复合地层中盾构刀具磨损的检测方法

复合地层中盾构刀具磨损的检测方法研究张厚美（广州市盾建地下工程有限公司，广州，510030）摘要：刀具磨损严重是盾构在复合地层中施工遇到的最大难题之一，刀具磨损检测技术是盾构施工的一个重要研究课题。本文结合实际工程对运用掘进参数检测刀具磨损的方法进行了探索研究。介绍了刀具失效的常用判断方法、运用掘进参数检测滚刀失效的原理、滚刀磨损或失效的判断方法以及工程应用实例。初步研究结果表明，掘进参数的计算原理是正确的，方法是可行的；计算值和实际值变化趋势是一致的；刀具磨损情况检测结果与实际换刀情况是相吻合的。经常进行刀具检查，尽早更换磨损或失效的刀具是正确的选择。主题词：盾构，刀具磨损，复合地层，检测模型，切削力，掘进参数Study on the method of estimating cutter wear of shield in mix-face groundZhang Hou-meiGuangzhou Municipal Dunjian Underground Construction Eng. CO.,Ltd., Guangzhou 510030,ChinaAbstract：One of the most difficult problem of shield tunneling in mix-face ground is the severe wear of cutters.How to estimate the cutter wear in mix-face ground is an important task for shield tunneling. The method estimating the cutter wear by analyzing the tunneling parameters is presented in this paper. General approaches for estimating the cutter wear ,the principle of estimating the cutter wear and an engineering example are also introduced.A comparison is made between the calculating parameters and the performance of shield in the field.Tt is shown that the method estimating the cutter wear is feasible, the estimation results are reasonable and in accordant with the case of cutters change.Examining the cutters regularly and changing the worn cutters in good time is necessary for shield tunnelling.Key words：shield,cutter wear, mix-face ground , estimating method, cutting force,tunneling parameter引言随着盾构机制造技术的发展，盾构机的适应地层范围越来越广，盾构技术不仅在比较均匀、单一的土层中得到广泛应用，也在各种软硬交替的复合地层中得到了应用。广州地区地质条件复杂，冲积相、海陆交互相的第四系广泛分布，三大岩类，即沉积岩、岩浆岩、变质岩发育齐全。其中流塑状淤泥层，易液化的粉细纱层，膨胀土、花岗岩残积土以及高强度花岗岩被称为广州地下工程建设的四大难题。此外还存在土洞、溶洞、球状风化体、断层破碎带、煤层等地质问题，隧道洞身穿越的地层具有典型的复合地层特征。