盾构滚刀正常磨损规律分析与预测 ———以珠海兴业快线工程为例

0 引言

盾构法具有自动化高、施工效率高、安全性高以及对周边环境影响小等特点，已经逐渐成为城市地下交通工程建设的主要施工方法。滚刀作为盾构的关键掘进装置，其磨损情况对盾构施工效率、施工质量和施工安全至关重要，当滚刀磨损到一定程度或出现异常磨损时，不仅会降低掘进效率，还会增加工程风险和成本 ^[1-2] 。因此，分析滚刀磨损规律、建立磨损量预测模型的研究显得尤为重要。

滚刀磨损主要是滚刀在掘进过程中刀具与岩体发生相互作用导致的，与围岩强度、掘进参数、刀具布置等因素相关。目前，国内学者对滚刀磨损情况进行了大量研究。袁立斌等^[3]依托成都地铁17号线工程，对富水卵漂石地层滚刀磨损规律进行了研究，并建立了基于现场实测数据的滚刀磨损预测模型；秦银平等^[4]基于现场试验，对滚刀磨损量及破岩量进行统计分析，建立了滚刀磨损预测模型；冯欢欢等^[5]依托引汉济渭秦岭隧洞、中天山隧道等工程，通过统计刀具在不同地质条件下的磨损情况，分析了刀具磨损的影响因素，进而对刀具的使用及管理提出优化建议；段志伟等^[6]基于新疆EN隧洞工程，对比了不同围岩强度下国产刀具的性能，分析得到滚刀在泥灰岩地层的磨损率是闪长岩和花岗岩的 1 / 8 ；李强等^[7]依托杭州地铁2号线某盾构区间工程，分析了上软下硬地层的刀具磨损情况及掘进参数异常现象，提出了相应的处理措施和延长刀具使用寿命方法；朱牧原等^[8]依托京张高铁清华园盾构隧道工程，分析了刀具磨损量随切削轨迹长度的变化特点，对刀具更换与掘进参数控制提出相应的改良措施；韩冰宇等^[9]引入了BP神经网络方法，通过掘进参数对滚刀在复合地层的磨损量进行预测；闫长斌等^[10]通过拟合分析刀具磨损数据，建立了不同围岩和不同滚刀直径条件下刀具磨损的预测方法，并通过现场试验，在兰州水源地输水隧洞工程得到验证；吴俊等^[11]采用Rabinowicz磨粒磨损公式对盾构刀具磨损进行了预测；曾锋等 ^[12] 根据磨粒磨损机制，建立了滚刀磨损预测模型；Shen等 ^[13] 对刀盘推力分布不均匀问题进行分析研究，建立了推力分布系数的计算方法；Rong等 ^[14] 基于现场掘进参数数据，建立了掘进参数与磨损量之间的定量关系。

综上所述,针对滚刀磨损规律和预测研究,国内专家积累了大量的工程经验,并取得了一定的研究成果。但由于滚刀与地层相互作用的复杂机制、盾构掘进过程中复杂的地质条件,造成滚刀的磨损规律尚未完全揭示清楚,而滚刀磨损预测模型的适用性只针对特定工程。因此,本文依托珠海兴业快线超大直径盾构隧道工程,提出等效磨损量概念,分析滚刀在不同地层的磨损规律,并结合每环掘进参数建立磨损预测模型,以期为盾构快速高效施工提供参考。

1 工程项目简介

1.1 工程概况

珠海兴业快线超大直径盾构隧道工程,南起板樟山北侧工作井北侧,北至梅华路工作井,线路全长约2.3 km,如图1所示。主线盾构隧道长1739.484 m,从银桦路工作井始发,至板樟山工作井接收,盾构管片外径为15.2 m,采用泥水气压平衡盾构,刀盘开挖直径为15.76 m,盾体长17.125 m,盾构总长约为135 m。

图 1 兴业快线超大直径盾构隧道工程总体线路平面图

工程地质较为复杂,主线盾构穿越软土层长约350 m, 全断面中风化花岗岩 (岩石平均强度为 73 MPa, 最高可达 131 MPa) 长约 660 m, 上软下硬的软硬不均段长约 729 m, 盾构掘进过程中存在刀具磨损严重的风险。隧道沿线地质情况如图 2 所示。

图 2 隧道沿线地质剖面图

1.2 刀盘刀具配置

本工程盾构刀盘为带压刀盘,采用8辐条+8面板形式,开口率为30%,如图3所示。刀盘上装有142把滚刀,其中,中心双联滚刀10把,边缘滚刀24把,正面滚刀108把,滚刀直径为483 mm。

