趙海峰，王召遷，齊 鵬，朱立達

(1.北方重工集團有限公司全斷面掘進機國家重點實驗室，遼寧沈陽 110141；2.中鐵工程裝備集團有限公司，河南鄭州 450016；3.沈陽盾構(gòu)設備工程有限公司，遼寧沈陽 110013；4.東北大學，遼寧沈陽 110869)

貫入度對TBM滾刀破巖軌跡偏移影響的試驗研究?

趙海峰1，王召遷2，齊 鵬3，朱立達4

(1.北方重工集團有限公司全斷面掘進機國家重點實驗室，遼寧沈陽 110141；2.中鐵工程裝備集團有限公司，河南鄭州 450016；3.沈陽盾構(gòu)設備工程有限公司，遼寧沈陽 110013；4.東北大學，遼寧沈陽 110869)

滾刀破巖軌跡偏移影響因素是TBM刀盤結(jié)構(gòu)和刀具布置設計，以及掘進機位姿自動調(diào)整的重要的基礎研究內(nèi)容，貫入度則是影響滾刀偏移的一個重要因素。在全斷面掘進機國家重點實驗室研制的“刀具破巖與耐磨研究試驗臺”進行滾刀破巖試驗基礎上，對滾刀軌跡偏移距離進行數(shù)據(jù)檢測、分析和處理，得到了貫入度對滾刀垂直偏移和橫向偏移的影響規(guī)律。

硬巖掘進機；滾刀；試驗臺；破巖軌跡；貫入度

0 引 言

硬巖掘進機(簡稱TBM)是集掘進、排碴、襯砌等功能為一體的大型高端成套技術(shù)裝備。TBM所需的核心技術(shù)高度集成，技術(shù)附加值高，可以作為代表國家裝備制造能力水平的標志性產(chǎn)品。

TBM要求刀盤結(jié)構(gòu)及刀具能夠承受強沖擊掘進載荷，并傳遞足夠大的破巖能量，同時要求刀具布置設計必須考慮防磨損和抗磨損問題。刀盤刀具性能與地質(zhì)條件、施工參數(shù)、刀具布局模式等因素之間的映射關(guān)系極其復雜，刀盤刀具系統(tǒng)的設計難度很大。目前，國內(nèi)外尚未建立公認的載荷精確計算模型，TBM設計缺乏依據(jù)。因此，滾刀破巖軌跡偏移影響因素是硬巖掘進機刀盤結(jié)構(gòu)和刀具布置設計所需研究的關(guān)鍵技術(shù)問題。

導向系統(tǒng)作為盾構(gòu)機的“眼睛”，在隧道施工中起著至關(guān)重要的作用。而掘進機位姿自動調(diào)整研究是未來掘進機技術(shù)發(fā)展方向之一。在實際隧道掘進過程中，需確定掘進機的實時位置和姿態(tài)，以確保TBM沿著設計的預定線路掘進，從而保證施工質(zhì)量。掘進機姿態(tài)的控制質(zhì)量直接影響到隧道掘進方向的控制精度，對隧道管片的拼裝質(zhì)量同樣也有影響。因此，通過對滾刀破巖軌跡偏移影響因素的研究，能夠確定滾刀偏移規(guī)律，從而為掘進機姿態(tài)調(diào)整及自動控制提供堅實的技術(shù)基礎。

以往的滾刀破巖研究是在基于模擬仿真或現(xiàn)場施工數(shù)據(jù)收集統(tǒng)計的基礎上進行的。仿真模擬可以從微觀上解釋巖石的破碎過程，但是無論在材料的仿真還是失效準則的選取上，仿真模擬均與實際的工程有很大差距?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)收集則存在材料不一致、檢測困難等因素，所得數(shù)據(jù)變化差異過大的問題。

北方重工集團有限公司的全斷面掘進機國家重點實驗室研制出國內(nèi)第一臺用于線切割的“刀具破巖與耐磨研究試驗臺”。本文研究的貫入度對硬巖掘進機滾刀破巖軌跡偏移影響是基于此試驗臺所進行的滾刀破巖實驗基礎上進行的。在進行了大量不同掘進參數(shù)的切割試驗過程中，測量滾刀破巖運動中由于巖石的不均質(zhì)性導致的位移偏移數(shù)據(jù)，對比分析了掘進參數(shù)對破巖軌跡偏移的影響規(guī)律，得到針對花崗巖切割的最優(yōu)貫入度參數(shù)標準。