近年来，随着广州地铁的大规模建设，复合盾构已机成为复合地层中修建地铁隧道选用最多的盾构类型。广州地铁在二号线、三号线建设中所引进的复合盾构机约占盾构总数的80%以上1。世界主要盾构机制造厂商的盾构机在广州得到了应用，在复合地层施工中遇到了严峻的挑战。目前，盾构掘进过程的刀具磨损状况判断主要还是凭经验、凭感觉，最有效的方法是停机后人工进舱检查，但人工检查是一项风险很高的工作。这种方法只能在稳定地层中使用，在不稳定地层中需首先进行地层加固或压气作业，代价很大。为了“减少”麻烦，施工中往往不愿主动停机检查，到无法再继续掘进了才被迫开舱检查。此时往往很多刀圈、轴承都已磨损、变形，一些变形严重的刀具经常无法顺利取出，增加更多麻烦，耽误更多的换刀时间。复合地层中盾构掘进过程的刀具磨损检测技术已成为迫切需要解决的问题。有鉴于此，本文拟结合广州市轨道交通四号线【大学城小谷围盾构区间】盾构工程硬岩段的施工情况，对刀具磨损检测方法进行一些探索研究。1 刀具失效的判断方法常见的刀具失效形式有：刀圈磨损、（多边）弦磨、刀圈断裂、崩刃、刀圈松动、轴承漏油、轴承磨损失效等，其中刀圈磨损是刀具正常损坏，其它形式属于非正常损坏。刀具磨损、失效的常见的判断方法有以下几种：（1） 异味添加剂这种方法适合在TBM中应用，例如在秦岭隧道所使用的WIRTH公司生产的滚刀，为了检测轴承失效情况，在其轴承润滑油中加入了具有异味的MOLYUAN添加剂，掘进中若刀具漏油，则放出刺鼻的异味，能很敏感地报告刀具损坏信息2。 这种方法在土压平衡式盾构和泥水式盾构中效果不佳。（2） 刀具磨损感应装置在刀具或刀盘内安装液压或电子传感器系统，一旦刀具磨损到一定程度就会自动报警指示。图1是海瑞克（Herrenknecht）公司提出的带有磨损探测器的刮刀原理图。该系统由探测器、发射器、接收器组成,采用线路连接，可在刀盘上安装8个这种特制刮刀。 图1 带有磨损探测器的刮刀原理图比较常见的滚刀磨损感应装置则是采用液压油缸从刀盘伸出至滚刀刃尖，通过比较伸出行程与磨损前行程的差值判断滚刀的磨损量。此外还有一些采用液压短路、光纤维短路或超声波等方式来判断滚刀磨损的感应装置。由于感应装置只能在少量刀具上安装，应用范围小，使用效果受到很大限制。（3） 掘进参数分析随着刀具的磨损，在推力不变的情况下，掘进速度一般会降低，扭矩增加，据此可以粗略估计刀具磨损情况。但由于掘进速度、扭矩受众多因素影响，包括推力变化、转速变化、地层变化、土舱压力变化等，故往往还难以直接用于判断。此外，若轴承损坏，刀具偏磨后，刀刃将与岩石表面发生剧烈摩擦，产生大量热量，导致渣土温度升高，故渣土温度异常时也可能意味着刀具失效。（4） 岩渣形状分析一般地，新刀产生的岩渣块度较大，多呈片块状，菱角分明，刀具磨损后，岩渣块度变小、粉末增加。此外还可留意观察渣土中有无金属块，崩裂的刀圈往往会随渣土一并排出。（5） 开舱检查这是最常用最直接最可靠的方法，停机后由人工进舱逐个刀具检查。在不稳定地层中，开舱前需首先进行地层加固或压气作业，方可入舱检查。2 运用掘进参数检测滚刀失效的原理随着盾构机技术的进步，现代盾构机都配备有先进的数据采集、传输、存储系统，可以对盾构掘进过程的各种掘进参数进行自动采集、记录。最基本、最重要的掘进数据包括：掘进速度、千斤顶总推力、刀盘扭矩、刀盘转速、土舱压力等。在总推力、刀盘转速不变的情况下，掘进速度、刀盘扭矩的变化主要与岩层性质和刀具磨损状况有关，刀具磨损后，掘进速度一般会降低，扭矩也会发生相应变化。一般地，掘进速度和扭矩之间并非独立的，掘进速度越大，滚刀切入岩石越深，扭矩就越大。故可以通过分析掘进速度和扭矩的变化来预报刀具的磨损情况。同时，由于掘进速度和刀盘扭矩还受岩石强度的影响，其它条件不变的情况下，岩石强度越大，掘进速度和刀盘扭矩就越低。故还必需研究掘进速度、扭矩与岩石强度的关系，以便判断引起掘进速度和扭矩变化的真实原因。