贯入度对TBM滚刀破岩轨迹偏移影响的试验研究∗

赵海峰，王召迁，齐 鹏，朱立达

(1.北方重工集团有限公司全断面掘进机国家重点实验室，辽宁沈阳 110141；2.中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016；3.沈阳盾构设备工程有限公司，辽宁沈阳 110013；4.东北大学，辽宁沈阳 110869)

贯入度对TBM滚刀破岩轨迹偏移影响的试验研究∗

赵海峰1，王召迁2，齐 鹏3，朱立达4

(1.北方重工集团有限公司全断面掘进机国家重点实验室，辽宁沈阳 110141；2.中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016；3.沈阳盾构设备工程有限公司，辽宁沈阳 110013；4.东北大学，辽宁沈阳 110869)

滚刀破岩轨迹偏移影响因素是TBM刀盘结构和刀具布置设计，以及掘进机位姿自动调整的重要的基础研究内容，贯入度则是影响滚刀偏移的一个重要因素。在全断面掘进机国家重点实验室研制的“刀具破岩与耐磨研究试验台”进行滚刀破岩试验基础上，对滚刀轨迹偏移距离进行数据检测、分析和处理，得到了贯入度对滚刀垂直偏移和横向偏移的影响规律。

硬岩掘进机；滚刀；试验台；破岩轨迹；贯入度

0 引 言

硬岩掘进机(简称TBM)是集掘进、排碴、衬砌等功能为一体的大型高端成套技术装备。TBM所需的核心技术高度集成，技术附加值高，可以作为代表国家装备制造能力水平的标志性产品。

TBM要求刀盘结构及刀具能够承受强冲击掘进载荷，并传递足够大的破岩能量，同时要求刀具布置设计必须考虑防磨损和抗磨损问题。刀盘刀具性能与地质条件、施工参数、刀具布局模式等因素之间的映射关系极其复杂，刀盘刀具系统的设计难度很大。目前，国内外尚未建立公认的载荷精确计算模型，TBM设计缺乏依据。因此，滚刀破岩轨迹偏移影响因素是硬岩掘进机刀盘结构和刀具布置设计所需研究的关键技术问题。

导向系统作为盾构机的“眼睛”，在隧道施工中起着至关重要的作用。而掘进机位姿自动调整研究是未来掘进机技术发展方向之一。在实际隧道掘进过程中，需确定掘进机的实时位置和姿态，以确保TBM沿着设计的预定线路掘进，从而保证施工质量。掘进机姿态的控制质量直接影响到隧道掘进方向的控制精度，对隧道管片的拼装质量同样也有影响。因此，通过对滚刀破岩轨迹偏移影响因素的研究，能够确定滚刀偏移规律，从而为掘进机姿态调整及自动控制提供坚实的技术基础。

以往的滚刀破岩研究是在基于模拟仿真或现场施工数据收集统计的基础上进行的。仿真模拟可以从微观上解释岩石的破碎过程，但是无论在材料的仿真还是失效准则的选取上，仿真模拟均与实际的工程有很大差距。现场数据收集则存在材料不一致、检测困难等因素，所得数据变化差异过大的问题。

北方重工集团有限公司的全断面掘进机国家重点实验室研制出国内第一台用于线切割的“刀具破岩与耐磨研究试验台”。本文研究的贯入度对硬岩掘进机滚刀破岩轨迹偏移影响是基于此试验台所进行的滚刀破岩实验基础上进行的。在进行了大量不同掘进参数的切割试验过程中，测量滚刀破岩运动中由于岩石的不均质性导致的位移偏移数据，对比分析了掘进参数对破岩轨迹偏移的影响规律，得到针对花岗岩切割的最优贯入度参数标准。

1 盘形滚刀破岩受力分析

TBM掘进破岩的关键部件是其连续转动的刀盘上的盘形滚刀，其受力状况是设计TBM的关键技术因素。盘形滚刀的受力有垂直推力、滚动力和侧向力，如图1所示。垂直推力关系到推进液压缸及液压系统的设计，滚动力是确定刀盘驱动电动机功率和刀盘传动机构设计的主要依据，而侧向力则涉及到全断面岩石掘进机工作的稳定性等技术问题。

因此，对刀具进行力学分析是确定TBM整机技术参数核心基础工作。

图1 盘形滚刀受力模型

在均一完整的岩石中，滚刀受到的主要是垂直压力，受到的侧向力并不大，主要是滚刀在绕大轴承公转时破碎岩石的过程中，其外侧切割岩石量必然大于内侧，因此侧向力是指向公转轴心的。由于实际的掌子面岩石是不均质和有裂纹的，在掘进过程中经过换刀，新、旧刀交替使用，各刀磨损量也不一致，因此实际每把滚刀受力是不均一的。由于岩石破碎的突发和间断性造成的冲击和振动会产生滚刀受力的瞬时峰值。经大量试验检测，一般这种峰值是滚刀额定受力的1.8～2倍。

