系，三者之间的对应关系如表5所示，通过表5利用差值法可将上述表示岩体完整性的指标换算成其中某一个。

表5 岩体完整性指标对应关系

岩体对滚刀磨损性影响的评价因素有滚刀线磨损速率、掘进距离磨损速率以及破岩体积磨损速率，前两者受滚刀安装半径影响明显，不同开挖直径的TBM工程之间没有可比性。滚刀破岩体积磨损速率指滚刀开挖单位体积的岩石所产生的径向磨损量，单位为mm/m3，除了距离刀盘中心最近的刀刃破岩体积为圆柱体外，其他刀刃的破岩体积为以刀刃间距为厚度的筒体。滚刀的破岩体积计算方法如下：

式中，vi为刀盘上第i把滚刀的破岩磨损速率体积，mm/m3；Qi为第i把滚刀的累计磨损量，mm；Ri为第i把滚刀的安装半径，m；Ri-1为前一把滚刀的安装半径，m；L为TBM的掘进距离，m。

图4所示为北疆供水TBM工程6 km花岗岩段统计的不同安装半径下滚刀体积磨损速率，其中正面滚刀体积磨损速率接近，不受刀盘直径和安装半径的影响，因此建议以正滚刀体积磨损速率平均值作为岩体对滚刀磨损性的评价指标。

图4 北疆供水TBM工程破岩体积磨损速率统计

2.2 岩体完整性和磨蚀性对滚刀磨损性的影响规律

通过上述方法统计了国内已建和在建的5个TBM工程的7条隧道(洞)工程数据，如表6所示。拟合滚刀破岩体积磨损速率与岩体完整性系数和磨蚀性指标的关系如图5a和下式所示：

表6 不同TBM工程统计数据

v=0.0029e1.1783KVACAI

(3)

以20 mm为滚刀磨损极限，则滚刀刀圈寿命与岩体完整性系数和磨蚀性指标的关系如图5b所示。滚刀破岩体积磨损速率与岩体完整性系数和岩石磨蚀性指标的乘积成指数函数关系，滚刀刀圈寿命与岩体完整性系数和岩石磨蚀性指标的乘积成负指数函数关系。

(a) 滚刀磨损体积影响规律

为了评价滚刀破岩体积磨损速率与岩体完整性系数和磨蚀性指标回归关系的准确性，收集了新建山东抽水蓄能电站工程“文登号”TBM的刀具消耗现场统计数据，该TBM开挖直径为3.503 m，采用直径432 mm(17in)的滚刀，包括6把双联中心滚刀和20把单刃滚刀，共计32个刀刃，正滚刀刀间距为77 mm。统计了长度150 m掘进段滚刀消耗量，得到的正滚刀破岩体积平均磨损速率为0.085 mm/m3。通过现场取样测得该掘进段的岩石磨蚀性ACAI平均值为3.52，岩体完整性系数平均值为0.86，则利用式(3)预测的滚刀破岩体积磨损速率为0.076 mm/m3，相对误差为-10.6%。刀具磨损预测误差控制在10%左右，对于TBM隧道工程来说已相当准确。

2.3 岩体磨损性分级评价方法

目前对于岩体磨损性尚没有明确的分级准则，结合上述几个TBM工程实践的刀具消耗情况，建议以滚刀破岩体积磨损速率0.10，0.06，0.04 mm/m3三个值将岩体磨损性分为四个等级，滚刀破岩体积磨损速率v<0.04 mm/m3时，岩体磨损性为低；0.04≤v<0.06 mm/m3时，岩体磨损性为中；0.06≤v<0.10 mm/m3时，岩体磨损性为高；v>0.10 mm/m3时，岩体磨损性为极高。

根据上述岩体磨损性分级准则，结合滚刀破岩体积磨损速率与完整性和磨蚀性的拟合关系(式(3))，建立以岩体完整程度和岩石磨蚀性指标为两个变量的岩体磨损性评价分级表，如图6所示。在确定了滚刀极限磨损量的情况下，也可基于岩体完整程度和岩石磨蚀性指标预测滚刀寿命。

图6 基于岩体完整程度和磨蚀性的磨损性分级

3 结论

(1)基于多个TBM工程的岩石单轴抗压强度、岩石等效石英含量、岩石磨蚀性指标、岩体完整性指标、滚刀破岩体积磨损速率等参数，通过数据回归分析建立的滚刀磨损评价方法具备可行性。

(2)岩石磨蚀性指标与单轴抗压强度和等效石英含量的乘积成对数函数关系;滚刀破岩体积磨损速率与岩体完整性系数和岩石磨蚀性指标的乘积成指数函数关系;滚刀刀圈寿命与岩体完整性系数和岩石磨蚀性指标的乘积成负指数函数关系。

(3)通过对岩石磨蚀性指标与单轴抗压强度和等效石英含量拟合关系赋值，建议采用2.0、3.0、4.0三个岩石磨蚀性指标临界值，建立低、中、高、极高4级的岩石磨蚀性分级评价准则；通过对滚刀破岩体积磨损速率与岩体完整性系数和岩石磨蚀性指标的拟合关系赋值，建议采用0.10、0.06、0.04三个滚刀破岩体积磨损速率临界值，建立低、中、高、极高4级的岩体磨损性分级评价准则。

(4)所建立的岩石磨蚀性评价准则和岩体磨损性评价准则可用于隧道工程TBM滚刀寿命预测，但目前获取的TBM工程数据有限，建议获取更多的TBM工程实践数据，进一步提高滚刀磨损回归分析评价模型的准确度。