基于TBM滚刀等效更换次数的滚刀寿命分析.pdf

引用格式:兴海,谢兴飞,龚秋明,等.基于 TBM 滚刀等效更换次数的滚刀寿命分析J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):535.XING Hai,XIE Xingfei,GONG Qiuming,et al.Service life analysis of disc cutter based on equivalent replacement times of disc cutter of tunnel boring machineJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):535.收稿日期:2022-12-13;修回日期:2023-04-24第一作者简介:兴海(1987),男,辽宁抚顺人,2011 年毕业于辽宁石油化工大学,机械设计制造及其自动化专业,本科,工程师,现从事 TBM、盾构施工生产及技术管理工作。E-mail:527303657 。通信作者:龚秋明,E-mail:gongqiuming 。基于 TBM 滚刀等效更换次数的滚刀寿命分析兴 海1,谢兴飞2,龚秋明2,黄 流2(1.中国水利水电第六工程局有限公司,辽宁 沈阳 110179;2.北京工业大学城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京 100124)摘要:为准确获取现场 TBM 滚刀的使用寿命,统计引绰济辽输水工程 2 标硬岩隧道中 TBM 滚刀的消耗量和累积磨损量,结合滚刀的磨损限定值,提出滚刀等效更换次数的概念用于计算滚刀寿命。根据隧道沿线的岩体条件,分析花岗岩和凝灰岩中不同围岩等级下的滚刀寿命变化规律,探究、类围岩中滚刀寿命与岩石单轴抗压强度和岩体体积节理数的相关性。研究结果表明:1)所提出的滚刀等效更换次数可以准确计算出滚刀在不同地层中的寿命,并反映出异常失效滚刀在不同围岩等级中的占比情况;2)在、类围岩中,滚刀寿命与岩石强度呈负幂函数关系,与岩体体积节理数呈正幂函数关系,随着岩石强度的降低及岩体节理的发育,滚刀寿命逐渐增加;3)在类围岩中,影响滚刀失效的因素复杂,异常失效滚刀占比大,滚刀寿命降低。关键词:TBM;等效更换次数;滚刀寿命;围岩等级;引绰济辽输水工程DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.064中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0535-09S Se er rv vi ic ce e L Li if fe e A An na al ly ys si is s o of f D Di is sc c C Cu ut tt te er r B Ba as se ed d o on n E Eq qu ui iv va al le en nt t R Re ep pl la ac ce em me en nt t T Ti im me es s o of f D Di is sc c C Cu ut tt te er r o of f T Tu un nn ne el l B Bo or ri in ng g MMa ac ch hi in ne eXING Hai1,XIE Xingfei2,GONG Qiuming2,*,HUANG Liu2(1.Sinohydro Bureau 6 Co.,Ltd.,Shenyang 110179,Liaoning,China;2.Key Laboratory of Urban Security and Disaster Engineering of the Ministry of Education,Beijing University of Technology,Beijing 100124,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To accurately collect the service life data of disc cutters of