巖渣粒徑分布視角下TBM滾刀磨耗與破巖效率的關(guān)聯(lián)機制及工程應(yīng)用研究一、引言1.1研究背景與意義1.1.1研究背景隨著全球基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展，隧道工程作為交通、水利、能源等領(lǐng)域的關(guān)鍵組成部分，其建設(shè)規(guī)模和數(shù)量不斷增加。全斷面硬巖隧道掘進機（TunnelBoringMachine，TBM）以其高效、安全、環(huán)保等顯著優(yōu)勢，在隧道施工中得到了廣泛應(yīng)用。TBM通過刀盤上的滾刀對巖石進行擠壓、剪切和破碎，實現(xiàn)隧道的掘進。滾刀作為TBM破巖的核心部件，其磨耗情況直接關(guān)系到TBM的施工效率、成本和工程進度。在實際工程中，滾刀的磨損問題普遍存在，嚴重時會導(dǎo)致頻繁換刀，增加施工成本和工期延誤的風險。據(jù)統(tǒng)計，在一些復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工中，滾刀的更換成本可占TBM施工總成本的20%-30%，且換刀過程會使施工進度大幅降低。破巖效率是衡量TBM性能的重要指標，直接影響隧道施工的經(jīng)濟效益和工程質(zhì)量。提高破巖效率不僅可以縮短施工周期，還能降低工程成本，提高施工企業(yè)的競爭力。然而，破巖效率受到多種因素的影響，如巖石性質(zhì)、滾刀參數(shù)、掘進參數(shù)等，其作用機制復(fù)雜，至今尚未完全明確。巖渣作為TBM破巖的產(chǎn)物，其粒徑分布蘊含著豐富的信息，與滾刀磨耗和破巖效率密切相關(guān)。不同的破巖過程會產(chǎn)生不同粒徑分布的巖渣，通過分析巖渣粒徑分布規(guī)律，可以深入了解滾刀與巖石之間的相互作用機制，進而為優(yōu)化TBM施工參數(shù)、預(yù)測滾刀磨耗和提高破巖效率提供依據(jù)。因此，開展基于巖渣粒徑分布規(guī)律的TBM滾刀磨耗與破巖效率研究具有重要的現(xiàn)實意義。1.1.2研究意義本研究旨在通過對巖渣粒徑分布規(guī)律的深入分析，揭示TBM滾刀磨耗與破巖效率之間的內(nèi)在聯(lián)系，為TBM施工技術(shù)的優(yōu)化提供理論支持和實踐指導(dǎo)，具有重要的理論與實際意義。理論意義：深入研究巖渣粒徑分布與TBM滾刀磨耗、破巖效率之間的關(guān)系，有助于豐富和完善TBM破巖理論體系。通過建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型和物理模型，揭示滾刀與巖石相互作用的力學(xué)機制和磨損機理，為進一步研究TBM破巖過程提供新的思路和方法。實際意義：通過對巖渣粒徑分布的實時監(jiān)測和分析，可以實現(xiàn)對滾刀磨耗狀態(tài)的準確評估和破巖效率的實時預(yù)測。這有助于施工人員及時調(diào)整掘進參數(shù)，合理安排換刀時間，避免因滾刀過度磨損導(dǎo)致的施工事故和工期延誤，從而提高TBM施工的安全性和可靠性。此外，基于巖渣粒徑分布規(guī)律優(yōu)化TBM施工參數(shù)，可以有效提高破巖效率，降低施工成本。例如，通過調(diào)整滾刀的布置方式、掘進速度和推力等參數(shù)，使巖渣粒徑分布更加合理，從而減少滾刀的磨損，提高破巖效率，降低工程成本。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1TBM滾刀磨耗研究TBM滾刀磨耗的研究始于20世紀中葉，隨著TBM在隧道工程中的廣泛應(yīng)用，相關(guān)研究逐漸增多。早期的研究主要集中在滾刀的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計上，旨在提高滾刀的耐磨性和使用壽命。隨著材料科學(xué)和制造工藝的不斷發(fā)展，新型的滾刀材料和結(jié)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，如硬質(zhì)合金、陶瓷等材料被應(yīng)用于滾刀制造，同時，滾刀的結(jié)構(gòu)也得到了優(yōu)化，如增加刀圈的厚度、改進刀齒的形狀等，以提高滾刀的抗磨損能力。隨著計算機技術(shù)和數(shù)值模擬方法的發(fā)展，滾刀磨耗的數(shù)值模擬研究成為熱點。研究人員通過建立滾刀與巖石相互作用的力學(xué)模型，利用有限元分析、離散元分析等方法，對滾刀的磨損過程進行模擬和分析。這些研究有助于深入了解滾刀磨損的機理和規(guī)律，為滾刀的優(yōu)化設(shè)計提供理論支持。例如，有學(xué)者使用有限元分析對TBM盤形滾刀進行優(yōu)化設(shè)計，以延長盤形滾刀的使用壽命；還有學(xué)者通過有限元分析預(yù)測不同類型巖石的磨損對盤形滾刀的影響，并提出相應(yīng)的磨損補償措施。在滾刀磨損監(jiān)測技術(shù)方面，開發(fā)了基于圖像識別、振動分析、聲發(fā)射等技術(shù)的在線監(jiān)測系統(tǒng)，用于實時監(jiān)測滾刀的磨損狀態(tài)。通過這些監(jiān)測技術(shù)，可以及時獲取滾刀的磨損信息，為滾刀的更換和維護提供依據(jù)，提高TBM施工的安全性和可靠性。然而，現(xiàn)有研究在滾刀磨耗機理方面仍存在不足。滾刀磨損是一個復(fù)雜的過程，涉及到多種因素的相互作用，如巖石性質(zhì)、掘進參數(shù)、滾刀材料和結(jié)構(gòu)等。目前的研究雖然對這些因素的影響有了一定的認識，但尚未完全揭示它們之間的內(nèi)在聯(lián)系和作用機制。此外，在不同地質(zhì)條件下滾刀磨損的規(guī)律和預(yù)測方法也有待進一步研究和完善。1.2.2TBM破巖效率研究TBM破巖效率的研究也經(jīng)歷了較長的發(fā)展歷程。早期的研究主要通過現(xiàn)場試驗和經(jīng)驗總結(jié)，來探索破巖效率與掘進參數(shù)之間的關(guān)系。研究人員發(fā)現(xiàn)，掘進速度、推力、刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)對破巖效率有著顯著影響，并通過調(diào)整這些參數(shù)來提高破巖效率。例如，通過增加推力和刀盤轉(zhuǎn)速，可以提高滾刀的破巖能力，從而提高破巖效率。隨著對破巖機理研究的深入，學(xué)者們開始從巖石力學(xué)和材料科學(xué)的角度，研究TBM破巖的力學(xué)過程和能量消耗機制。通過建立破巖力學(xué)模型，分析滾刀在破巖過程中的受力情況和巖石的破碎方式，揭示破巖效率的影響因素和作用規(guī)律。