2.1 滚刀切削力试验模型有关滚刀切削力模型，最早是从滚刀切削破岩试验中得出的，包括切削力与岩石强度、切削深度、切槽间距、切削面积、切削速度、切削半径、滚刀尺寸、形状等参数的关系，以及垂直切削力和水平切削力之间的关系等。（1） 切削力与岩石强度、切削深度的关系Graham (1976)对单轴抗压强度为140-200Mpa的岩石进行切削试验，得到的的关系式为3： （1）式中：P为每转进尺，mm/rev；Fn滚刀的平均推力，kN；c岩石单轴抗压强度，MPa。将上式变换后得切削力线性模型： （2）式中：kn为切削力系数，kn1/3940Hughes (1986)根据煤层中的切削试验数据，提出的关系式为4： （3）式中：D滚刀直径，mm，其余符合意义同上。上式只考虑单个滚刀破岩作用，即不考虑相邻滚刀对切削力的影响。将上式变换后得切削力幂模型： （4）式中：kn为切削力系数，m切削深度指数，m0.83。可见，切削力线性模型只是幂模型的一种特例。（2） 垂直力与水平力的关系在滚刀切削破岩试验中，大部分研究人员发现，滚刀垂直推力与水平滚动力之间是成比例变化的，水平滚动力与垂直推力之比定义为切削系数。Roxborough 和 Phillips (1975)假设单个滚刀的切削深度就等于TBM的每转进尺，由此得到切削系数5： （5）式中：Fr滚刀水平滚动力。Ce切削系数。由于实际施工中，滚刀切削深度远小于滚刀直径，故式（6）可简化为： （6）Hughes (1986)得到的切削系数关系式为： （7）简单变换后得到：可以看出，不同研究者得到的切削系数表达式基本上是一致的。2.2 有效推力、有效扭矩与切削力关系的推导根据切削力试验模型精确计算总推力、扭矩等掘进参数是很复杂的，作者在6文献中已有介绍。为简化起见，本文不考虑刀尖距对切削力的影响，即假设每把滚刀的切削深度是相同的。由此得到的推力和扭矩计算公式如下：（1）刀盘有效推力计算刀盘有效推力指推动刀具破岩所需的合力，不包括克服盾构前进的各种摩擦力和土舱土压力产生的反推力。有效推力由每个滚刀的垂直（法向）推力沿盾构机轴线方向的分力叠加而得： （8）式中：W刀盘有效推力；Fni第i个刀具的垂直（法向）推力；i第i个刀具法线与盾构机轴线的夹角；N刀盘上的刀具数量。将式（4）代入上式得： （9）（2）刀盘有效扭矩计算刀盘有效扭矩指由刀具切向力对刀盘旋转轴产生的合力矩，不含刀盘旋转遇到的摩擦力矩。 （10）式中：T刀盘有效扭矩；Fri第i个刀具的水平（切向）切削力；ri第i个刀具的旋转半径。由式（6）得：代入式（10）整理得： （11）（3）有效推力、扭矩表示的掘进速度式（11）是刀盘扭矩的计算公式，由于公式中含有岩石强度参数，还无法直接用于扭矩计算，故需进一步变换。由式（9）得： （12）将上式代入式（11）得： （13）根据切削深度与掘进速度、刀盘转速的关系，代入上式得： （14）式中：v掘进速度；n刀盘转速。对比式（11），上式已不包含岩石强度参数，可直接由掘进速度、刀盘转速、有效推力、刀具布置坐标参数计算出有效扭矩，岩石强度对扭矩的影响作用已隐含在掘进速度参数中。由式（14）变换得到掘进速度的计算公式： （15）2.3 总推力、总扭矩表示的掘进速度检测式式（14）、（15）是由单个滚刀切削力模型推导出的，式中对应的推力、扭矩是直接作用于破岩的有效推力和有效扭矩，不包括盾壳摩擦力和后续台车牵引力，也不包括刀盘旋转产生的摩擦力。而实际施工中还难以直接量测有效推力和有效扭矩，所记录的是包括各种摩擦力的总推力和总扭矩，故直接应用式（15）检测掘进速度将产生较大的误差，还必须进一步对式（15）进行变换。分别记总推力、总扭矩为Wt、Tt，则： （16）式中：W0、T0，分别为盾构掘进过程所受摩擦力和摩擦扭矩。记：，代入式（14）得：移项得： （17）根据上式可采用回归方法求出W0、T0，回代入式（15）得到： （18）式（17）、（18）是在滚刀完好情况下建立起来的总扭矩与总推力、掘进速度之间关系的半理论半经验公式，可直接采用掘进过程记录的总推力、总扭矩计算掘进速度。