tunnel boring machines(TBMs),the consumption and cumulative wear of disc cutters of TBM boring in hard rock tunnel section of the Bid 2 of the Chaoer river to Xiliao river water conveyance project are counted.Then,the concept of equivalent replacement times of disc cutter is introduced to calculate the cutter service life based on cutter wear limit value.According to the stratigraphic changes along the tunnel line,the variation rule of cutter service life in granite and tuff rocks with different grades is analyzed,and the correlation between disc cutter service life and uniaxial compressive strength and rock volume joint number in grades and surrounding rocks is obtained.The results show the following:(1)The cutter equivalent replacement times can accurately calculate the cutter service life in different strata and reflect the proportions of abnormal failure cutters in different rocks.(2)In grades and surrounding rocks,the cutter service life has a negative power function relationship with rock strength and a positive power function relationship with rock volume joint number.With the decrease of rock strength and the development of rock joint,the cutter service life gradually increases.(3)In grade surrounding rock,the factors affecting the cutter wear are complex,the proportion of the abnormal failure cutters is large,and the cutter service life decreases.K Ke ey yw wo or rd ds s:tunnel boring machine;equivalent replacement times;disc cutter service life;surrounding rock grade;Chaoer river to Xiliao river water conveyance project隧道建设(中英文)第 43 卷0 引言随着 TBM 在硬岩隧道开挖中的广泛应用,作为TBM 破岩的核心工具,滚刀的检查及更换成为影响TBM 施工成本和工程进度的重要因素。在 TBM 掘进过程中,由于要承受破岩荷载、岩石磨擦以及岩渣冲击,滚刀会出现不同的失效形式。根据滚刀磨损的情况,可将滚刀的失效形式分为正常和异常失效 2 种,其中异常失效又包括滚刀偏磨、刀圈崩刃或断裂、挡圈脱落、轴承损坏等形式1。一旦这些失效滚刀不及时更换,会造成相邻大范围的滚刀一起损坏,甚至损坏刀盘,进而影响整个工程进展2。