例如，有研究通過實驗觀測和理論分析，研究TBM滾刀在破巖過程中的作用力和破巖規(guī)律，為進一步提高滾刀破巖效率提供理論基礎(chǔ)；還有研究通過實驗和理論分析，研究滾刀破巖的破巖力量、轉(zhuǎn)速、滾動方式、磨損等因素對破巖效率的影響，為進一步提高破巖效率提供技術(shù)支持。在破巖效率的評價指標方面，除了傳統(tǒng)的掘進速度和單位能耗外，近年來還提出了一些新的指標，如巖石破碎比能、破巖效率系數(shù)等，這些指標能夠更全面地反映TBM的破巖效率。同時，隨著人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，利用這些技術(shù)對破巖效率進行預(yù)測和優(yōu)化也成為研究的熱點。例如，通過建立機器學(xué)習模型，對大量的施工數(shù)據(jù)進行分析和挖掘，預(yù)測破巖效率，并根據(jù)預(yù)測結(jié)果優(yōu)化掘進參數(shù)，以提高破巖效率。盡管目前在TBM破巖效率研究方面取得了一定的成果，但仍存在一些局限性。例如，現(xiàn)有的破巖力學(xué)模型大多是基于理想條件建立的，難以準確描述復(fù)雜地質(zhì)條件下的破巖過程；不同破巖效率評價指標之間的關(guān)系和適用范圍也有待進一步明確；此外，如何綜合考慮多種因素對破巖效率的影響，實現(xiàn)TBM施工參數(shù)的智能化優(yōu)化，仍然是需要深入研究的問題。1.2.3巖渣粒徑分布與TBM關(guān)系研究巖渣粒徑分布規(guī)律的研究近年來受到了廣泛關(guān)注。研究人員通過現(xiàn)場采集巖渣樣本，利用篩分、激光粒度分析等方法，對巖渣的粒徑分布進行測量和分析。研究發(fā)現(xiàn)，巖渣粒徑分布受到巖石性質(zhì)、滾刀參數(shù)、掘進參數(shù)等多種因素的影響。例如，巖石的硬度和脆性越大，產(chǎn)生的巖渣粒徑越??；滾刀的直徑和刃數(shù)越大，巖渣粒徑也會相應(yīng)增大；而掘進速度和推力的增加，則會使巖渣粒徑分布更加不均勻。在巖渣粒徑分布與滾刀磨耗和破巖效率關(guān)系的研究方面，也取得了一定的進展。有研究表明，巖渣粒徑分布可以反映滾刀的磨損狀態(tài)，當滾刀磨損嚴重時，巖渣中細顆粒的含量會增加。同時，巖渣粒徑分布也與破巖效率密切相關(guān)，合理的巖渣粒徑分布可以提高破巖效率，降低能耗。例如，一種基于巖碴粒徑分布規(guī)律的TBM破巖效率評價方法指出，巖石隧道掘進機掘進過程中滾刀切割掌子面巖石形成的巖碴，其形狀尺寸和粒徑分布與機械能量利用率、滾刀破巖效率密切相關(guān)，可以直接反應(yīng)“巖-機”作用機制。然而，目前對于巖渣粒徑分布與TBM關(guān)系的研究還不夠深入和系統(tǒng)。雖然已經(jīng)認識到巖渣粒徑分布與滾刀磨耗和破巖效率之間存在聯(lián)系，但具體的作用機制和定量關(guān)系尚未完全明確。此外，如何利用巖渣粒徑分布實時監(jiān)測滾刀磨耗和破巖效率，以及如何通過調(diào)整掘進參數(shù)優(yōu)化巖渣粒徑分布，從而提高TBM施工性能，還需要進一步的研究和探索。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容巖渣粒徑分布規(guī)律研究：通過現(xiàn)場采集不同地質(zhì)條件下TBM施工產(chǎn)生的巖渣樣本，運用篩分分析、激光粒度分析等方法，系統(tǒng)研究巖渣粒徑的分布特征。分析巖石性質(zhì)（如硬度、脆性、節(jié)理裂隙發(fā)育程度等）、滾刀參數(shù)（直徑、刃數(shù)、刀間距等）以及掘進參數(shù)（掘進速度、推力、刀盤轉(zhuǎn)速等）對巖渣粒徑分布的影響規(guī)律，建立巖渣粒徑分布與各影響因素之間的定量關(guān)系模型。TBM滾刀磨耗研究：基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)和實驗室模擬實驗，深入研究滾刀磨耗的形式（如刀圈磨損、刀齒磨損、剝落等）和過程。分析滾刀在不同工況下的受力情況，結(jié)合巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，揭示滾刀磨耗的力學(xué)機理。建立滾刀磨耗預(yù)測模型，綜合考慮巖渣粒徑分布、巖石性質(zhì)、掘進參數(shù)等因素，實現(xiàn)對滾刀磨耗的準確預(yù)測，為滾刀的更換和維護提供科學(xué)依據(jù)。TBM破巖效率研究：通過現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬，研究破巖效率與掘進參數(shù)、巖石性質(zhì)、滾刀狀態(tài)之間的內(nèi)在聯(lián)系。分析破巖過程中的能量消耗機制，建立破巖效率評價指標體系，如巖石破碎比能、單位時間破巖量等?；趲r渣粒徑分布規(guī)律，優(yōu)化TBM的掘進參數(shù)，提出提高破巖效率的技術(shù)措施，如合理調(diào)整滾刀布置、優(yōu)化掘進速度和推力等。巖渣粒徑分布與滾刀磨耗、破巖效率關(guān)系研究：建立巖渣粒徑分布、滾刀磨耗和破巖效率之間的耦合關(guān)系模型，深入分析它們之間的相互作用機制。通過實驗和數(shù)值模擬，研究不同巖渣粒徑分布對滾刀磨耗和破巖效率的影響規(guī)律，以及滾刀磨耗和破巖效率的變化如何反過來影響巖渣粒徑分布。利用該耦合關(guān)系模型，實現(xiàn)通過監(jiān)測巖渣粒徑分布實時評估滾刀磨耗狀態(tài)和破巖效率，為TBM施工過程的智能化控制提供理論支持。1.3.2研究方法實驗研究：在實驗室搭建TBM破巖模擬實驗平臺，模擬不同地質(zhì)條件和掘進工況下的破巖過程。通過改變巖石樣本的性質(zhì)、滾刀參數(shù)和掘進參數(shù)，進行多組破巖實驗，采集實驗過程中的數(shù)據(jù)，如滾刀受力、巖渣粒徑分布、破巖效率等。對實驗數(shù)據(jù)進行分析和處理，驗證理論模型的正確性，為研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。此外，還將在實際TBM施工現(xiàn)場進行監(jiān)測和數(shù)據(jù)采集，獲取真實工程條件下的巖渣粒徑分布、滾刀磨耗和破巖效率等數(shù)據(jù)，與實驗室實驗結(jié)果進行對比分析，提高研究成果的可靠性和實用性。理論分析：基于巖石力學(xué)、材料力學(xué)、摩擦學(xué)等學(xué)科的基本理論，建立TBM滾刀破巖的力學(xué)模型和滾刀磨耗的理論模型。運用數(shù)學(xué)分析方法，求解模型中的參數(shù)，分析滾刀在破巖過程中的受力情況、巖石的破碎機理以及滾刀磨耗的原因和規(guī)律。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)，對理論模型進行修正和完善，深入揭示TBM滾刀磨耗與破巖效率的內(nèi)在聯(lián)系，為實驗研究和數(shù)值模擬提供理論指導(dǎo)。