一般地，滚刀完好情况下，检测值与实际值之间的偏差值一般比较小；滚刀磨损后，检测值与实际值之间的偏差值将增大，故可通过对比掘进速度或扭矩的检测值与实际值之间的偏差值来预报滚刀磨损状况。3 滚刀磨损或失效的判断方法设滚刀完好情况下，掘进了L0米，采集了n0条掘进参数记录（Tti,Wti,vti,ni，i=1,2,3,. n0），按照式（18）计算出对应的n0个掘进速度检测偏差值（v1, v2, v3,vn0），可看作一个随机样本，其样本均值和样本方差分别记为（v0，s0）；继续掘进Lx米后，又采集了nx条掘进参数记录，同样得到nx个掘进速度检测偏差值（v1, v2, v3,vnx），其样本均值和样本方差分别记为（vx，sx），则判断盾构继续掘进Lx米后，滚刀是否明显磨损就等同于判断两个随机样本的均值差是否大于某一设定值，故可运用数理统计的t检验法来判断。构造下列统计量7： （19）式中：n0滚刀完好情况下掘进L0距离采集到的掘进参数样本容量；nx继续掘进Lx米后采集到的掘进参数样本容量；v0，s0分别为滚刀完好情况下的掘进速度检测偏差值的均值和方差；vx，sx分别为掘进Lx米后掘进速度检测偏差值的均值和方差；要检验的假设为： H0：v0vx=；H1：v0vx，若：v0vx （20）式中：设定的掘进速度检测偏差值的临界值，即当掘进Lx后掘进速度检测偏差值比滚刀完好情况下的掘进速度偏差值大时，判断滚刀显著磨损； 自由度为（n0nx2），显著性水平的t分布值，可查数理统计表得到。则在显著性水平下，拒绝H0，接受H1，即认为刀具显著磨损或失效。4 应用实例以广州市轨道交通四号线大学城专线【大学城小谷围盾构区间】盾构工程硬岩段掘进过程的滚刀磨损情况检测为例，说明如下： 4.1工程概况本工程线路总长度4000m，由两条圆形隧道组成，隧道内径5.4米，线间距约13m，覆土厚度530 m。设计采用盾构法施工。盾构机采用日本三菱公司生产的土压平衡式复合盾构机。刀盘开挖直径6290mm，开口率为37%。刀盘上可根据不同地层安装刮刀、先行刀、滚刀、鱼尾刀等刀具，其中硬岩段掘进，刀盘上共配备了8把双刃中心滚刀和23把单刃滚刀，见图2。刀盘中心区和正面区滚刀刀间距为90mm，边缘区域滚刀刀间距在1232mm之间。图2 盾构机刀具布置图隧道主要在类围岩和类围岩中穿过（南部和北部隧道），中部约有300米的全断面类、类围岩。硬岩段岩性以上元古界震旦系的灰、青灰色中等风化混合岩和微风化混合岩为主，其中微风化混合岩，岩石完整而坚硬，天然单轴极限抗压强度fc=31.5077.9MPa，平均53.44Mpa。硬岩段隧道线路纵剖面图见图3。图3 右线硬岩段隧道地质剖面图4.2 硬岩段掘进滚刀磨损情况右线始发以来，在土层及岩土交替地层中（主要为、地层）掘进约700米，累计更换滚刀107把，其中约80%滚刀出现偏磨失效。2005年3月3日右线盾构机过中间风井后即进入全断面微风化硬岩。硬岩段采用开舱模式掘进，总推力10000-25000kn，扭矩500-1500kn.m，掘进速度10-30mm/min，刀盘转速3.1rpm。由于混合岩研磨性高，刀具磨损严重。从552环整盘新刀开始二次始发掘进，掘进至666环，共掘进171米，进舱换刀10次，累计更换滚刀36把，平均每把滚刀掘进4.75m，见表1。硬岩段刀具失效的主要形式有：正常磨损、偏磨、刀圈断裂等，与岩土交替地层相比，偏磨已有所减少，但仍约占30%。