因此统计滚刀消耗量,确定滚刀失效形式,分析滚刀寿命在硬岩隧道中的变化规律极具理论及现实意义。针对滚刀失效形式、滚刀损耗及寿命等问题,国内外学者开展了大量的研究。万治昌等3、赵战欣4、秦银平等5根据隧道现场 TBM 换刀的统计资料,分析了 TBM 滚刀的不同失效形式,确定了不同安装位置滚刀的消耗量和磨损规律;Bruland6收集了大量的隧道施工掘进数据及换刀数据,考虑了变质岩和火成岩中磨蚀性矿物的含量,得出预测滚刀刀圈平均使用寿命的公式;Hassanpour 等7-8建立了一个综合滚刀磨损数据库,基于不同地层完整岩石的特性,提出了一种滚刀寿命经验预测模型;闫长斌等9、冯欢欢等10统计了滚刀在不同地层条件下的消耗量并分析了滚刀失效的影响因素。探究滚刀磨损的原因,可以合理估计滚刀的使用寿命,为现场换刀计划提供重要参考。根据现场统计分析结果,滚刀磨损是多因素综合作用的结果,其中地层条件又是影响滚刀寿命的主要因素11。Hassanpour等7应用回归分析法对伊朗 Karaj 引水隧道现场换刀数据与岩体特性进行了分析,发现岩石的维氏硬度与岩石单轴抗压强度对滚刀寿命的影响最大;杨延栋等12通过分析影响滚刀磨损的地质因素,得出岩石对滚刀磨损的地质影响是岩石等效石英含量和单轴抗压强度共同作用的结果;杜立杰等13基于东北某特长隧道现场 TBM 换刀数据,对刀盘不同位置滚刀的磨损规律以及滚刀磨损与围岩特征的相关性进行了研究;杨媛媛等14、闫长斌等15引入围岩 TBM 工作条件等级数,定性分析了滚刀消耗数量和围岩等级之间的关系。岩体分类方法将地层条件转换成量化参数,能够与滚刀寿命进行更直接的相关性分析,从而有助于合理制定滚刀更换计划。滚刀在使用期间可能会在不同地层中连续磨损最终达到失效,有的滚刀还需要调换安装位置,这些因素会对统计某区间段内实际滚刀更换次数造成误差。如何消除这些误差,准确统计不同地层中的滚刀更换次数,目前尚没有相关研究。本文结合滚刀累计磨损量和滚刀磨损限定值,提出滚刀等效更换次数的概念。基于引绰济辽输水工程 2 标隧洞段 TBM 的查刀数据,计算出不同地层中的滚刀寿命,分析滚刀寿命在不同围岩等级中的变化规律。1 工程背景 引绰济辽输水工程位于内蒙古东北部,从绰尔河引水至西辽河,向沿线城市及工业园区供水的大型引水工程。本文研究段位于该工程 2 标隧洞施工段的TBM2-1 掘进段,TBM 始发桩号 K66+138,终止桩号K55+714,其中获取数据分析标段为 K66+091 K58+268,总长 7 823 m。该掘进段隧洞直径为 5.2 m,埋深为 50150 m,围岩等级以类围岩为主,地层岩性主要为花岗岩、凝灰岩、熔岩。研究段工程地质纵断面见图 1。根据岩石矿物分析结果,花岗岩石英含量最大值为 25%,平均值为 19%;凝灰岩石英含量最大值为20%,平均值为 17.5%;熔岩石英含量最大值为 14%,平均值为 12.3%。图 1 工程地质纵断面图Fig.1 Geological profile of the project 为详细了解研究段内的岩体情况,现场跟踪了隧洞沿线岩体条件,对研究段内的隧道洞壁和掌子面进行地质素描,记录岩体情况以及掉块、渗水、节理、断层破碎带等地质现象。根据隧洞沿线岩体变化,从洞壁635增刊 1兴 海,等:基于 TBM 滚刀等效更换次数的滚刀寿命分析上采集了具有代表性的岩样,进行单轴抗压强度试验和 Cerchar 磨蚀性实验。该研究段内的岩石抗压强度为 5193 MPa,凝灰岩的 CAI 值为 3.033.38,花岗岩的 CAI 值为 3.63.77。根据国际岩石力学协会给出的岩石磨蚀性分级准则16可以看出,该研究段岩石对滚刀具有高的磨蚀性。该隧洞段采用敞开式 TBM 施工,整机长度为303 m,刀盘直径为 5.2 m,额定总推力为 11 340 kN,额定刀盘转矩为 3 340 kN m,最大刀盘转速为11.45 r/min。刀盘上共安装 34 把滚刀,采用螺旋线布置,中心刀 8 把(1#8#),为 43.18 cm(17 英寸)双刃滚刀;正滚刀 17 把(9#25#),边刀 9 把(26#34#),均为48.26 cm(19 英寸)单刃滚刀。刀盘滚刀布置见图 2。