在实际的掘进机掘进过程中，需确定掘进机的实时位置和姿态，以确保TBM沿着设计的预定线路掘进，从而保证施工的质量，满足设计要求。掘进机姿态的控制质量直接影响到隧道掘进方向的控制精度，对隧道管片的拼装质量同样也有影响。姿态控制不好，容易导致隧道蛇行、与设计轴线偏差过大甚至侵限，掘进姿态偏差较大还会导致盾尾间隙过小以及盾尾碰、刮即将脱出的管片，从而使管片错台或开裂，掘进机掘进过程中位置偏移的情况如图2所示。

图2 掘进机掘进过程中位置偏移情况

导向系统能够对硬岩掘进机的位置、姿态、速度进行实时监控，操作人员可以根据导向系统提供的掘进机两端的水平偏差、垂直偏差、以及掘进机刚体3个姿态的转角等信息，对TBM的掘进方向及姿态进行调整。因此，研究滚刀在切割过程中的横向偏移和垂直跳动是掘进机施工自动导向系统研究的重要基础。

2 刀具破岩与耐磨研究试验台

为了弄清掘进参数的变化对岩石破碎过程的影响规律，分析不同掘进参数下滚刀破岩受力的影响，提高国产掘进机滚刀设计、制造水平，提高我国对掘进机施工方面的基础性研究工作，全断面掘进机国家重点试验室自主研制了我国第一台具有工业试验性质的、模拟滚刀切割岩石的真实过程的试验平台。该试验台能够在长度为1.8 m的岩石试样上和最大载荷100 t压力的条件下，实现1.5 m/s的线切割速度，这是目前世界上类似试验台所具备的最快切割速度。此外，该试验台具备3把滚刀的刀间距调整机构，调整范围为0～130 mm，能够得到更加可靠的切割数据。该试验台具有独立开发的刀具耐磨试验功能，可对不同材料滚刀的耐磨性进行研究。试验台整体结构如图3所示，试验台全景如图4所示。

为了获得盘形滚刀破岩过程中所受的各向力载荷和位移，每个油缸负荷传感器和磁致伸缩位移传感器，记录每向的载荷时域、位移时域曲线。计算机控制系统是系统的核心部分，计算机将控制信号传给多通道控制器，再由控制器传给强电启动柜，可以实现软件控制主油路油泵电机组的启停。系统中安装的控制软件通过对控制器采集的位移和力值信号的分析计算后，发出对伺服阀的控制信号，对位移和力值进行伺服调节，直至达到到试验人员所要求的位移和力值参数。

3 盘形滚刀破岩运动轨迹的试验分析

盘形滚刀在掘进机刀盘的带动下，沿着掘进机轴线向前运动，又绕着该轴线转动，同时盘形滚刀又绕着自己的回转轴转动。各盘形滚刀由于所处的位置距刀盘圆心的距离不同，其线速度也不相同。滚刀沿着掘进机前进方向受到来自推进系统液压缸的推力，破岩过程中其主要起推进作用。当盘形滚刀压入岩石后，由驱动装置产生的扭矩带动刀盘，通过盘形滚刀对岩石挤压使岩石发生破碎。在破岩过程中，盘形滚刀受到垂直力、切向力、侧向力以及盘形滚刀自身的惯性力作用。由于地质层复杂多变，掘进中地质条件的改变会引起盘形滚刀受力的巨大变化，掘进机滚刀三维空间的复合运动如下：

(1)滚刀随掘进机刀盘轴线推进做直线运动；

(2)滚刀随掘进机刀盘回转沿着大轴承中心线做公转运动；

(3)滚刀靠刀圈和岩石的摩擦力绕滚刀轴做自转运动。

图3 破岩设备系统框架结构

图4 滚刀破岩与耐磨试验平台全景

岩石切割的过程中，刀圈侵入岩石时会发出轻微声响。在贯入度值较小时，滚刀工作比较平稳。当加载到某定值并开始滚压岩石时，滚刀周围的岩石立刻发生脆裂，脱离岩体崩出，造成刀底“脱空”。滚刀产生明显振动，并伴有岩石清脆的崩裂声。在这个过程中，垂直和横向的滚刀运动轨迹不是完全按照设定的轨迹路线运动的，垂直上下和横向左右都有一定的偏移。

如图5所示，在试验台上盘形滚刀切割岩石的过程中，理论上在岩石平面(XOY平面)破岩运动轨迹为平行于Y轴的直线D，而实际中盘形滚刀的运动由于滚刀在切割过程中受到侧向力的作用，运动的轨迹不是完全按照D的路径，而是如图5左上图所示，围绕D直线左右摆动的曲线轨迹，本文中定义盘形滚刀在切割岩石过程中横向位移偏移X轴方向最大与最小值之差为横向偏移量，偏向X轴正方向与理论轴线之差为横向位移的上偏差，偏向X轴负方向与理论轴线之差为横向位移的下偏差。理论上在岩石平面(XOZ平面)破岩运动轨迹为平行于Y轴的直线C，如图5左下图所示，定义盘形滚刀在切割岩石过程中横向位移偏移Z轴方向最大与最小值之差为垂直偏移量，偏向Z轴正方向与理论轴线之差为横向位移的上偏差，偏向Z轴负方向与理论轴线之差为横向位移的下偏差。