數(shù)值模擬：利用有限元分析軟件（如ANSYS、ABAQUS等）和離散元分析軟件（如PFC等），建立TBM滾刀與巖石相互作用的數(shù)值模型。通過模擬不同工況下的破巖過程，分析滾刀的受力、磨損以及巖渣的形成和運動規(guī)律。數(shù)值模擬可以彌補實驗研究的局限性，能夠直觀地展示破巖過程中各物理量的變化情況，為研究提供更全面的信息。同時，通過對數(shù)值模擬結(jié)果的分析，優(yōu)化TBM的設(shè)計和施工參數(shù)，提高滾刀的使用壽命和破巖效率。二、巖渣粒徑分布規(guī)律研究2.1巖渣的形成與特性2.1.1TBM破巖過程中巖渣的產(chǎn)生TBM在隧道掘進過程中，主要依靠刀盤上的滾刀對巖石進行破碎。滾刀在刀盤的推力和轉(zhuǎn)矩作用下，緊壓在巖石表面并隨刀盤旋轉(zhuǎn)。當滾刀與巖石接觸時，首先在刀刃下的巖石會受到集中的壓力作用，產(chǎn)生局部的塑性變形和微裂紋。隨著滾刀的持續(xù)推進，這些微裂紋逐漸擴展、貫通，在巖石內(nèi)部形成破碎區(qū)。在這個過程中，巖石的破碎方式主要包括擠壓破碎、剪切破碎和拉伸破碎。當滾刀的推力足夠大時，巖石會在刀刃下被直接壓碎，形成細小的破碎體，這是擠壓破碎的過程。同時，由于滾刀的旋轉(zhuǎn)，巖石還會受到剪切力的作用，使得巖石沿著剪切面發(fā)生破裂，產(chǎn)生較大的巖石碎片，這就是剪切破碎。此外，巖石在受到滾刀的壓力和剪切力時，內(nèi)部會產(chǎn)生拉應(yīng)力，當拉應(yīng)力超過巖石的抗拉強度時，巖石會發(fā)生拉伸破裂，進一步加劇巖石的破碎。隨著滾刀在掌子面上切出一系列同心圓溝槽，巖石碎片不斷從溝槽兩側(cè)和底部脫落，形成巖渣。這些巖渣的大小、形狀和組成受到巖石性質(zhì)、滾刀參數(shù)、掘進參數(shù)等多種因素的影響。例如，當巖石硬度較高、脆性較大時，巖渣中較大的巖石碎片和細小的顆粒會相對較多；而滾刀的直徑越大、刃數(shù)越多，在相同的掘進參數(shù)下，巖渣的粒徑也會相對較大。2.1.2巖渣的物理特性巖渣的物理特性主要包括形狀、密度、硬度等，這些特性對巖渣的粒徑分布有著重要的影響。形狀：巖渣的形狀多種多樣，常見的有塊狀、片狀、粒狀、粉狀等。其形狀主要取決于巖石的破碎方式和程度。在擠壓破碎作用下，巖渣多呈粉狀或細小的粒狀；而在剪切破碎和拉伸破碎作用下，巖渣則多為塊狀和片狀。巖渣的形狀對其粒徑分布的測量和分析有著重要影響。在篩分分析中，形狀不規(guī)則的巖渣可能會卡在篩孔中，導(dǎo)致測量結(jié)果不準確；而在激光粒度分析中，巖渣的形狀會影響光的散射特性，從而影響粒徑測量的精度。密度：巖渣的密度與巖石的種類和成分密切相關(guān)。一般來說，密度較大的巖石在破碎后形成的巖渣密度也相對較大。巖渣的密度會影響其在運輸和堆積過程中的行為。密度較大的巖渣在相同的體積下質(zhì)量更大，在皮帶運輸過程中可能會對皮帶造成更大的壓力，影響運輸效率；在堆積時，密度大的巖渣會堆積得更加緊密，占據(jù)的空間相對較小。此外，巖渣密度還會影響其在水中的沉降速度，這在一些利用水力輸送巖渣的工程中需要特別考慮。硬度：巖渣的硬度主要取決于巖石的硬度和破碎程度。硬度較高的巖渣在后續(xù)的處理和利用過程中可能會增加設(shè)備的磨損，例如在巖渣的再破碎、篩分等過程中，對破碎機、篩網(wǎng)等設(shè)備的磨損較大。同時，巖渣的硬度也會影響其與其他物質(zhì)的混合和反應(yīng)性能。在一些需要將巖渣作為建筑材料或填充材料的應(yīng)用中，巖渣的硬度需要滿足一定的要求，以保證材料的性能和穩(wěn)定性。巖渣的物理特性是相互關(guān)聯(lián)的，它們共同影響著巖渣的粒徑分布以及在工程中的應(yīng)用。深入研究巖渣的物理特性，對于準確分析巖渣粒徑分布規(guī)律，優(yōu)化TBM施工參數(shù)以及合理利用巖渣具有重要意義。2.2巖渣粒徑分布的測量方法2.2.1現(xiàn)場篩分試驗現(xiàn)場篩分試驗是一種常用的測量巖渣粒徑分布的方法，其步驟較為嚴謹，能較為準確地獲取巖渣粒徑分布信息。在進行現(xiàn)場篩分試驗時，首先需要準備一套標準套篩，標準套篩通常由多個不同孔徑的篩子組成，這些篩子的孔徑按照一定的比例遞增或遞減，如泰勒標準篩，其篩孔尺寸從大到小依次排列，能滿足不同粒徑范圍巖渣的篩分需求。篩子的孔徑范圍應(yīng)根據(jù)巖渣的大致粒徑范圍來選擇，以確保能夠全面地篩分巖渣。準備好標準套篩后，將其按照孔徑從大到小的順序依次疊放，最下面放置篩底，最上面蓋上篩蓋，然后將篩子固定在振篩機上。振篩機是一種能夠產(chǎn)生振動的設(shè)備，其振動方式和頻率可根據(jù)實際情況進行調(diào)節(jié)，以保證巖渣能夠充分地通過篩孔。將采集到的巖渣樣品放入最上層的篩子中，啟動振篩機，振動一段時間，一般為10-15分鐘，使巖渣在篩子中充分篩分。振動時間的選擇需要根據(jù)巖渣的性質(zhì)和粒徑分布情況進行調(diào)整，對于粒徑較大、質(zhì)地較硬的巖渣，可能需要較長的振動時間；而對于粒徑較小、質(zhì)地較軟的巖渣，振動時間則可適當縮短。篩分完成后，依次將每層篩子取下，小心地收集篩上和篩底的巖渣。使用電子天平準確稱量各層篩子上和篩底的巖渣質(zhì)量，并記錄數(shù)據(jù)。在稱量過程中，要注意保持天平的平衡和穩(wěn)定，避免外界因素對稱量結(jié)果的影響。通過計算各層篩子上巖渣質(zhì)量占總質(zhì)量的百分比，即可得到巖渣在不同粒徑范圍內(nèi)的分布情況。例如，若某層篩子上的巖渣質(zhì)量為m1，總巖渣質(zhì)量為M，則該粒徑范圍內(nèi)巖渣的質(zhì)量百分比為（m1/M）×100%。現(xiàn)場篩分試驗的優(yōu)點是操作簡單、直觀，設(shè)備成本較低，能夠直接得到巖渣在不同粒徑區(qū)間的質(zhì)量分布情況，結(jié)果易于理解和分析。然而，該方法也存在一些局限性。例如，篩分結(jié)果受顆粒形狀的影響較大，形狀不規(guī)則的巖渣可能會卡在篩孔中，導(dǎo)致測量結(jié)果不準確；對于微細顆粒，篩分效率較低，且容易出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，影響測量精度；此外，篩分過程中可能會對巖渣造成一定的破碎，從而改變巖渣的粒徑分布。2.2.2其他測量技術(shù)除了現(xiàn)場篩分試驗外，激光粒度分析和圖像分析等技術(shù)也被廣泛應(yīng)用于巖渣粒徑分布的測量。激光粒度分析技術(shù)是基于激光散射原理來測量顆粒粒徑分布的。當激光照射到巖渣顆粒上時，顆粒會使激光發(fā)生散射，散射光的強度和角度與顆粒的粒徑大小有關(guān)。通過測量散射光的強度分布，并利用特定的數(shù)學(xué)模型進行反演計算，就可以得到巖渣的粒徑分布。