图3 盾构刀盘

2 现场换刀统计

2.1 掘进地质情况

2.2 掘进参数统计分析

各区段掘进参数变化趋势如图 5 所示。由图可知,始发—128 环地层以软土为主,其推力、推进速度和转速波动较小,而转矩波动较大,是因为该掘进段有易造成刀盘结泥饼的液化砂层等特殊地层,导致滚刀切削地层的阻力增大而出现转矩波动较大的现象;而 129—174 环同为软土层,但该掘进段没有类似液化砂层等易导致刀盘结泥饼的特殊地层,所以 4 个掘进参数均在小范围内波动;175—259 环地层软硬不均且存在孤石基岩段,4 个掘进参数波动明显,转速波动尤为突出;260—397 环地层软硬不均且掘进距离最长,推力和转矩的变化呈现随掘进距离增加而增加的趋势,而推进速度却呈现先增大后减小的趋势,这是因为滚刀出现较大磨损,从而导致推进速度减小、掘进效率降低。

图 5 各区段掘进参数变化趋势

2.3 分区滚刀磨损统计分析

2.3.1 滚刀磨损类型统计分析

滚刀磨损包括均匀磨损和异常磨损，均匀磨损指滚刀沿刀圈圆周方向上的磨损量相近，异常磨损指除了均匀磨损之外的磨损类型 ^[15] 。在本项目中异常磨损主要表现为偏磨、刀圈脱落、刀圈变形和刀圈崩裂，如图6所示。偏磨是滚刀在软土或软硬不均地层掘进时刀盘给予滚刀的切向力小于滚刀与地层间的摩擦力情况下，滚刀发生滑动而导致刀圈出现的不均匀磨损现象；刀圈脱落是滚刀频繁受到振动和冲击使刀圈与刀轴的连接出现损坏从而发生脱落的现象；刀圈变形和崩裂是滚刀在高应力条件下受到较大块体冲击或循环应力作用导致疲劳损伤的现象。

各区段刀具磨损情况如表1所示，已完成掘进段累计更换487把滚刀。均匀磨损为主要磨损类型，异常磨损以偏磨为主，偏磨刀具主要出现在175—259环(34把)和260—397环(38把)。由图4可知，175—259环和260—397环区段地层软硬不均，且175—259环存在孤石基岩段，该段长且岩石分布密集。199—223环区段孤石基岩段3D建模如图7所示。地层的复杂及不稳定性导致滚刀在切削过程中受力不均匀而出现大量偏磨刀具；129—174环区段偏磨滚刀有24把，由于刀盘配置有71把初装旧刀，为保证新旧刀均参与切削地层，该掘进段平均推进速度为 11.84mm / min ，平均转速为 1.006r / min ，平均推力为 90133kN ，大于同为软土地层的始发—128环掘进段平均推力 79140kN ，如图5所示。旧刀主要分布在中心及正面区域，因其刀刃宽度大于新刀，从而与地层接触面积大于新刀，导致掘进过程中地层给予旧刀的摩擦力小于新刀，且旧刀启动转矩大于新刀，导致旧刀出现偏磨的概率大于新刀，所以该区段的偏磨主要出现在正面初装旧滚刀；始发—128环掘进区段地层以软土为主，需更换刀具共61把，其中偏磨刀具9把。

表 1 各区段刀具磨损情况

图 7 199—223 环区段孤石基岩段 3D 建模图

2.3.2 滚刀磨损量统计分析

滚刀磨损量受以下因素影响：1) 地层特征参数（包括 UCS、RQD 和石英含量等）；2) 刀具特性参数（包括刀具尺寸、刀圈硬度、刀圈材料耐磨性、刀刃宽度和形状等）；3) 刀盘和刀具的布局（包括刀间距、刀高及刀高差等）；4) 异常磨损（包括转矩不足导致的偏心磨损、密封不当而漏油，导致卡刀、刀具和零件的重复使用，造成刀具非正常损坏等；刀具调整增加了高度差，从而加剧了突出刀具的磨损；边缘区域的滚刀切换到内部区域使用等）；5) 手动测量误差。

滚刀磨损受多种因素影响,无法考虑所有影响因素并排除异常情况导致滚刀磨损量统计存在差异,但通过统计分析手动测量的磨损数据可以获得滚刀磨损的总体趋势,这对于分析滚刀的磨损能力具有重要意义。

通过人工手动测量滚刀的磨损量,当测量所得滚刀超过允许磨损量时(中心滚刀允许磨损量为10 mm,正面滚刀允许磨损量为20 mm,边缘滚刀允许磨损量为5 mm),需对滚刀进行更换;同时为了保证掘进效率,相邻滚刀磨损量相差超过8 mm的滚刀也需进行更换。

各区段不同安装半径滚刀均匀磨损及偏磨量统计如表2所示(同轨滚刀取磨损量最大值)，取均匀磨损量统计如图8所示。滚刀磨损量主要呈现随安装半径增大而增大的变化趋势，因为安装半径越大，滚刀与地层间摩擦做功消耗越多，所以安装半径越大，滚刀磨损量越大。

