广东复杂地层下TBM刀具比选研究

杨孟

（广东华隧建设集团股份有限公司，广东 广州 510228）

在TBM隧道施工中，项目是否能够高效、经济地完成，刀具的选型和管理是最关键的因素之一。在刀具磨损方面已经有较多的研究，例如，秦银平等基于Rabinowicz磨粒磨损引入CSM破岩模型对磨损进行研究；张厚美TBM盘形滚刀磨损与滚刀滑动距离关系研究；张宁川通过对TBM、盾构盘形滚刀硬岩掘进的刃口磨损形状分析及优化对策；乔世范等基于磨粒磨损机理的TBM滚刀寿命预测。

上述研究提供了大量的理论基础，但是，对当前国内外刀具应用情况分析较少。本文通过对11家国内外刀具试验，以及榕江关埠引水项目刀具消耗数据为基础进行分析。以单刀圈的平均破岩量以及刀盘贯入度作为研究对象，以找到提高掘进效率和经济效益的更优刀具配置方案及掘进参数。

1 刀盘刀具介绍

本文研究的背景：榕江关埠引水项目，工程输水总线路35km，其中TBM隧道27km。采用3台中铁装备双护盾TBM施工。最大开挖直径5060mm，最大推力为10500kN。其中4把17寸中心滚刀、27把19寸单刃滚刀。如图1所示。

2 刀具试验

T1隧洞围岩基本稳定后，对国内外11家刀具开展2轮次试验工作，其中国内9家，国外2家。试验分正面刀和边刀试验，从不同维度进行试验。

2.1 正面刀试验

正面刀试验时，将刀具同时安装在刀盘上，所有刀具遇到的地质条件、掘进参数视同完全一致。正面刀与掘进方向平行，轴承与刀刃主要受径向载荷，纠偏或者地层不均造成其他未知因素忽略不计。

本项目TBM刀盘的9#～26#刀刃是正面刀位，共18把。试验选取国内制造商每家2把刀具，9家共18把。刀圈全部采用TBM专用光面刀圈，刀圈的刃型、硬度由厂家自主决定，刀具参数和分组表见表1。每个试验组中的两把刀位的工作轨迹线之和长度基本一致，即每组刀具的破岩量一致。磨损量达到20mm或者出现偏磨、断刀圈等异常损坏则试验结束。试验期间总推力在4000～6100kN浮动，试验截止时每组刀具总的磨损量结果，如表1所示。

结果仅考虑径向总磨损量，磨损量越小成绩越好，如表1排名1所示。国内9以33mm取得第1名的成绩，国内8以34mm取得第2名。其他第3名到第9名磨损量在37～40mm，这7家成绩比较接近。进一步把刃宽因素加进去分析，基于金属总消耗量进行排名，情况如（排名2）所示，原来第1名和排名3～9名的厂家名次变化较小，但是，国内厂家8由原来的第2名变为第9名，国内厂家9仍然位居第1名。从总金属消耗量看各家单位的成绩在-13%～10%浮动，造成厂家8名次较大变化的主要原因为该单位采用了刃宽较大的刀圈，其总金属消耗量较大。

表1 正面刀试验表

式中，Δr为总径向磨损量，d为刃宽。

注：该计算为定性计算，采用近似计算只是用来快速判断刀圈金属的大概剥落量，忽略掉刃口刃型、径向磨损量差异造成计算误差。

上述试验在排除地层、推力、破岩量等一系列干扰因素得到准确的统计结果，对结果分析可知，采用总金属消耗量代替径向磨损量来评价刀圈的耐用性更加准确。

2.2 边刀试验

边刀位于刀盘弧面区，工作时，刀刃与掘进方向有一定的夹角，轴承与刀刃除受径向力外，还受到轴向力作用，掘进过程中存在一定的轴向滑动摩擦以及二次磨损。因此，边刀磨损较快、承载要求高。