激光粒度分析儀具有測量速度快、精度高、測量范圍廣等優(yōu)點，能夠快速準確地測量巖渣的粒徑分布，且對微細顆粒的測量效果較好。然而，該技術(shù)也存在一些缺點，如設(shè)備成本較高，對測量環(huán)境要求較為嚴格，且測量結(jié)果受顆粒形狀和折射率等因素的影響較大。在實際應(yīng)用中，需要對測量結(jié)果進行合理的校正和分析，以提高測量的準確性。圖像分析技術(shù)則是通過對巖渣顆粒的圖像進行處理和分析來獲取粒徑分布信息。首先，利用顯微鏡、高速攝像機等設(shè)備獲取巖渣顆粒的圖像，然后使用圖像分析軟件對圖像進行處理，如二值化、邊緣檢測、顆粒識別等，最后通過計算顆粒的投影面積、周長等參數(shù)，根據(jù)一定的算法換算得到顆粒的粒徑。圖像分析技術(shù)能夠直觀地觀察巖渣顆粒的形狀和分布情況，對于研究巖渣的形狀特征和粒度分布的關(guān)系具有重要意義。此外，該技術(shù)還可以對單個顆粒進行分析，獲取顆粒的詳細信息。但是，圖像分析技術(shù)的測量效率相對較低，受人為因素影響較大，且對于粒徑較小的顆粒，圖像采集和分析的難度較大。在使用圖像分析技術(shù)時，需要選擇合適的圖像采集設(shè)備和分析軟件，并進行嚴格的校準和驗證，以確保測量結(jié)果的可靠性。2.3巖渣粒徑分布的數(shù)學(xué)模型2.3.1Rosin-Rammler函數(shù)Rosin-Rammler函數(shù)是一種廣泛應(yīng)用于描述顆粒粒徑分布的數(shù)學(xué)模型，在巖渣粒徑分布研究中具有重要地位。該函數(shù)最早由Rosin和Rammler于1933年提出，其表達式為：R(x)=1-\exp\left[-\left(\frac{x}{x_{0}}\right)^{n}\right]其中，R(x)表示粒徑大于x的巖渣累積質(zhì)量百分比；x為粒徑；x_{0}為特征粒徑，也稱為尺度參數(shù)，它表示累積質(zhì)量百分比達到63.2\%時所對應(yīng)的粒徑，x_{0}的值越大，說明巖渣的平均粒徑越大；n為分布指數(shù)，也叫形狀參數(shù)，它反映了粒徑分布的均勻程度，n值越大，粒徑分布越集中，顆粒大小越均勻，反之，n值越小，粒徑分布越分散。在實際應(yīng)用中，Rosin-Rammler函數(shù)能夠較好地擬合TBM施工產(chǎn)生的巖渣粒徑分布數(shù)據(jù)。通過對現(xiàn)場采集的巖渣樣本進行篩分分析或激光粒度分析，獲得不同粒徑下巖渣的質(zhì)量百分比數(shù)據(jù)，然后利用最小二乘法、非線性回歸等方法對Rosin-Rammler函數(shù)進行參數(shù)擬合，確定x_{0}和n的值，從而得到巖渣粒徑分布的數(shù)學(xué)表達式。例如，在某TBM隧道施工項目中，對采集的巖渣樣本進行分析后，利用最小二乘法擬合得到x_{0}=2.5mm，n=1.8，表明該工程中巖渣的平均粒徑為2.5mm，且粒徑分布相對較為分散。Rosin-Rammler函數(shù)之所以在巖渣粒徑分布描述中得到廣泛應(yīng)用，主要是因為它具有以下優(yōu)點：函數(shù)形式簡單，僅有兩個參數(shù)x_{0}和n，便于理解和計算；能夠靈活地描述不同類型的粒徑分布，通過調(diào)整x_{0}和n的值，可以適應(yīng)多種粒徑分布情況；在對數(shù)坐標紙上，\ln\left[-\ln(1-R(x))\right]與\lnx呈線性關(guān)系，這使得數(shù)據(jù)的處理和分析更加方便，可以通過線性回歸的方法快速確定函數(shù)的參數(shù)。2.3.2其他分布模型除了Rosin-Rammler函數(shù)外，還有一些其他的數(shù)學(xué)模型也可用于描述巖渣粒徑分布，如正態(tài)分布模型、對數(shù)正態(tài)分布模型、Weibull分布模型等。正態(tài)分布模型的概率密度函數(shù)為：f(x)=\frac{1}{\sigma\sqrt{2\pi}}\exp\left[-\frac{(x-\mu)^{2}}{2\sigma^{2}}\right]其中，\mu為均值，代表粒徑的平均大??；\sigma為標準差，反映粒徑分布的離散程度。正態(tài)分布模型的特點是粒徑分布關(guān)于均值對稱，在均值處概率密度最大。然而，在實際的巖渣粒徑分布中，正態(tài)分布模型的應(yīng)用相對較少，因為巖渣粒徑分布往往呈現(xiàn)出非對稱的特征，大粒徑和小粒徑的巖渣含量分布并不均勻，不符合正態(tài)分布的條件。對數(shù)正態(tài)分布模型是將粒徑的對數(shù)作為變量，假設(shè)其服從正態(tài)分布。其概率密度函數(shù)為：f(x)=\frac{1}{x\sigma_{ln}\sqrt{2\pi}}\exp\left[-\frac{(\lnx-\mu_{ln})^{2}}{2\sigma_{ln}^{2}}\right]其中，\mu_{ln}為粒徑對數(shù)的均值；\sigma_{ln}為粒徑對數(shù)的標準差。對數(shù)正態(tài)分布模型能夠較好地描述一些具有偏態(tài)分布特征的巖渣粒徑數(shù)據(jù)，尤其是當巖渣中存在少量大顆?；蛐☆w粒時，其擬合效果優(yōu)于正態(tài)分布模型。例如，在一些含有較多細顆粒的巖渣樣本中，對數(shù)正態(tài)分布模型可以更準確地反映粒徑分布的規(guī)律。Weibull分布模型的表達式為：F(x)=1-\exp\left[-\left(\frac{x-\gamma}{\alpha}\right)^{\beta}\right]其中，F(xiàn)(x)表示粒徑小于x的巖渣累積質(zhì)量百分比；\alpha為尺度參數(shù)，與粒徑的大小有關(guān)；\beta為形狀參數(shù)，決定了分布的形狀；\gamma為位置參數(shù)，通常取0。Weibull分布模型具有較強的適應(yīng)性，可以通過調(diào)整參數(shù)來描述不同類型的粒徑分布，在巖渣粒徑分布研究中也有一定的應(yīng)用。當\beta=1時，Weibull分布退化為指數(shù)分布；當\beta=2時，其形狀類似于瑞利分布。與Rosin-Rammler函數(shù)相比，這些分布模型各有特點。正態(tài)分布模型雖然形式簡單，但對巖渣粒徑分布的擬合效果較差；對數(shù)正態(tài)分布模型在處理偏態(tài)分布數(shù)據(jù)時具有一定優(yōu)勢，但參數(shù)的物理意義不如Rosin-Rammler函數(shù)直觀；Weibull分布模型適應(yīng)性強，但參數(shù)較多，計算相對復(fù)雜。在實際應(yīng)用中，需要根據(jù)巖渣粒徑分布的具體特征和研究目的，選擇合適的分布模型。一般來說，Rosin-Rammler函數(shù)由于其簡單性和良好的擬合效果，在巖渣粒徑分布描述中應(yīng)用最為廣泛，但在某些特殊情況下，其他分布模型可能會提供更準確的描述。