图 2 刀盘滚刀布置图Fig.2 Disc cutter layout of TBM2 现场滚刀更换及磨损分析2.1 滚刀更换数量统计 对研究段 TBM 换刀数据按照滚刀编号进行统计,滚刀更换次数见图 3。可以看出:1)不同类型滚刀的消耗量存在较大的差异,中心刀更换次数最少,但异常失效占比很大;2)正滚刀的更换次数相比中心刀略有增加,且不同安装位置处的正滚刀更换次数相差不大;3)边滚刀消耗量最大,且随着滚刀编号的增大更换次数急剧增加。不同类型滚刀的失效形式见表 1。研究段共更换了 714 把失效滚刀,其中正常失效 595 把,占总换刀数的 83.33%,异常失效 119 把,以偏磨为主。从不同类型滚刀失效形式的占比(见图 4)来看,边滚刀更换了414 把,占据了换刀总量的 57.98%,且失效形式大多为正常失效。由于边刀具有维持洞径的作用,其磨损量限值一般小于正滚刀,通常为 10 mm 左右,更换下来的滚刀会安装在正滚刀处继续使用。正滚刀换刀总数为 242 把,占据换刀总量的 33.89%,正滚刀的失效形式也主要表现为正常失效。中心滚刀虽然换刀次数少,但异常失效数量占中心滚刀失效总数的 55.17%。图 3 滚刀更换次数Fig.3 Cutter replacement times at different positions表 1 滚刀失效形式统计Table 1 Statistics of cutter failure forms把滚刀类型正常失效异常失效滚刀偏磨刀圈断裂刀圈脱落轴承损坏其他中心刀261012064正滚刀191387240边刀37815501512.2 滚刀累计磨损量统计分析 根据滚刀更换数据,对 TBM 刀盘 34 把滚刀在研究段内的累计磨损量进行统计分析。滚刀累计磨损量见图 5。值得注意的是,当滚刀发生异常磨损时,滚刀的磨损量是无法直接测量的。对于正常磨损的滚刀,其磨损量与相邻滚刀编号的磨损量相差不大,因此在计算异常滚刀磨损量时可选取相邻滚刀编号的滚刀采用线性内插法进行计算。735隧道建设(中英文)第 43 卷图 4 滚刀失效形式占比Fig.4 Proportion of cutter failure forms根据不同位置处滚刀的累计磨损量,计算出不同类型滚刀的平均累计磨损量,中心刀的平均累计磨损量为 83 mm,正滚刀的平均累计磨损量为 218 mm,边刀的平均累计磨损量为 555 mm。由图 5 可以看出:1)累积磨损量由中心刀过渡到面板刀相对比较平稳,整体会随滚刀编号增大而增大;2)但边刀的累计磨损量先随滚刀编号急剧增加,在 30#滚刀处达到最大累计磨损量(654 mm),然后累计磨损量随滚刀编号逐渐减少。结合滚刀的布置图来看,在相同 TBM 掘进距离下,随着滚刀编号的增加,滚刀安装半径增加,滚刀滚动距离越大,滚刀累积磨损量越大。对于边刀,因磨损限定值小,滚刀需要频繁更换,而新刀初始刃宽相对较小,加剧了边刀的磨损。但随着边刀安装半径的逐渐增大,刀间距在急剧减小,导致滚刀破岩量减小,滚刀磨损减少。因此,综合滚刀安装半径和刀间距 2 方面的因素,在 30#滚刀之前,安装半径占据主导地位,滚刀磨损量递增;30#滚刀之后,刀间距逐渐占据主导地位,磨损量递减。图 5 滚刀累计磨损量Fig.5 Cutter cumulative wear3 滚刀寿命的计算3.1 等效滚刀更换次数 TBM 在掘进过程中,地层是复杂多变的,一把滚刀从开始使用到最终失效可能会经历不同地层,也就无法界定一次滚刀更换所属的地层。另外,为了维持刀盘滚刀破岩的整体性,滚刀在使用期间需要调换位置,确保所有滚刀到掌子面的距离大致相同。最常见的是大多数新滚刀会先用作边刀,当磨损量超过边刀的磨损限定值时,该滚刀被换下,继续当正滚刀使用。以上情况会影响滚刀更换次数的统计分析,进而在分析滚刀寿命和磨损规律时会出现一定的误差。为了消除以上因素对换刀次数的影响,本文结合滚刀累积磨损量与滚刀限定值来计算滚刀更换次数。滚刀在磨损过程中难免会产生异常失效的情况,但异常失效滚刀也是 TBM 与岩体相互作用的结果,并非一种偶然现象。因此,统计滚刀更换次数时需要考虑异常失效滚刀,本文认为滚刀异常失效时磨损量达到其磨损限定值,直接记为一次换刀。对于正常失效滚刀而言,虽然滚刀在使用过程中安装位置会被更换,但滚刀在不同位置中产生的磨损量会被现场查刀记录下来。