表 2 各区段不同安装半径滚刀均匀磨损及偏磨量

(a) 始发—128 环

(b) 129—174 环

(c) 175—259 环

(d) 260—397 环
图 8 各区段滚刀累计磨损量

由图 8(a) 可知, 始发—128 环掘进段因地层以软土为主, 滚刀磨损量随安装半径的增大而缓慢接近平均值 11.27 mm; 超过平均值后, 磨损量增长速度加快并迅速超过允许值。

129—174 环掘进段地层主要为砾质黏土，且在刀盘中心及正面区域布置大量初装旧刀，整体磨损量变化呈现随安装半径增大而减小的趋势，如图 8(b) 所示。因为现场滚刀刀刃刃口硬度呈梯度分布逐渐降低（见图 9），即旧刀刃宽大于新刀且硬度也低于新刀，而盾构刀具磨损是由多种不同磨损形式组成的，包括黏着磨损、磨粒磨损、疲劳磨损和腐蚀氧化磨损，其中黏着磨损和磨粒磨损是主要类型，且随着材料硬度的降低而加剧 ^[16] ，所以在保证新旧刀均参与切削地层的情况下，旧刀磨损量大于新刀。

图 9 刀圈硬度梯度分布

175—259 环掘进段地层软硬不均且有长孤石基岩段, 滚刀磨损量随安装半径增大而迅速接近平均值 16.03 mm, 并在接近允许值后增长速度由急变缓, 如图 8(c) 所示。

260—397 环区段地层软硬不均,且掘进距离最长,磨损量随安装半径增大而增大的速度均超过前 3 个掘进段,少量安装半径较小的滚刀磨损量小于允许值,如图 8(d) 所示,平均磨损量为 27.03 mm,4 个掘进段边缘滚刀磨损量均超过允许值。

综上所述,滚刀磨损量与安装半径、刀刃宽度、地层类型及掘进距离密切相关,分别与其互为正相关关系。

3 滚刀磨损量预测模型的建立

已知滚刀磨损量与安装半径、刀刃宽度、地层类型和掘进距离密切相关，而建立磨损量预测模型需要进一步定量分析滚刀磨损量变化趋势。本文通过计算不同安装半径滚刀的每环磨损量，进一步分析等效磨损量与每环掘进参数之间的关系，建立两者之间的函数计算公式对等效磨损量进行预测，最后通过预测滚刀等效磨损量获得滚刀预测累计磨损量，从而建立滚刀磨损量预测模型。

3.1 滚刀等效磨损量

将滚刀每环平均磨损量作为桥梁,以实现累计磨损量与每环掘进参数的相互对应。首先把累计磨损量换算成每环累计磨损量,然后将每环每把滚刀的累计磨损量求和取平均值,实现一个自变量对应多个因变量到一个自变量对应一个因变量的转换。具体流程如图 10 所示。

图 10 等效磨损量计算流程

通过计算不同安装半径滚刀的切削长度,分别计算不同位置滚刀的磨损系数,实现不同位置滚刀的磨损状态评估。

$$l_{ij}=2\pi R_i\times L\times N_j/v_j\circ$$

$$l_i=\sum _{j=1}^m{l}_{i\backslash j\circ }$$

$$k_i=\frac{{\beta }_i}{l_i}\circ$$

(a) 始发—128 环

(c) 175—259 环

$${\beta }_{i\backslash j}=k_i\times l_{i\circ }$$

$$\delta =\sum {\beta }_{ij}/n_{\circ }$$

式(1)—(5)中： l_i,j 为滚刀单环轨迹长度，m； R_i 为滚刀安装半径，m；L 为每环宽度，m； N_j 为转速，r/min； v_j 为推进速度，m/min； l_i 为滚刀累计轨迹长度；m 为环数； k_i 为不同安装半径滚刀磨损系数，mm/m； β_i 为不同安装半径滚刀某掘进区段累计磨损量，mm； β_i,j 为不同安装半径滚刀每环磨损量，mm； $\delta$ 为滚刀每环平均磨损量，mm；n 为滚刀个数。其中转速和推进速度从盾构实时监测储存系统中获取。

由式(1)—(5)计算得滚刀每环平均磨损量,如图11所示。由图可知,滚刀每环平均磨损量变化规律反映了不同的地质情况。始发—128环区段以软土为主,该区段平均磨损量变化趋势总体平稳,在0.04~0.14 mm波动;129—174环为单一的砾质黏土,因该区段有大量初装旧刀,平均磨损量主要在0.4~0.58 mm波动,且旧刀与地层接触面积大于新刀,刀盘整体受力不均匀,所以在掘进中段出现了0.26~0.58 mm的波动,总体变化趋势平稳;175—259环和260—397环区段地层软硬不均,滚刀磨损出现了3个阶段,分别为磨损较大的初期适应地层阶段、适应地层后的磨损平稳阶段及滚刀存在较大磨损后继续切削工作的磨损加剧阶段,若地层出现异常地质情况,如175—259环出现了孤石基岩区,则平均磨损量会出现突变。