2.4影響巖渣粒徑分布的因素2.4.1巖石性質(zhì)巖石性質(zhì)是影響巖渣粒徑分布的重要因素之一，其硬度、脆性、結(jié)構(gòu)等方面的特性對巖渣粒徑有著顯著影響。巖石硬度直接決定了滾刀破巖的難易程度。當巖石硬度較高時，滾刀需要施加更大的力才能破碎巖石，這使得巖石更傾向于發(fā)生脆性斷裂。在脆性斷裂過程中，巖石內(nèi)部的裂紋迅速擴展并相互貫通，形成大量細小的破碎塊，從而導(dǎo)致巖渣中細顆粒的含量增加，粒徑分布偏向小粒徑一側(cè)。例如，在花崗巖等硬度較高的巖石中，TBM施工產(chǎn)生的巖渣中，粒徑小于5mm的顆粒含量可能高達50%以上。相反，對于硬度較低的巖石，如頁巖等，滾刀破巖相對容易，巖石更多地發(fā)生塑性變形，形成的巖渣粒徑相對較大，粗顆粒含量較多。巖石的脆性與硬度密切相關(guān)，但又有其獨特的影響機制。脆性大的巖石在受到滾刀作用時，容易產(chǎn)生突發(fā)性的破裂，裂紋擴展迅速且不規(guī)則，導(dǎo)致巖石破碎成大小不一的碎塊，巖渣粒徑分布較為分散。而脆性較小的巖石，在破巖過程中會有一定的塑性變形階段，使得巖渣的粒徑相對較為均勻，分布范圍相對較窄。例如，石灰?guī)r的脆性相對較大，其巖渣粒徑分布范圍較寬，從細小的粉末到較大的塊狀都有分布；而黏土巖的脆性較小，巖渣粒徑相對集中在某一特定范圍。巖石的結(jié)構(gòu)特征，如節(jié)理裂隙發(fā)育程度、礦物顆粒大小和排列方式等，也對巖渣粒徑分布產(chǎn)生重要影響。節(jié)理裂隙是巖石中的薄弱部位，滾刀作用于巖石時，裂紋往往沿著節(jié)理裂隙擴展，使得巖石更容易破碎。當巖石節(jié)理裂隙發(fā)育時，巖渣粒徑通常較大，因為巖石更容易沿著這些薄弱面被分割成較大的塊體。研究表明，節(jié)理間距越小、節(jié)理密度越大，巖渣的平均粒徑就越大。此外，巖石中礦物顆粒的大小和排列方式也會影響巖渣粒徑。礦物顆粒較大且排列疏松的巖石，在破巖過程中更容易形成較大粒徑的巖渣；而礦物顆粒細小且緊密排列的巖石，產(chǎn)生的巖渣粒徑則相對較小。2.4.2TBM掘進參數(shù)TBM掘進參數(shù)對巖渣粒徑分布有著直接且顯著的影響，滾刀貫入度、切割速度、推力等參數(shù)的變化會改變破巖過程，進而影響巖渣的粒徑分布。滾刀貫入度是指滾刀在巖石中每轉(zhuǎn)一圈的切入深度，它是影響巖渣粒徑的關(guān)鍵參數(shù)之一。當貫入度較小時，滾刀對巖石的作用相對較弱，巖石主要發(fā)生表面破碎，形成的巖渣粒徑較小。隨著貫入度的增加，滾刀對巖石的作用力增大，巖石內(nèi)部的裂紋擴展加深，破碎范圍擴大，從而產(chǎn)生較大粒徑的巖渣。研究表明，貫入度與巖渣平均粒徑之間存在正相關(guān)關(guān)系，當貫入度從5mm增加到10mm時，巖渣的平均粒徑可能會增大2-3倍。但貫入度過大也會導(dǎo)致滾刀磨損加劇，甚至出現(xiàn)刀圈破裂等問題，因此需要在實際施工中根據(jù)巖石性質(zhì)和設(shè)備性能合理選擇貫入度。切割速度是指滾刀在巖石表面的線速度，它影響著滾刀與巖石的接觸時間和作用力的施加頻率。當切割速度較低時，滾刀與巖石接觸時間長，作用力較為集中，巖石破碎較為充分，巖渣粒徑相對較小。隨著切割速度的提高，滾刀與巖石的接觸時間縮短，作用力分散，巖石破碎不夠充分，會產(chǎn)生較大粒徑的巖渣。同時，切割速度過快還可能導(dǎo)致刀盤振動加劇，影響破巖的穩(wěn)定性和巖渣粒徑分布的均勻性。例如，在某隧道施工中，當切割速度從1m/s提高到2m/s時，巖渣中粒徑大于20mm的顆粒含量增加了15%左右。推力是TBM破巖的主要動力來源，它直接決定了滾刀對巖石的壓力大小。推力越大，滾刀對巖石的擠壓作用越強，巖石更容易破碎，巖渣粒徑也會相應(yīng)增大。但推力過大可能會導(dǎo)致巖石過度破碎，產(chǎn)生過多的細顆粒巖渣，同時也會增加滾刀的磨損和設(shè)備的能耗。因此，在施工過程中需要根據(jù)巖石性質(zhì)和掘進要求合理調(diào)整推力，以獲得合適的巖渣粒徑分布。例如，在硬巖地層中，適當增大推力可以提高破巖效率，但需要注意控制推力的大小，避免巖渣粒徑過小影響出渣和施工進度。2.4.3地質(zhì)條件地質(zhì)條件是影響巖渣粒徑分布的重要外部因素，地層構(gòu)造、節(jié)理裂隙等地質(zhì)特征對巖渣粒徑有著復(fù)雜而重要的作用。地層構(gòu)造是指地層的褶皺、斷層、層理等特征，這些構(gòu)造會改變巖石的力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)，從而影響巖渣粒徑分布。在褶皺地層中，巖石受到擠壓和拉伸作用，內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，巖渣粒徑分布也會呈現(xiàn)出不均勻的特點。在背斜頂部，巖石受張應(yīng)力作用，容易破碎成較小的顆粒；而在向斜底部，巖石受擠壓應(yīng)力作用，巖渣粒徑可能相對較大。斷層是巖石的斷裂構(gòu)造，斷層帶內(nèi)的巖石破碎、結(jié)構(gòu)松散，TBM通過斷層時，巖渣粒徑通常較大，且含有較多的碎塊和粉末。此外，層理是巖石的成層結(jié)構(gòu)，不同層理之間的巖石性質(zhì)存在差異，滾刀破巖時，巖渣粒徑會因?qū)永淼挠绊懚l(fā)生變化。當滾刀垂直于層理方向破巖時，巖渣粒徑相對較小；而當滾刀平行于層理方向破巖時，巖渣粒徑可能較大。節(jié)理裂隙是巖石中天然存在的裂縫，它們是巖石的薄弱部位，對巖渣粒徑分布有著顯著影響。節(jié)理裂隙的發(fā)育程度、方向和間距等因素都會改變巖石的破碎方式和巖渣粒徑。節(jié)理裂隙發(fā)育程度越高，巖石越容易沿著這些裂隙破碎，形成的巖渣粒徑越大。研究表明，當節(jié)理裂隙間距小于10cm時，巖渣的平均粒徑比節(jié)理間距大于50cm時增大30%-50%。節(jié)理裂隙的方向也會影響巖渣粒徑分布。當滾刀的運動方向與節(jié)理裂隙方向平行時，巖石更容易沿著裂隙被切割，形成較大的巖渣塊；而當滾刀垂直于節(jié)理裂隙方向運動時，巖渣粒徑相對較小。此外，節(jié)理裂隙的間距越小，巖渣粒徑的分布越不均勻，大粒徑和小粒徑的巖渣含量都會增加。三、TBM滾刀磨耗研究3.1滾刀的結(jié)構(gòu)與破巖機理3.1.1滾刀的結(jié)構(gòu)組成TBM滾刀作為破巖的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計直接影響破巖效果和自身的磨耗情況。滾刀主要由刀圈、刀體、軸承、密封裝置等部件組成，各部件協(xié)同工作，共同完成破巖任務(wù)。刀圈是滾刀直接與巖石接觸并實現(xiàn)破巖的核心部件，通常采用高強度、高耐磨性的合金材料制成，如合金模具鋼或合金結(jié)構(gòu)鋼，對于鑲齒刀圈，其材料還需具備良好的強韌性配合，常選用高強度合金結(jié)構(gòu)鋼。