为了准确分析不同位置处滚刀的更换次数,定义滚刀累计磨损量与该滚刀磨损限定值的比值为滚刀等效更换次数。该工程 TBM 刀盘上 34 把滚刀的磨损限定值如表 2 所示。滚刀等效更换次数的计算如式(1)所示。Ni=Xix-i+N0i。(1)式中:Ni为刀盘上第 i 把滚刀的等效更换次数;Xi为第 i 把滚刀的累积磨损量,mm;x-i为第 i 把滚刀的磨损限定值,mm;N0i为刀盘上第 i 把滚刀因异常磨损更换次数。835增刊 1兴 海,等:基于 TBM 滚刀等效更换次数的滚刀寿命分析表 2 滚刀磨损限定值Table 2 Limit value of cutter wear滚刀编号磨损限定值/mm1#22#2523#2024#1825#16滚刀编号磨损限定值/mm26#1427#1328#31#1232#34#10研究段内34 把滚刀的等效更换次数见图6。1#22#滚刀的磨损限定值相同,皆为最大值 25 mm,故滚刀等效更换次数较少且整体相差不大。但某些位置处的滚刀等效更换次数因异常失效滚刀出现波动,如:2#和 4#滚刀没有异常磨损,换刀次数小于相邻滚刀;6#、8#和 12#滚刀的异常失效严重,导致等效更换次数增多;22#28#滚刀的等效更换次数随着磨损限定值的减少而急剧增加;29#34#边刀的累计磨损量大,随着其磨损限定值的进一步减小,导致其等效更换次数达到峰值,是正滚刀等效更换次数的 6 倍。将不同位置处的滚刀等效更换次数累加,34 把滚刀共计更换740 把,大于现场实际总换刀数(714 把),但两者差距并不明显。由于正常失效滚刀更换时,其磨损值往往要小于磨损限定值,所以计算出来的滚刀等效更换次数大于实际滚刀更换次数是符合实际情况的。因此,可以采用该参数进一步计算滚刀寿命。图 6 滚刀等效更换次数Fig.6 Equivalent replacement times of cutters3.2 平均滚刀寿命计算滚刀受多种因素的影响产生磨损,失效后的滚刀会影响整个 TBM 的掘进性能,降低 TBM 掘进速度。但滚刀磨损对 TBM 掘进效率的影响不仅仅是某一把滚刀所决定的,而是刀盘上整体滚刀的综合破岩结果。滚刀等效更换次数是根据磨损量计算得到,所以采用这种方法可以计算出任意区间段内不同滚刀的更换次数。采用滚刀等效更换次数可以得到任意区间段内滚刀的平均寿命,如式(2)所示。Hf=D2L4ni=1Ni。(2)式中:Hf为滚刀平均寿命,m3/cutter;D 为 TBM 刀盘直径,m;L 为 TBM 掘进距离,m。4 不同地层条件下的滚刀寿命变化4.1 不同围岩条件下的滚刀寿命 采用滚刀寿命计算式来分析地层条件对滚刀寿命的影响,可以预测出不同地层中滚刀消耗量,为换刀规划提供参考,合理制定施工预算。根据 GB 504872008水利水电工程地质勘察规范17附录 N 围岩工程地质分类规定,结合工程地质勘察报告以及现场地质素描结果,将该研究段的地层划分为、类围岩,分别对不同围岩等级下的滚刀寿命进行统计分析。本研究段的岩石有凝灰岩和花岗岩 2 种岩性,由于凝灰岩和花岗岩中石英含量不同,岩石磨蚀性不同,但现有的围岩分类系统中并没有考虑岩石磨蚀性的影响,鉴于本文主要研究不同围岩等级中的滚刀寿命的变化,故将 2 种岩性分开讨论。4.1.1 类围岩中滚刀寿命的变化 不同围岩等级下的滚刀寿命如图 7 所示。在 2 种岩性的岩石中,滚刀寿命随围岩类别的变化趋势是一致的。在不考虑异常失效滚刀时,、类围岩中的滚刀寿命比较接近,远远高于类围岩中的滚刀寿命;在考虑异常失效滚刀时,虽然滚刀寿命整体降低,但类围岩中的滚刀寿命降低更加明显。由此可见,异常失效滚刀对计算不同地层条件下滚刀寿命的变化有着重要影响,不能直接忽略。935隧道建设(中英文)第 43 卷图 7 不同围岩等级下的滚刀寿命Fig.7 Cutter service life in different grades of rocks4.1.2 滚刀寿命在 2 种岩性中的对比 在凝灰岩地层中,类围岩下的滚刀寿命为236.18 m3/cutter,类 围 岩 下 的 滚 刀 寿 命 为314.31 m3/cutter,类 围 岩 下 的 滚 刀 寿 命 为280.2 m3/cutter;在花岗岩地层中,类围岩下的滚刀寿命为 175.57 m3/cutter,类围岩下的滚刀寿命为220.75 m3/cutter,类 围 岩 下 的 滚 刀 寿 命 为196.77 m3/cutter。