(b) 129—174 环

(d) 260—397 环
图 11 各区段滚刀每环平均磨损量

3.2 等效磨损量随掘进参数的变化规律

基于统计分析,对推力和转矩进行参数分析,研究其对滚刀每环平均磨损量的影响规律及相关性,如图12所示。

(a) 推力

(b) 转矩
图 12 各区段平均磨损量与掘进参数的关系

由图 12 可知, 滚刀每环平均磨损量与推力和转矩拟合为线性函数, 均为正相关关系。随着推力和转矩的增加, 滚刀与地层的接触面积和摩擦力变大, 导致滚刀与地层切削时的消耗做功变大, 因此, 每环平均磨损量随推力和转矩的增大而增大。其中, 始发—128 环掘进区段地层强度较低, 每环平均磨损量随推力和转矩增加而增加的速度较其他掘进区段慢。

3.3 等效磨损量预测

由 3.2 节分析可知, 滚刀每环平均磨损量与推力和转矩之间具有很强的相关性。通过拟合工具, 采用逐渐扩充拟合数据库的方式, 建立包含以上 2 个掘进参数的滚刀每环平均磨损量预测公式。

因推力和转矩的数量级相差较大,拟合之前需先进行归一化处理,具体预测公式如下:

$${\delta }^{\prime }=a\ln F+b\ln T_{\circ }$$

式中： ${\delta }^{\prime }$ 为滚刀每环预测平均磨损量，mm；F 为推力，kN；T 为转矩，kN·m；a、b 为待求参数。

用已完成掘进段数据拟合公式预测下一掘进段滚刀每环平均磨损量,如表 3 所示。预测情况如图 13 所示。

表 3 滚刀每环平均磨损量预测公式

(a) 129—174 环(式①)

(b) 175—259 环(式②)

(c) 260—397 环(式③)
图13 滚刀每环平均磨损量实际值与理论值对比

3.4 滚刀累计磨损量预测

通过式(7)计算获得各区段每环每把滚刀的累计磨损量预测值 β_i^\prime ，然后将 β_i^\prime 累加获得每把滚刀的累计磨损量预测值，从而完成滚刀磨损量预测模型的建立。绘制各区段累计磨损量预测值和实测值对比曲线图，如图14所示。用该预测模型得到的预测累计磨损量与实测累计磨损量拟合度高,因此该磨损量预测模型对工程具备一定指导意义。

(a) 始发—128 环

$${\beta }_i^{\prime }=\sum _{j=1}^m{\delta }^{\prime }\times n\times \frac{{\beta }_{ij}}{\sum {\beta }_{ij}}。$$

式中 β_i^\prime 为滚刀累计磨损量预测值, mm。

(c) 175—259 环

b. 129—174 环

c. 260—397 环
图 14 累计磨损量实测值与预测值对比(式③、1 段)

4 结论与讨论

1. 结合隧道围岩参数, 统计分析了滚刀磨损类型和磨损特点。本项目的磨损类型主要为均匀磨损和偏磨, 进一步分析得到掘进地层软硬不均及滚刀为初装旧刀时滚刀易发生偏磨; 滚刀磨损量与安装半径、刀刃宽度、地层类型和掘进距离为正相关关系。

2. 提出了等效磨损量的概念, 分析得到等效磨损量变化规律反映了不同地质情况。在软土地层, 等效磨损量变化趋势总体平稳; 在软硬不均地层且未出现异常地质情况下, 等效磨损量变化出现 3 个阶段, 分别为磨损较大的初期适应地层阶段、适应地层后的磨损平稳阶段及滚刀存在较大磨损后继续切削工作的磨损加剧阶段; 若地层出现异常地质情况, 则等效磨损量会发生突变。

3. 根据现场实测数据发现, 等效磨损量与推力、转矩呈线性正相关。通过数据拟合,得到了包含推力和转矩的等效磨损量预测公式,将预测等效磨损量换算成滚刀累计磨损量,从而建立了滚刀磨损预测模型,并与现场实测累计磨损量进行对比,验证了该模型的准确性。

本文所提出的模型需要一定的掘进数据作为支撑，并且需要根据掘进进程对磨损系数进行适时更新，另外上软下硬地层的适用性需要进一步验证。因此，下一步将结合室内磨损试验和后续现场磨损数据，进一步验证等效磨损量计算方法及其变化规律的可靠性，并完善磨损预测模型。