刀圈的形狀和尺寸對破巖效果有重要影響，常見的刀圈為環(huán)形，刃口部分經(jīng)過特殊設(shè)計和加工，具有較高的硬度和鋒利度，以保證在破巖過程中能夠有效地切入巖石。刀圈在工作時承受著巨大的壓力、摩擦力和沖擊力，容易發(fā)生磨損和損壞，因此其耐磨性和強度是衡量刀圈質(zhì)量的重要指標。刀體是滾刀的支撐結(jié)構(gòu)，起到連接刀圈和其他部件的作用，同時也為軸承和密封裝置提供安裝空間。刀體需要具備足夠的強度和韌性，以承受滾刀在破巖過程中受到的各種力，通常采用中碳合金結(jié)構(gòu)鋼制造。刀體的結(jié)構(gòu)設(shè)計要考慮到與刀圈的配合精度，以及在復(fù)雜工況下的穩(wěn)定性，確保刀圈能夠穩(wěn)定地工作，避免因刀體的變形或損壞而影響滾刀的性能。軸承是保證滾刀能夠靈活轉(zhuǎn)動的關(guān)鍵部件，滾刀在工作時需要繞自身軸線高速旋轉(zhuǎn)，軸承的性能直接影響滾刀的轉(zhuǎn)動效率和使用壽命。滾刀軸承多采用圓錐滾子軸承，這種軸承能夠承受較大的徑向和軸向載荷，適應(yīng)滾刀在破巖過程中的復(fù)雜受力情況。不同的使用工況，如巖石硬度、掘進速度、推力等，對軸承的游隙、預(yù)緊力和安裝扭矩有不同的要求，需要根據(jù)實際情況進行合理調(diào)整，以確保軸承的正常工作。密封裝置的作用是防止外界的灰塵、巖渣、水等雜質(zhì)進入滾刀內(nèi)部，同時保證滾刀內(nèi)腔的潤滑劑不泄漏，從而保護軸承和其他部件不受損壞，延長滾刀的使用壽命。密封裝置通常由浮動密封環(huán)和密封圈組成，浮動密封環(huán)采用高硬度耐磨高鉻鉬的鑄鐵材料，密封圈由富有彈性的復(fù)合橡膠制成，如丁晴橡膠。這種密封結(jié)構(gòu)能夠在滾刀高速旋轉(zhuǎn)和復(fù)雜的工作環(huán)境下，保持良好的密封效果。3.1.2滾刀的破巖機理滾刀的破巖過程是一個復(fù)雜的力學(xué)過程，涉及到巖石的多種破壞形式和力學(xué)作用。在TBM掘進過程中，滾刀在刀盤的推力和轉(zhuǎn)矩作用下，緊壓在巖石表面并隨刀盤旋轉(zhuǎn)，對巖石產(chǎn)生擠壓、剪切、拉伸等多種作用，從而實現(xiàn)巖石的破碎。當滾刀與巖石接觸時，首先在刀刃下的巖石會受到集中的法向推壓力，該壓力由刀盤的推力提供。在法向推壓力的作用下，刀刃下的巖石產(chǎn)生局部的塑性變形，隨著壓力的不斷增大，巖石內(nèi)部開始出現(xiàn)微裂紋，這些微裂紋在壓應(yīng)力和巖石內(nèi)部應(yīng)力的作用下逐漸擴展。此時，滾刀在刀盤轉(zhuǎn)矩的作用下，對巖石產(chǎn)生切向滾動切割力，切向滾動切割力使巖石受到剪切作用，微裂紋進一步擴展并相互貫通，形成破碎區(qū)。在破碎區(qū)，巖石被破碎成小塊，這些小塊在滾刀的繼續(xù)作用下，被碾壓、摩擦，形成更小的顆粒，部分顆粒被壓密形成密實核。隨著滾刀的持續(xù)旋轉(zhuǎn)，密實核將滾刀的壓力傳遞給周圍巖石，使周圍巖石產(chǎn)生徑向裂紋。這些徑向裂紋向刀刃兩側(cè)延伸，當相鄰滾刀間的巖石裂紋相互貫通時，巖石就會在拉應(yīng)力的作用下發(fā)生拉伸破裂，形成巖石碎片而崩落，從而完成一次破巖過程。在整個破巖過程中，滾刀邊緣還會產(chǎn)生側(cè)向力，該側(cè)向力由滾刀對巖石的擠壓力和刀盤旋轉(zhuǎn)的離心力所產(chǎn)生，但由于其數(shù)值較小，與法向推壓力和切向滾動切割力不屬于同一數(shù)量級，一般在破巖機理分析中不考慮。滾刀破巖過程中的力學(xué)作用與巖石的性質(zhì)密切相關(guān)。對于硬度較高的巖石，需要更大的法向推壓力和切向滾動切割力才能使其破碎，破巖過程中巖石主要發(fā)生脆性斷裂，形成的巖渣粒徑相對較小；而對于硬度較低的巖石，滾刀破巖相對容易，巖石更多地發(fā)生塑性變形，破巖過程中產(chǎn)生的裂紋擴展相對較緩慢，形成的巖渣粒徑相對較大。巖石的脆性也會影響破巖過程，脆性大的巖石在受到滾刀作用時，裂紋擴展迅速，容易發(fā)生突發(fā)性的破裂，導(dǎo)致巖石破碎成大小不一的碎塊，巖渣粒徑分布較為分散。3.2滾刀磨耗的形式與機理3.2.1滾刀磨耗的主要形式滾刀在TBM破巖過程中，由于受到復(fù)雜的力學(xué)作用和惡劣的工作環(huán)境影響，會出現(xiàn)多種磨損形式，主要包括正常磨損和異常磨損。正常磨損是滾刀在長時間、穩(wěn)定的工作過程中逐漸發(fā)生的磨損現(xiàn)象，其磨損過程相對較為均勻和緩慢。刀圈磨損是正常磨損的主要表現(xiàn)形式之一，刀圈在與巖石的持續(xù)接觸和摩擦過程中，表面材料逐漸被磨去，導(dǎo)致刀圈的外徑減小、厚度變薄。刀圈磨損通常呈現(xiàn)出均勻的圓周磨損特征，在刀圈的整個圓周表面上，磨損程度相對較為一致。刀齒磨損也是磨損的常見正常形式，刀齒在破巖過程中承受著巖石的擠壓和摩擦，齒尖部分容易逐漸磨損變鈍，影響滾刀的破巖效果。隨著磨損的加劇，刀齒的高度會逐漸降低，齒形也會發(fā)生變化。刀齒磨損一般從齒尖開始，逐漸向齒根方向發(fā)展，磨損區(qū)域呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。異常磨損則是由于滾刀在工作過程中受到突發(fā)的、非正常的外力作用，或者工作環(huán)境出現(xiàn)異常變化等原因?qū)е碌哪p現(xiàn)象，其磨損過程較為迅速且不規(guī)則，往往會對滾刀的性能和使用壽命造成嚴重影響。剝落是一種常見的異常磨損形式，當滾刀受到較大的沖擊力或交變應(yīng)力作用時，刀圈或刀齒表面的材料會發(fā)生局部脫落，形成剝落坑。剝落坑的出現(xiàn)會破壞滾刀表面的完整性，導(dǎo)致應(yīng)力集中，進一步加劇滾刀的磨損。剝落現(xiàn)象通常是由于材料的疲勞、裂紋擴展等原因引起的，在滾刀的工作過程中，這些裂紋會逐漸擴展，最終導(dǎo)致材料的剝落。崩刃是指刀齒在受到過大的沖擊力或剪切力時，齒尖部分突然斷裂，形成崩刃現(xiàn)象。崩刃會使?jié)L刀的破巖能力急劇下降，嚴重影響TBM的施工進度。崩刃的發(fā)生往往與巖石的硬度、節(jié)理裂隙分布以及滾刀的切削參數(shù)等因素有關(guān)。當滾刀遇到堅硬的巖石或巖石中的節(jié)理裂隙時，刀齒受到的沖擊力會突然增大，超過刀齒材料的強度極限，從而導(dǎo)致崩刃。刀圈破裂是異常磨損中最為嚴重的一種形式，當滾刀受到極大的外力作用，或者刀圈本身存在質(zhì)量缺陷時，刀圈可能會發(fā)生破裂。刀圈破裂會使?jié)L刀完全失效，需要立即更換，這不僅會增加施工成本，還會延誤工期。刀圈破裂的原因較為復(fù)雜，可能是由于刀圈材料的韌性不足、熱處理不當、制造過程中的缺陷，或者在使用過程中受到過大的沖擊力、溫度變化等因素的影響。