1 盤形滾刀破巖受力分析

TBM掘進破巖的關(guān)鍵部件是其連續(xù)轉(zhuǎn)動的刀盤上的盤形滾刀，其受力狀況是設計TBM的關(guān)鍵技術(shù)因素。盤形滾刀的受力有垂直推力、滾動力和側(cè)向力，如圖1所示。垂直推力關(guān)系到推進液壓缸及液壓系統(tǒng)的設計，滾動力是確定刀盤驅(qū)動電動機功率和刀盤傳動機構(gòu)設計的主要依據(jù)，而側(cè)向力則涉及到全斷面巖石掘進機工作的穩(wěn)定性等技術(shù)問題。

因此，對刀具進行力學分析是確定TBM整機技術(shù)參數(shù)核心基礎工作。

圖1 盤形滾刀受力模型

在均一完整的巖石中，滾刀受到的主要是垂直壓力，受到的側(cè)向力并不大，主要是滾刀在繞大軸承公轉(zhuǎn)時破碎巖石的過程中，其外側(cè)切割巖石量必然大于內(nèi)側(cè)，因此側(cè)向力是指向公轉(zhuǎn)軸心的。由于實際的掌子面巖石是不均質(zhì)和有裂紋的，在掘進過程中經(jīng)過換刀，新、舊刀交替使用，各刀磨損量也不一致，因此實際每把滾刀受力是不均一的。由于巖石破碎的突發(fā)和間斷性造成的沖擊和振動會產(chǎn)生滾刀受力的瞬時峰值。經(jīng)大量試驗檢測，一般這種峰值是滾刀額定受力的1.8～2倍。

在實際的掘進機掘進過程中，需確定掘進機的實時位置和姿態(tài)，以確保TBM沿著設計的預定線路掘進，從而保證施工的質(zhì)量，滿足設計要求。掘進機姿態(tài)的控制質(zhì)量直接影響到隧道掘進方向的控制精度，對隧道管片的拼裝質(zhì)量同樣也有影響。姿態(tài)控制不好，容易導致隧道蛇行、與設計軸線偏差過大甚至侵限，掘進姿態(tài)偏差較大還會導致盾尾間隙過小以及盾尾碰、刮即將脫出的管片，從而使管片錯臺或開裂，掘進機掘進過程中位置偏移的情況如圖2所示。

圖2 掘進機掘進過程中位置偏移情況

導向系統(tǒng)能夠?qū)τ矌r掘進機的位置、姿態(tài)、速度進行實時監(jiān)控，操作人員可以根據(jù)導向系統(tǒng)提供的掘進機兩端的水平偏差、垂直偏差、以及掘進機剛體3個姿態(tài)的轉(zhuǎn)角等信息，對TBM的掘進方向及姿態(tài)進行調(diào)整。因此，研究滾刀在切割過程中的橫向偏移和垂直跳動是掘進機施工自動導向系統(tǒng)研究的重要基礎。

2 刀具破巖與耐磨研究試驗臺

為了弄清掘進參數(shù)的變化對巖石破碎過程的影響規(guī)律，分析不同掘進參數(shù)下滾刀破巖受力的影響，提高國產(chǎn)掘進機滾刀設計、制造水平，提高我國對掘進機施工方面的基礎性研究工作，全斷面掘進機國家重點試驗室自主研制了我國第一臺具有工業(yè)試驗性質(zhì)的、模擬滾刀切割巖石的真實過程的試驗平臺。該試驗臺能夠在長度為1.8 m的巖石試樣上和最大載荷100 t壓力的條件下，實現(xiàn)1.5 m/s的線切割速度，這是目前世界上類似試驗臺所具備的最快切割速度。此外，該試驗臺具備3把滾刀的刀間距調(diào)整機構(gòu)，調(diào)整范圍為0～130 mm，能夠得到更加可靠的切割數(shù)據(jù)。該試驗臺具有獨立開發(fā)的刀具耐磨試驗功能，可對不同材料滾刀的耐磨性進行研究。試驗臺整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，試驗臺全景如圖4所示。

為了獲得盤形滾刀破巖過程中所受的各向力載荷和位移，每個油缸負荷傳感器和磁致伸縮位移傳感器，記錄每向的載荷時域、位移時域曲線。計算機控制系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心部分，計算機將控制信號傳給多通道控制器，再由控制器傳給強電啟動柜，可以實現(xiàn)軟件控制主油路油泵電機組的啟停。系統(tǒng)中安裝的控制軟件通過對控制器采集的位移和力值信號的分析計算后，發(fā)出對伺服閥的控制信號，對位移和力值進行伺服調(diào)節(jié)，直至達到到試驗人員所要求的位移和力值參數(shù)。