可以看出,滚刀在凝灰岩中的寿命整体都要高于花岗岩。结合 2 种岩石的物理力学试验结果来看,凝灰岩和花岗岩的单轴抗压强度相差不大,但花岗岩中石英含量高,岩石磨蚀性高于凝灰岩,导致滚刀在花岗岩中磨损的更快,滚刀平均寿命也更低。4.2、类花岗岩中滚刀寿命与岩体参数的关系4.2.1 建立数据库 由于围岩等级是综合岩石强度、岩体完整性、结构面状态等性质的评价指标,无法反映单一岩体参数对滚刀寿命的影响,故本文选取典型岩体参数来深入分析不同地层下的滚刀寿命。岩石强度和岩体完整性指标已经被广泛地应用于岩体质量评价中,而且在很多分类系统中都占有较大比重,如:RMR、BQ、水利水电围岩分类等。故本文从岩石强度和岩体完整性 2 部分来分析岩体参数与滚刀寿命之间的相关性。根据隧道沿线岩体条件的变化,本文将研究段划分为 21 个花岗岩区间段,并分别统计出 21 个区间段的岩体参数和滚刀寿命,如表 3 所示。21 个区间段中有 6 个类花岗岩区间,15 个类花岗岩区间。由于研究段中凝灰岩与类花岗岩地层长度较小,获取的岩体参数不具备代表性,故在此不进行分析。表 3 不同区间段岩体参数与滚刀寿命Table 3 Rock parameters and cutter service life in different section区间围岩等级单轴抗压强度 Rc/MPa岩体体积节理数 Jv滚刀寿命/(m3/cutter)1656.11227.6826510.5218.093685.96188.78474.52.8130.07567.98.5203.78670.87.8187.437673160.09862.313.3239.99962.85198.8710645205.511165.210.3221.50区间围岩等级单轴抗压强度 Rc/MPa岩体体积节理数 Jv滚刀寿命/(m3/cutter)1263.086.37205.531369.5510.4209.631456.516.4311.051554.5714.5304.4416624.8194.8717608.9232.8818703149.911959.557.5212.3320606.5203.96215811.5254.954.2.2 滚刀寿命与 Rc、Jv的关系 单轴抗压强度(Rc)可以反映岩石的坚硬程度,这直接影响到滚刀破岩的难易程度。在研究区间段内选取具有代表性的岩体开展取芯工作,并进行相应的岩石物理力学试验获取岩石的单轴抗压强度。绘制、类花岗岩中滚刀寿命与 Rc的关系如图 8(a)所示。可以看出,滚刀寿命与单轴抗压强度呈负幂函数关系,随着岩石强度增加滚刀寿命降低。岩体体积节理数(Jv)是指单位体积岩体中节理的条数,它是定量描述岩体完整性的重要参数。根据洞壁素描和掌子面素描,并结合地质勘查报告计算得到不同区间段内的岩体体积节理数 Jv。滚刀寿命与 Jv之间的关系如图8(b)所示。滚刀寿命与岩体体积节理数呈正幂函数关系,随着 Jv的增加,岩体更加破碎,导致滚刀寿命增加。由图 8 可以得出:1)类围岩中岩石坚硬,岩体完整性好,造成单把滚刀承受荷载增加,滚刀侵入岩体045增刊 1兴 海,等:基于 TBM 滚刀等效更换次数的滚刀寿命分析深度减小,单位破岩体积下滚刀与岩石磨擦距离增加,滚刀磨损加剧,滚刀寿命降低;2)在类围岩中,岩石强度和岩体完整性相比类围岩低,有利于滚刀的破岩,滚刀寿命增加。(a)滚刀寿命与 Rc的关系曲线(b)滚刀寿命与 Jv的关系曲线图 8 滚刀寿命与岩体参数的关系曲线Fig.8 Curve of cutter service life and rock parameters4.2.3 滚刀寿命与岩体参数的多元回归拟合 从上述分析结果来看,岩石强度和岩体完整性是影响滚刀寿命的关键因素,只采用其中任一因素来判断岩体对滚刀寿命的影响都是不全面的。滚刀寿命与Jv/Rc的关系曲线如图 9 所示。通过多元回归分析的方法综合考虑岩石强度和岩体完整性对滚刀寿命的影响。最后拟合滚刀寿命与单轴抗压强度和岩体体积节理数的关系,并得出拟合公式如式(3)所示。Hf=582.91JvRc+137.79。