表1 右线全断面硬岩段滚刀磨损情况统计序号换刀日期掘进环号换刀数量滚刀磨损状况12005-3-957172把菱形偏磨，其余磨损15-20mm22005-3-1157233把菱形偏磨15-20mm32005-3-125731磨损15mm42005-3-216062磨损15-20mm52005-3-246122磨损25mm62005-3-266237磨损15-20mm72005-3-306374磨损25-35mm82005-4-36502菱形偏磨92005-4-56605磨损25-35mm，2把偏磨102005-4-76663中心刀圈断1个，其余菱形偏磨4.3 滚刀磨损或失效的预报（1） 掘进速度检测式的建立盾构重新始发后一段时间，边缘滚刀磨损较大未及时更换，加上盾壳周围有小块岩石，使盾壳被卡，掘进过程的总推力比正常情况大很多（超过25000kN），实际预报从2005-3-26第6次换刀后开始。该次换刀7把，换刀数量较多，换刀后掘进第一环（即624环）时可以认为滚刀处于完好状态。故以624环的掘进参数作为基准建立总推力、总扭矩表示的掘进速度检测式如下： （21）由于刀盘转速在掘进过程保持不变，故上式中不含刀盘转速。掘进过程的推力曲线见图4。根据上式得到的624环掘进速度拟合值与实际值对比曲线见图5。可见，掘进速度拟合值与实际值的变化规律非常吻合。图4 右线624环掘进总推力曲线图5 右线624环掘进速度拟合值与实际值对比曲线（2） 掘进速度的检测在624环（点序号227-300）的后续掘进过程及时将各环的掘进参数代入式（21）计算出掘进速度的检测值，并将检测值与实际值进行对比，见图6。图6 右线624环至670环掘进速度检测值与实际值对比曲线从图可见，当掘进至628环（点序号606-680）时，实际掘进速度明显比检测的掘进速度低，据此可初步判断，掘进至628环时有部分滚刀可能已明显磨损或失效；到637环（点序号1386-1461）时，实际掘进速度与检测掘进速度又逐渐接近，查看换刀记录（表1），在637环更换了4把滚刀，刀圈高度已磨损25-35mm，换刀记录与检测速度的变化情况是相吻合的。后续其它各次换刀记录与检测速度的变化情况均是相吻合的，见图6。（3） 滚刀磨损或失效的判断以上根据掘进速度曲线变化情况可粗略判断滚刀磨损情况，由于在滚刀完好情况下，掘进速度也会产生较大的波动，为了消除这种掘进速度的随机波动产生的误判，需运用数理统计的t检验法来对掘进速度检测偏差值进行检验判断。取显著性水平0.01，掘进速度检测偏差的临界值0.50，即当掘进速度检测偏差值比滚刀完好情况下的掘进速度偏差值大50%时，我们以99%的概率判断滚刀显著磨损。据此分别对各环掘进速度检测偏差值进行检验，部分检验结果见表2。可见，从628环开始有滚刀出现显著磨损，637环换刀后掘进速度检测值又恢复正常，故检测结果与实际换刀情况是相吻合的。表2 右线滚刀磨损情况检验结果环 号624626628631637639样本容量n797575767674样本均值v-0.5-17.8-94.5-91.4-56.28.7样本方差s224.3108.03057.91498.6252.61061.0n0nx2/152152153153151Sw2/167.71603.8849.0238.2628.8(v0vx)/vx/17.394.090.955.7-9.2/55.065.561.256.059.7检验结果/接受假设拒绝假设拒绝假设接受假设接受假设备 注新换刀未显著磨损磨损磨损未显著磨损未显著磨损5 小结刀具磨损严重是盾构在复合地层中施工遇到的最大难题之一。刀具磨损或失效后若不能及时发现并更换，将导致刀圈超量磨损、断裂、轴承异常损坏甚至刀盘严重磨损，大大降低掘进破岩效率。经常进行刀具检查，并尽早更换磨损或失效的刀具是正确的选择。本文的研究结果表明，将滚刀台架切削破岩试验模型应用于现场掘进参数的计算的原理是正确的；据此得到的掘进速度计算值和实际值变化趋势是一致的；刀具磨损情况检测结果与实际换刀情况是相吻合的。刀具磨损检测技术是复合地层中盾构掘进技术的一个重要研究课题，本文提出的根据盾构掘进参数检测刀具磨损情况的方法，是一项探索性研究，目前还未见相关文献报道，有待实际工程的进一步验证和深入研究，希望本文能起到抛砖引玉的作用。目前的研究成果仅针对开舱掘进的情况，未考虑土压力的影响因素。在