3 盤形滾刀破巖運動軌跡的試驗分析

盤形滾刀在掘進機刀盤的帶動下，沿著掘進機軸線向前運動，又繞著該軸線轉(zhuǎn)動，同時盤形滾刀又繞著自己的回轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。各盤形滾刀由于所處的位置距刀盤圓心的距離不同，其線速度也不相同。滾刀沿著掘進機前進方向受到來自推進系統(tǒng)液壓缸的推力，破巖過程中其主要起推進作用。當盤形滾刀壓入巖石后，由驅(qū)動裝置產(chǎn)生的扭矩帶動刀盤，通過盤形滾刀對巖石擠壓使巖石發(fā)生破碎。在破巖過程中，盤形滾刀受到垂直力、切向力、側(cè)向力以及盤形滾刀自身的慣性力作用。由于地質(zhì)層復雜多變，掘進中地質(zhì)條件的改變會引起盤形滾刀受力的巨大變化，掘進機滾刀三維空間的復合運動如下：

(1)滾刀隨掘進機刀盤軸線推進做直線運動；

(2)滾刀隨掘進機刀盤回轉(zhuǎn)沿著大軸承中心線做公轉(zhuǎn)運動；

(3)滾刀靠刀圈和巖石的摩擦力繞滾刀軸做自轉(zhuǎn)運動。

圖3 破巖設備系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

圖4 滾刀破巖與耐磨試驗平臺全景

巖石切割的過程中，刀圈侵入巖石時會發(fā)出輕微聲響。在貫入度值較小時，滾刀工作比較平穩(wěn)。當加載到某定值并開始滾壓巖石時，滾刀周圍的巖石立刻發(fā)生脆裂，脫離巖體崩出，造成刀底“脫空”。滾刀產(chǎn)生明顯振動，并伴有巖石清脆的崩裂聲。在這個過程中，垂直和橫向的滾刀運動軌跡不是完全按照設定的軌跡路線運動的，垂直上下和橫向左右都有一定的偏移。

如圖5所示，在試驗臺上盤形滾刀切割巖石的過程中，理論上在巖石平面(XOY平面)破巖運動軌跡為平行于Y軸的直線D，而實際中盤形滾刀的運動由于滾刀在切割過程中受到側(cè)向力的作用，運動的軌跡不是完全按照D的路徑，而是如圖5左上圖所示，圍繞D直線左右擺動的曲線軌跡，本文中定義盤形滾刀在切割巖石過程中橫向位移偏移X軸方向最大與最小值之差為橫向偏移量，偏向X軸正方向與理論軸線之差為橫向位移的上偏差，偏向X軸負方向與理論軸線之差為橫向位移的下偏差。理論上在巖石平面(XOZ平面)破巖運動軌跡為平行于Y軸的直線C，如圖5左下圖所示，定義盤形滾刀在切割巖石過程中橫向位移偏移Z軸方向最大與最小值之差為垂直偏移量，偏向Z軸正方向與理論軸線之差為橫向位移的上偏差，偏向Z軸負方向與理論軸線之差為橫向位移的下偏差。

圖5 破巖運動的理論軌跡曲線與偏移

以貫入度p＝8 mm為例，在假設切割材料均質(zhì)的情況下，如在通常的金屬切割中，滾刀會按照設定的直線軌跡運行，刀圈在XY平面內(nèi)的運動軌跡應該關(guān)于103.12 mm這條直線基本對稱。但是在實際滾刀運動橫向軌跡曲線圖中可以看出，在初始切入巖石時(即時間t＝8362 ms處)，滾刀在縱向油缸的推力作用下前進，但是前進的曲線是在X＝103.12 mm處波動，隨著切割距離的增大，由于巖石的不均質(zhì)性，X軸負方向的巖石對滾刀刀圈的擠壓力較大，刀圈向X軸的正方向偏移，在此過程中滾刀基本不受正方向巖石的作用，故應力相對較小，X軸負方向的巖石受到較大的側(cè)向力，較左側(cè)的巖石更容易發(fā)生破碎，隨著這一部分巖石的崩裂，滾刀向X軸負方向偏移。這樣一來，在盤形滾刀的破巖過程中，刀刃側(cè)移引起刀刃底部應力分布不對稱。刀刃局部應