3.2.2磨耗機理分析滾刀的磨耗過程涉及多種復(fù)雜的物理和力學(xué)現(xiàn)象，主要包括磨料磨損、疲勞磨損、粘著磨損等機理。磨料磨損是滾刀磨耗的主要機理之一，在TBM破巖過程中，巖石中的堅硬顆粒，如石英、長石等，會像磨料一樣對滾刀表面產(chǎn)生切削和刮擦作用，導(dǎo)致滾刀材料逐漸被磨損。當滾刀與巖石接觸時，巖石中的這些硬顆粒會嵌入滾刀表面，在滾刀的轉(zhuǎn)動過程中，硬顆粒會在滾刀表面劃出微小的溝槽，使?jié)L刀表面的材料不斷被去除，從而造成磨料磨損。磨料磨損的程度與巖石中硬顆粒的含量、硬度、形狀以及滾刀材料的硬度和耐磨性等因素密切相關(guān)。巖石中硬顆粒含量越高、硬度越大，滾刀的磨料磨損就越嚴重；而滾刀材料的硬度越高、耐磨性越好，抵抗磨料磨損的能力就越強。疲勞磨損是由于滾刀在破巖過程中受到周期性的交變應(yīng)力作用，導(dǎo)致材料表面產(chǎn)生疲勞裂紋，隨著裂紋的擴展和連接，最終使材料表面的顆粒脫落，形成磨損。滾刀在工作時，刀圈和刀齒會受到巖石的反復(fù)擠壓、沖擊和剪切作用，這些力會在滾刀材料內(nèi)部產(chǎn)生交變應(yīng)力。當交變應(yīng)力超過材料的疲勞極限時，材料表面就會產(chǎn)生微小的疲勞裂紋。隨著滾刀的持續(xù)工作，這些裂紋會逐漸擴展，相互連接，形成疲勞剝落坑，導(dǎo)致滾刀表面材料的損失。疲勞磨損的程度與交變應(yīng)力的大小、循環(huán)次數(shù)、滾刀材料的疲勞性能等因素有關(guān)。交變應(yīng)力越大、循環(huán)次數(shù)越多，滾刀的疲勞磨損就越嚴重；而滾刀材料的疲勞強度越高、韌性越好，抗疲勞磨損的能力就越強。粘著磨損是指在滾刀與巖石接觸的過程中，由于表面微觀不平度和壓力的作用，滾刀表面和巖石表面的分子之間會產(chǎn)生粘附力，當滾刀與巖石發(fā)生相對運動時，粘附點會被剪斷，導(dǎo)致滾刀表面的材料轉(zhuǎn)移到巖石表面，或者巖石表面的材料轉(zhuǎn)移到滾刀表面，從而造成磨損。在高溫、高壓的工作條件下，粘著磨損會更加明顯。當滾刀在破巖過程中，刀圈與巖石表面緊密接觸，接觸點處的壓力很高，溫度也會升高，使得滾刀表面和巖石表面的分子活性增加，容易發(fā)生粘附現(xiàn)象。粘著磨損的程度與滾刀和巖石的材料性質(zhì)、表面粗糙度、接觸壓力、相對運動速度以及工作溫度等因素有關(guān)。表面粗糙度越大、接觸壓力越高、相對運動速度越快、工作溫度越高，粘著磨損就越容易發(fā)生。在實際的滾刀磨耗過程中，這幾種磨損機理并不是孤立存在的，而是相互作用、相互影響的。例如，磨料磨損會使?jié)L刀表面產(chǎn)生微觀缺陷，這些缺陷會成為疲勞裂紋的萌生源，從而加速疲勞磨損的發(fā)生；而疲勞磨損產(chǎn)生的剝落坑又會增加滾刀表面的粗糙度，進而加劇磨料磨損和粘著磨損。因此，深入研究滾刀磨耗的機理，需要綜合考慮多種因素的影響，以便采取有效的措施來減少滾刀的磨損，提高其使用壽命。3.3影響滾刀磨耗的因素3.3.1巖石性質(zhì)巖石性質(zhì)對滾刀磨耗有著至關(guān)重要的影響，其中硬度、耐磨性和磨蝕性是幾個關(guān)鍵因素。巖石硬度是衡量巖石抵抗外力作用能力的重要指標，它直接影響滾刀破巖時的受力情況和磨耗程度。當巖石硬度較高時，滾刀需要施加更大的力才能切入巖石，這使得滾刀與巖石之間的摩擦力和沖擊力增大，從而加速滾刀的磨損。在花崗巖等硬度較高的巖石中，滾刀的磨損速度通常比在頁巖等軟巖中快數(shù)倍。研究表明，巖石硬度與滾刀磨損量之間存在正相關(guān)關(guān)系，當巖石硬度增加10%時，滾刀的磨損量可能會增加15%-20%。這是因為硬度高的巖石中含有更多的硬質(zhì)礦物顆粒，如石英、長石等，這些顆粒在滾刀破巖過程中會像磨料一樣對滾刀表面產(chǎn)生切削和刮擦作用，導(dǎo)致滾刀材料不斷被磨損。巖石的耐磨性反映了巖石抵抗磨損的能力，它與巖石的礦物組成、結(jié)構(gòu)和硬度等因素密切相關(guān)。耐磨性好的巖石，在滾刀破巖過程中不易被磨損，從而減少了對滾刀的磨損作用。而耐磨性差的巖石，自身容易被磨損，會產(chǎn)生更多的細小顆粒，這些顆粒會加劇滾刀的磨料磨損。例如，含有較多黏土礦物的巖石，其耐磨性較差，在TBM施工中，這類巖石產(chǎn)生的細顆粒巖渣會大量附著在滾刀表面，增加滾刀的磨損。研究發(fā)現(xiàn)，巖石的耐磨性與滾刀磨損率之間存在反比關(guān)系，即巖石的耐磨性越高，滾刀的磨損率越低。巖石的磨蝕性是指巖石對滾刀材料的侵蝕和磨損能力，它主要取決于巖石中硬礦物顆粒的含量、硬度、形狀以及巖石的結(jié)構(gòu)等因素。磨蝕性強的巖石中含有大量硬度高、形狀尖銳的礦物顆粒，這些顆粒在滾刀與巖石的相對運動中，會對滾刀表面造成嚴重的刮擦和磨損。在石英含量較高的砂巖中，由于石英的硬度高且形狀不規(guī)則，對滾刀的磨蝕作用非常明顯，滾刀的磨損速度較快。磨蝕性還與巖石的結(jié)構(gòu)有關(guān)，結(jié)構(gòu)疏松的巖石更容易產(chǎn)生碎屑，這些碎屑會進入滾刀的密封裝置和軸承等部位，導(dǎo)致滾刀的密封失效和軸承損壞，進一步加劇滾刀的磨損。3.3.2TBM掘進參數(shù)TBM掘進參數(shù)的選擇直接影響滾刀的工作狀態(tài)和磨耗情況，滾刀貫入度、切割速度、推力等參數(shù)與滾刀磨耗之間存在著密切的關(guān)系。滾刀貫入度是指滾刀在巖石中每轉(zhuǎn)一圈的切入深度，它是影響滾刀磨耗的關(guān)鍵掘進參數(shù)之一。當貫入度較小時，滾刀與巖石的接觸面積較小，單位面積上的作用力較大，滾刀的磨損主要集中在刀刃部位，磨損形式以磨料磨損為主。隨著貫入度的增加，滾刀與巖石的接觸面積增大，單位面積上的作用力減小，但滾刀的磨損范圍擴大，磨損量也會相應(yīng)增加。研究表明，貫入度與滾刀磨損量之間存在近似線性的關(guān)系，當貫入度從5mm增加到10mm時，滾刀的磨損量可能會增加1-2倍。然而，貫入度過大時，滾刀受到的沖擊力會急劇增大，容易導(dǎo)致刀圈破裂、崩刃等異常磨損現(xiàn)象的發(fā)生，嚴重影響滾刀的使用壽命。因此，在實際施工中，需要根據(jù)巖石性質(zhì)和滾刀的性能合理選擇貫入度，以減少滾刀的磨損。切割速度是指滾刀在巖石表面的線速度，它對滾刀磨耗的影響較為復(fù)雜。當切割速度較低時，滾刀與巖石的接觸時間較長，巖石的破碎較為充分，但滾刀在單位時間內(nèi)受到的沖擊次數(shù)較少，磨損相對較小。隨著切割速度的提高，滾刀與巖石的接觸時間縮短，巖石破碎不夠充分，會產(chǎn)生較大的沖擊力，導(dǎo)致滾刀的磨損加劇。同時，切割速度過快還會使?jié)L刀的溫度升高，加劇滾刀材料的磨損和疲勞損傷。在某隧道施工中，當切割速度從1m/s提高到2m/s時，滾刀的磨損量增加了30%-40%。