图5 破岩运动的理论轨迹曲线与偏移

以贯入度p＝8 mm为例，在假设切割材料均质的情况下，如在通常的金属切割中，滚刀会按照设定的直线轨迹运行，刀圈在XY平面内的运动轨迹应该关于103.12 mm这条直线基本对称。但是在实际滚刀运动横向轨迹曲线图中可以看出，在初始切入岩石时(即时间t＝8362 ms处)，滚刀在纵向油缸的推力作用下前进，但是前进的曲线是在X＝103.12 mm处波动，随着切割距离的增大，由于岩石的不均质性，X轴负方向的岩石对滚刀刀圈的挤压力较大，刀圈向X轴的正方向偏移，在此过程中滚刀基本不受正方向岩石的作用，故应力相对较小，X轴负方向的岩石受到较大的侧向力，较左侧的岩石更容易发生破碎，随着这一部分岩石的崩裂，滚刀向X轴负方向偏移。这样一来，在盘形滚刀的破岩过程中，刀刃侧移引起刀刃底部应力分布不对称。刀刃局部应

力周期性不对称地集中与释放，造成了刀刃的蛇行现象，在高速摄像中能够清晰直观地看出滚刀在切割过程中的沿X轴的摆动现象，如图6所示。

图6 高速相机拍摄的p＝8 mm时X轴偏移效果

在盘形滚刀的切割中，包含有偏移量的破碎次数越少，掘进机的振动和噪声也就越少，图7所示为贯入度为8 mm时的横向偏移。一定贯入度包含偏移量的破碎的多少，不仅与岩石类型关系密切，也取决于盘形滚刀切割参数。

图7 贯入度为8 mm时X轴偏移量波动

4 贯入度对盘形滚刀破岩运动轨迹偏移影响的数据分析

贯入度的大小直接影响岩石切割时滚刀的正压力和侧向力的变化，是影响破岩力值变化的主要影响因素。本文以试验设计的贯入度因素为基础，在线切割速度90000 mm/min，刀间距为76 mm条件下，记录了滚刀破岩切割过程中的垂直位移的偏移和横向位移的偏移，分析了各个不同水平的贯入度对滚刀偏移的影响。

4.1 贯入度对垂直偏移的影响

垂直位移的变化主要是由刀圈底部岩石的碾碎和崩落现象引起，造成刀圈底部脱空。在刀圈底部岩石脱空后，垂直挤压在岩石切割面上的滚刀受力突然降低，垂直油缸在压力的惯性作用下下伸，造成垂直位移的偏差。贯入度的大小直接影响滚刀切割岩石时的正压力大小。根据理论经验，在贯入度较低时，所需的油缸推力较小，在刀盘滚刀数目一定的情况下，分配到每把滚刀上的正压力数值较小，滚刀的垂直偏移与正压力的大小成反比。在贯入度由3 mm递增到9 mm时，滚刀的正压力逐渐增大，随着滚刀浸入岩石，破碎后的岩石粉末和碎块有一部分从刀圈的周围被挤压出来，造成刀底的脱空，造成垂直位移下偏差。另一方面，由于岩石的不均质性，在切割较硬部分岩块时，当前的油缸推力不能致使该部分岩块失效破碎，刀圈被顶起，在贯入度较小时，由于正压力较小，油缸回升的距离较大，这是引起位移上偏差的主要原因。

通过对试验数据的分析得到影响规律如图8所示。随着贯入度和切割速度的增加，垂直位移偏移误差呈降低趋势。在贯入度为3 mm时，盘形滚刀切割岩石时在Z轴的上下摆动幅度在1.5 mm上下，当贯入度增加至9 mm时，上下摆动的幅度降低到1 mm左右；由图上可以看出，造成垂直位移偏差的主要原因是由于上偏差引起的，在贯入度较小时，滚刀的正压力小，切割不同硬度岩石时，油缸的回升距离较大，造成较大的上偏差，下偏差随着贯入度的增加基本没有变化。

图8 贯入度对垂直偏移的影响规律

4.2 贯入度对横向偏移的影响

横向运动的偏移主要是滚刀的侧向力引起的，同时体现了滚刀切割岩石时滚动轴承的稳态振动情况。在贯入度p＝3 mm时，刀圈的破岩量较小，刀圈两侧岩石对刀圈的挤压力较小，因此横向位移轨迹变化的幅值较大，随着贯入度的增加，会有更多的岩石挤压在刀圈上，刀圈受到两侧岩石基体的挤压力较大，刀圈横向摆动的幅值较小。

随着贯入度的增大，刀圈的横向位移呈降低的趋势。在贯入度为3 mm时，盘形滚刀切割岩石时在横向的左右摆动幅度在1.6 mm上下；在贯入度为6 mm时，横向的左右摆动幅度在1.4 mm上下；当贯入度增加至9 mm时，左右摆动的幅度降低到1.1 mm左右。图9所示，贯入度对横向偏移的影响也是略大于切割速度对横向偏移的影响。

国家自然科学基金项目(51475087).