力周期性不對稱地集中與釋放，造成了刀刃的蛇行現(xiàn)象，在高速攝像中能夠清晰直觀地看出滾刀在切割過程中的沿X軸的擺動現(xiàn)象，如圖6所示。

圖6 高速相機拍攝的p＝8 mm時X軸偏移效果

在盤形滾刀的切割中，包含有偏移量的破碎次數(shù)越少，掘進機的振動和噪聲也就越少，圖7所示為貫入度為8 mm時的橫向偏移。一定貫入度包含偏移量的破碎的多少，不僅與巖石類型關(guān)系密切，也取決于盤形滾刀切割參數(shù)。

圖7 貫入度為8 mm時X軸偏移量波動

4 貫入度對盤形滾刀破巖運動軌跡偏移影響的數(shù)據(jù)分析

貫入度的大小直接影響巖石切割時滾刀的正壓力和側(cè)向力的變化，是影響破巖力值變化的主要影響因素。本文以試驗設計的貫入度因素為基礎，在線切割速度90000 mm/min，刀間距為76 mm條件下，記錄了滾刀破巖切割過程中的垂直位移的偏移和橫向位移的偏移，分析了各個不同水平的貫入度對滾刀偏移的影響。

4.1 貫入度對垂直偏移的影響

垂直位移的變化主要是由刀圈底部巖石的碾碎和崩落現(xiàn)象引起，造成刀圈底部脫空。在刀圈底部巖石脫空后，垂直擠壓在巖石切割面上的滾刀受力突然降低，垂直油缸在壓力的慣性作用下下伸，造成垂直位移的偏差。貫入度的大小直接影響滾刀切割巖石時的正壓力大小。根據(jù)理論經(jīng)驗，在貫入度較低時，所需的油缸推力較小，在刀盤滾刀數(shù)目一定的情況下，分配到每把滾刀上的正壓力數(shù)值較小，滾刀的垂直偏移與正壓力的大小成反比。在貫入度由3 mm遞增到9 mm時，滾刀的正壓力逐漸增大，隨著滾刀浸入巖石，破碎后的巖石粉末和碎塊有一部分從刀圈的周圍被擠壓出來，造成刀底的脫空，造成垂直位移下偏差。另一方面，由于巖石的不均質(zhì)性，在切割較硬部分巖塊時，當前的油缸推力不能致使該部分巖塊失效破碎，刀圈被頂起，在貫入度較小時，由于正壓力較小，油缸回升的距離較大，這是引起位移上偏差的主要原因。

通過對試驗數(shù)據(jù)的分析得到影響規(guī)律如圖8所示。隨著貫入度和切割速度的增加，垂直位移偏移誤差呈降低趨勢。在貫入度為3 mm時，盤形滾刀切割巖石時在Z軸的上下擺動幅度在1.5 mm上下，當貫入度增加至9 mm時，上下擺動的幅度降低到1 mm左右；由圖上可以看出，造成垂直位移偏差的主要原因是由于上偏差引起的，在貫入度較小時，滾刀的正壓力小，切割不同硬度巖石時，油缸的回升距離較大，造成較大的上偏差，下偏差隨著貫入度的增加基本沒有變化。

圖8 貫入度對垂直偏移的影響規(guī)律

4.2 貫入度對橫向偏移的影響

橫向運動的偏移主要是滾刀的側(cè)向力引起的，同時體現(xiàn)了滾刀切割巖石時滾動軸承的穩(wěn)態(tài)振動情況。在貫入度p＝3 mm時，刀圈的破巖量較小，刀圈兩側(cè)巖石對刀圈的擠壓力較小，因此橫向位移軌跡變化的幅值較大，隨著貫入度的增加，會有更多的巖石擠壓在刀圈上，刀圈受到兩側(cè)巖石基體的擠壓力較大，刀圈橫向擺動的幅值較小。

隨著貫入度的增大，刀圈的橫向位移呈降低的趨勢。在貫入度為3 mm時，盤形滾刀切割巖石時在橫向的左右擺動幅度在1.6 mm上下；在貫入度為6 mm時，橫向的左右擺動幅度在1.4 mm上下；當貫入度增加至9 mm時，左右擺動的幅度降低到1.1 mm左右。圖9所示，貫入度對橫向偏移的影響也是略大于切割速度對橫向偏移的影響。

國家自然科學基金項目(51475087).