(3)式(3)表明滚刀寿命与岩体体积节理数和岩石单轴抗压强度的比值成线性正比例关系。在、类花岗岩中,该拟合公式的决定系数达到了 0.872 8,远大于单参数拟合公式的决定系数,这表明采用多元回归得到的滚刀寿命拟合公式可以进一步评价岩体参数与滚刀寿命的关系,从而有助于提前预测不同地层中的滚刀寿命,制定合理的换刀计划。图 9 滚刀寿命与 Jv/Rc的关系曲线Fig.9 Curve of cutter service life with Jv/Rc4.3 类围岩中滚刀寿命的分析 根据围岩等级的分类标准,随着围岩等级的增加,Rc逐渐降低,Jv逐渐增加。结合上面的分析,在岩石强度低与岩体破碎的地层条件中,滚刀磨损减小,滚刀寿命增加。但从图 7 可以看出,类围岩中的滚刀寿命并没有增加,反而低于类围岩。对于类围岩,岩石强度和岩体完整性进一步降低,当岩体破碎严重时,滚刀破岩可能会产生大的岩块,直接对滚刀产生冲击,造成 TBM 卡刀以及刀圈崩刃等情况,导致异常失效滚刀增多。不同围岩等级下的滚刀失效形式占比如图 10 所示。类围岩中异常失效滚刀的占比要大于、类围岩,因此异常失效滚刀是导致类围岩中滚刀寿命降低的关键。图 10 不同围岩等级下的滚刀失效形式占比Fig.10Proportion of cutter failure forms in different grades of rocks此外,TBM 前方的岩体越破碎,掌子面就越不平145隧道建设(中英文)第 43 卷整,一方面可能会导致 TBM 刀盘堵塞,滚刀受到明显的冲击荷载,刀盘振动加剧;另一方面也可能会导致与掌子面接触的滚刀数量减少,总推力由部分滚刀承担,可能会超过滚刀所能承受的荷载。TBM 的掘进参数是在特定地质条件下 TBM 与围岩相互作用的真实反映,但目前 TBM 施工中掘进参数的选择和控制主要凭借人为经验做出判断和调整。由于类围岩中地质条件复杂多变,可能会导致掘进参数与地层条件匹配性差,过大的贯入度和刀盘转速也会造成滚刀异常磨损的增加。5 结论与建议 本文对引绰济辽输水工程 2 标 TBM 硬岩隧道施工段中滚刀的失效形式和累计磨损量进行了统计分析,提出采用滚刀等效更换次数来计算滚刀寿命,并研究了不同地层条件中滚刀寿命的变化规律。主要结论如下:1)结合滚刀累计磨损量和磨损限定值提出了滚刀等效更换次数的概念,消除了因滚刀位置更换对滚刀更换次数计算产生的误差。通过采用滚刀等效更换次数可以进一步计算出不同地层条件下的平均滚刀寿命。2)岩石强度和岩体完整性是影响滚刀寿命的关键因素,滚刀寿命随岩石强度和岩体完整性的增加而降低。通过多元回归拟合,得出、类花岗岩中滚刀寿命与岩体体积节理数和岩石单轴抗压强度的比值呈线性正比例相关,且相关性显著。3)由于类围岩中的岩石强度高且岩体完整性好,类围岩中异常滚刀多、掌子面不平整以及掘进参数的匹配性差,故滚刀在这 2 类围岩中的寿命都要比在类围岩中的寿命短。针对类围岩中滚刀异常磨损严重的情况,后期可以收集刀盘振动、滚刀受力以及实时掘进参数等数据,从多角度、多层次去分析类围岩中滚刀寿命的影响因素。由于本文基于依托工程中的、类花岗岩拟合得到滚刀寿命预测公式,岩体样本较少,后期还需结合更多工程实例数据,进一步完善滚刀寿命数据库,验证该经验公式的准确性,从而为制定合理的换刀规划以及施工预算方案提供参考。参考文献(R Re ef fe er re en nc ce es s):1 龚秋明.掘进机隧道掘进概论M.北京:科学出版社,2014.GONG Qiuming.Introduction to TBM tunneling M.Beijing:Science Press,2014.2 LIU Q S,LIU J,PAN Y,et al.A wear rule and cutter life prediction model of a 20-in.TBM cutter for granite:A case study of a water conveyance tunnel in China J.Rock Mechanics and Rock Engineering,2017,50(5):1303.3 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