基于岩渣粒径分布规律的TBM刀具消耗分析

闫长斌¹，樊明辉¹，陈馈²，杨延栋²，张兵²，杨继华³

1. 郑州大学土木工程学院2. 盾构及掘进技术国家重点实验室3. 黄河勘测规划设计研究院有限公司

摘 要：岩渣是TBM掘进过程中岩机作用的直接产物,其粒径分布规律是进行TBM地质适应性、掘进效率和刀具消耗评价的重要指标。针对刀具消耗评价问题,结合兰州水源地建设工程输水隧洞双护盾TBM施工,对TBM在不同岩体条件中掘进时产生的岩渣进行了现场量测与筛分试验,并对实测岩渣粒径分布数据进行了统计分析和理论分布函数拟合。对TBM掘进过程中刀具消耗规律进行了分析总结,探讨了不同岩体条件下TBM刀具消耗规律与岩渣粗糙度指数、岩渣颗粒级配系数以及岩渣粒径分组比例等参数之间的相关关系。研究结果表明:①刀具消耗与岩体地质条件密切相关,岩石强度越高,耐磨性越强,刀具消耗越大,Ⅱ类和Ⅳ类围岩中TBM刀具消耗明显高于Ⅲ类围岩;滚刀直径对刀具消耗有一定影响,采用大直径滚刀可降低同等围岩条件下的刀具消耗;②不同岩性条件下岩渣粒径分布不均匀,总体上属于级配良好,符合Rosin-Rammler函数,可采用Rosin-Rammler函数进行岩渣粒径分布参数计算;③刀具消耗与岩渣曲率系数的相关性不明显,与不均匀系数存在较好的二次函数关系,相关系数为0.875;④刀具消耗与岩渣粗糙度指数存在较显著的二次函数关系,相关系数为0.87,当岩渣粗糙度指数大于430时,岩渣粗糙度指数越高,TBM掘进效率越高,刀具消耗越小;⑤刀具消耗与岩渣几何平均粒径、R-R函数平均粒径呈正相关性,相关系数为0.84;⑥刀具消耗与岩渣形状含量比例之间密切相关。硬岩片状岩渣含量多时,刀具消耗较小,当片状岩渣含量大于40%时,刀具消耗降低速率加快;而块状与粉状岩渣多时,刀具消耗较大,当块状岩渣含量大于40%时,刀具消耗增加速率增高。研究成果建立了TBM刀具消耗与岩渣粒径分布规律之间的有效联系。

关键词：TBM施工;刀具消耗;岩渣;粒径分布;Rosin-Rammler函数;粗糙度指数;颗粒级配;