本次试验选取最外沿的34#、35#刀位。除国内8不再参与外，其他8家单位均继续参加试验，另外邀请国外1和国外2两家国外制造商参与试验，共计10家。每个厂家分别提供2把刀具，依次进行试验、磨损量达到10mm或者出现偏磨、断刀圈等异常现象则试验结束。本次试验时，要求厂家对刀具进行检修，并换统一刃型的刀圈，除国外两家单位因生产周期原因外，其他单位均按要求提供刀具。试验期间总推力在4000～7200kN浮动，在试验截止时，各家刀具均未出现偏磨、断刀圈等异常损坏现象，每组刀具总的磨损量和掘进里程如表2所示。

表2 边刀试验统计表

表3 日常刀圈消耗情况统计

如表2所示，10家刀具在试验中，掘进里程28.4～64.73m，未有明显规律。那么采用总金属消耗量的方法评价，各家成绩和排名如表2中排名1所示，显然这次试验成绩的浮动比较大。边刀试验时，各家刀具在不同地层掘进，仅考虑单位金属消耗量显然是不能客观体现刀具的性能。用推力大小来代替地层系数，计算基于地层因素单位金属消耗量，具体公式如下文，计算结果如表2中排名2所示，最优和最差在-36%～44%浮动。可见在加入推力因素后，各家的成绩差异更大，再与正面刀试验各家成绩进行比较，仍未发现有关联性。综上，在统一刃宽和刃型的情况下，无论是从掘进里程、单位金属消耗量、叠加推力因素三个方面分析后，均未找到一致性的规律。验证了边刀磨损因素的复杂性，其磨损的规律性不强，从而证明传统认识中通过边刀掘进里程来判断刀圈耐磨性是不准确的。

单位金属消耗量=L/（ΔR·d）

基于地层因素单位金属消耗量=（L·（F-1000kN））/（ΔR·d）

式中，L为掘进里程，F为掘进是总推力，其中1000kN为盾体与地层的摩擦力。

3 长距离超硬岩掘进应对策略

对1#TBM 10月—4月份掘进过程刀圈消耗量进行统计，很容易发现2月、3月刀圈破岩量急剧变小，下图是2021年3月11日的掘进参数，推力一直维持在系统允许最大10500kN，但是，平均贯入度仅有1.6mm/rev左右，期间仅掘进9环。可见岩面抗压强度极高，刀具对岩层的比压没有产生有效裂纹，进而影响掘进效率。挖掘出来渣样少有块状，大部分是粉状，也证实了这一点。

采用准确度高且在TBM上应用广泛的CSM模型，对岩层强度进行推算，其公式如下：

式中，Fv1为垂直力，C为无量纲系数，取2.12，Φ为滚刀接触角，R0为滚刀刀圈半径；T为刀圈刃宽；ψ为刀圈刃口压力分布系数，一般取0.1；S为滚刀刀间距；σc为岩石单轴抗压强度；σt为岩石单轴抗剪强度，取0.1σc。

将掘进时的相应参数，代入上述公式，推算出岩石的单轴抗压强度在200～230MPa。至此，找到了贯入度低、滚刀消耗大的主要原因。针对这种情况，采取以下应对措施：

（1）通过修改TBM操作系统，将掘进最大推力增至115000kN。

（2）将刃口由R10变更为R8，刃宽降低约15%。

（3）提前更换刀具，降低刀盘上刀具的平均刃宽。

在4月11日一次性更换17把刃口为R8的窄刃刀具，截至12日上午，贯入度未有明显的改善。4月12日中午将推力提高10%后，贯入度变为2～6mm/rev，即使在极硬地层平均也可达3～4mm/rev（图2、图3）。在采取相关措施后，滚刀对岩层的比压增大20%～25%，超过岩层的开裂强度，产生了有效碎裂，调整后单刀圈的破岩量也大大的提高。

4 结语

通过本文的刀具试验、长距离刀具的统计分析，得到以下结论：传统认识中通过边刀掘进里程来判断刀圈耐磨性是不准确的，用总金属消耗量来评价刀圈的耐用性更加准确。目前，国内TBM刀具具有较高性价比，能够满足大部分工况使用，但刀具的刃宽则需要根据围岩情况及时调整，同时实时调整掘进参数，使岩层产生有效开裂，进而降低换刀量，提高经济性。