此外，切割速度的變化還會影響滾刀的磨損形式，低速時以磨料磨損為主，高速時則可能出現(xiàn)疲勞磨損和粘著磨損等多種形式。推力是TBM破巖的主要動力來源，它直接決定了滾刀對巖石的壓力大小。推力越大，滾刀對巖石的擠壓作用越強，巖石更容易破碎，但同時滾刀受到的反作用力也越大，磨損加劇。研究表明，推力與滾刀磨損量之間呈指數(shù)關(guān)系，當推力增加時，滾刀磨損量會迅速增加。在硬巖地層中，為了提高破巖效率，需要增大推力，但這也會導(dǎo)致滾刀的磨損加快。因此，在施工過程中，需要根據(jù)巖石性質(zhì)和滾刀的磨損情況，合理調(diào)整推力，以平衡破巖效率和滾刀磨損之間的關(guān)系。例如，在遇到硬度變化較大的巖石時，可以通過實時監(jiān)測滾刀的磨損情況，自動調(diào)整推力，避免因推力過大導(dǎo)致滾刀過度磨損。3.3.3滾刀自身因素滾刀自身的材質(zhì)、熱處理工藝、結(jié)構(gòu)設(shè)計等因素對其磨耗有著根本性的影響。滾刀的材質(zhì)是決定其耐磨性和使用壽命的關(guān)鍵因素之一。目前，常用的滾刀材料主要有合金模具鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼以及硬質(zhì)合金等。合金模具鋼具有較高的強度和韌性，能夠承受較大的沖擊力，但耐磨性相對較差；合金結(jié)構(gòu)鋼則具有較好的綜合性能，強度、韌性和耐磨性較為平衡；硬質(zhì)合金具有極高的硬度和耐磨性，但其韌性較低，容易發(fā)生脆性斷裂。在不同的巖石條件下，需要選擇合適的滾刀材料。在軟巖地層中，合金結(jié)構(gòu)鋼滾刀能夠滿足施工要求，且成本相對較低；而在硬巖地層中，為了提高滾刀的耐磨性，通常會選用硬質(zhì)合金滾刀或表面經(jīng)過特殊處理的合金模具鋼滾刀。熱處理工藝可以顯著改善滾刀材料的組織結(jié)構(gòu)和性能，從而提高滾刀的耐磨性和抗疲勞性能。常見的熱處理工藝包括淬火、回火、滲碳、氮化等。淬火可以提高滾刀材料的硬度和強度，回火則可以消除淬火應(yīng)力，提高材料的韌性。滲碳和氮化可以在滾刀表面形成一層高硬度的滲層，提高滾刀的耐磨性和抗腐蝕性。通過合理的熱處理工藝，可以使?jié)L刀材料的硬度、韌性和耐磨性達到最佳匹配，減少滾刀的磨損。研究表明，經(jīng)過適當熱處理的滾刀，其磨損量可以降低20%-30%。滾刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計對其磨耗也有重要影響。刀圈的形狀、厚度、刃口角度等參數(shù)都會影響滾刀的破巖效果和磨損情況。刀圈的刃口角度過小，雖然有利于切入巖石，但刃口容易磨損；刃口角度過大，則破巖效率會降低。刀圈的厚度也需要根據(jù)巖石性質(zhì)和掘進參數(shù)進行合理設(shè)計，厚度過小，刀圈容易磨損和破裂；厚度過大，則會增加滾刀的重量和轉(zhuǎn)動慣量，影響破巖效率。此外，滾刀的軸承和密封結(jié)構(gòu)設(shè)計也會影響滾刀的使用壽命。良好的軸承和密封結(jié)構(gòu)能夠保證滾刀在復(fù)雜的工作環(huán)境下正常運轉(zhuǎn)，減少灰塵、巖渣等雜質(zhì)對滾刀的侵蝕，從而降低滾刀的磨損。3.4滾刀磨耗的監(jiān)測與評估方法3.4.1直接監(jiān)測方法直接監(jiān)測方法是指通過直接對滾刀進行觀察、測量或使用專門的傳感器來獲取滾刀磨耗信息的方法，主要包括人工測量和傳感器監(jiān)測。人工測量是一種最基本、最直觀的滾刀磨耗監(jiān)測方法。在TBM停機檢修時，技術(shù)人員可以使用卡尺、千分尺等簡單的測量工具，直接測量滾刀刀圈的外徑、厚度以及刀齒的高度等參數(shù)，通過與新滾刀的原始尺寸進行對比，計算出滾刀的磨損量。這種方法雖然操作簡單、成本低，但需要停機進行，會影響施工進度。而且測量結(jié)果容易受到人為因素的影響，如測量工具的精度、測量人員的操作熟練程度等，導(dǎo)致測量誤差較大。人工測量無法實時獲取滾刀的磨耗信息，不能及時反映滾刀在掘進過程中的磨損變化情況。為了實現(xiàn)對滾刀磨耗的實時監(jiān)測，傳感器監(jiān)測技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。常見的傳感器有位移傳感器、壓力傳感器、溫度傳感器、振動傳感器等。位移傳感器可以通過測量滾刀刀圈或刀齒的位移變化，來間接反映滾刀的磨損情況。將線性可變差動變壓器（LVDT）位移傳感器安裝在滾刀的刀體上，當?shù)度δp時，刀圈與傳感器之間的距離發(fā)生變化，傳感器輸出的電信號也隨之改變，通過對電信號的分析和處理，就可以計算出刀圈的磨損量。壓力傳感器則可以監(jiān)測滾刀在破巖過程中所受到的壓力變化，當滾刀磨損嚴重時，其破巖能力下降，所受到的壓力也會發(fā)生變化，從而可以根據(jù)壓力的變化情況來評估滾刀的磨耗狀態(tài)。溫度傳感器用于監(jiān)測滾刀在工作過程中的溫度變化，滾刀磨損加劇時，其與巖石之間的摩擦增大，溫度會升高，通過監(jiān)測溫度的變化可以間接判斷滾刀的磨耗程度。振動傳感器可以檢測滾刀在破巖時產(chǎn)生的振動信號，滾刀磨損后，其振動特性會發(fā)生改變，通過對振動信號的分析，如振動頻率、振幅等參數(shù)的變化，能夠判斷滾刀的磨損情況。傳感器監(jiān)測方法具有實時性強、精度高、能夠自動采集和處理數(shù)據(jù)等優(yōu)點，可以為TBM的施工提供及時、準確的滾刀磨耗信息，有助于技術(shù)人員及時調(diào)整掘進參數(shù)，合理安排換刀時間。然而，傳感器監(jiān)測也存在一些局限性，如傳感器的安裝位置和方式會影響監(jiān)測結(jié)果的準確性；傳感器容易受到施工現(xiàn)場復(fù)雜環(huán)境的干擾，如灰塵、振動、電磁干擾等，導(dǎo)致信號失真；此外，傳感器的成本較高，需要定期維護和校準，增加了施工成本和管理難度。3.4.2間接評估方法間接評估方法是通過分析與滾刀磨耗相關(guān)的其他參數(shù)，如巖渣粒徑分布、掘進參數(shù)等，來推斷滾刀的磨耗狀態(tài)。巖渣粒徑分布與滾刀磨耗之間存在著密切的關(guān)系。當滾刀磨損較輕時，滾刀能夠有效地破碎巖石，巖渣粒徑分布相對較為均勻，大粒徑和小粒徑的巖渣含量相對穩(wěn)定。隨著滾刀磨損的加劇，滾刀的破巖能力下降，巖石破碎不夠充分，巖渣中細顆粒的含量會增加，大粒徑巖渣的含量減少，粒徑分布變得更加分散。通過對巖渣粒徑分布的監(jiān)測和分析，可以間接評估滾刀的磨耗狀態(tài)。利用激光粒度分析儀對巖渣粒徑進行實時測量，當發(fā)現(xiàn)巖渣中細顆粒的含量突然增加，且Rosin-Rammler函數(shù)中的分布指數(shù)n值明顯減小，說明滾刀可能已經(jīng)出現(xiàn)了嚴重的磨損，需要及時進行檢查和更換。掘進參數(shù)也是間接評估滾刀磨耗的重要依據(jù)。滾刀貫入度、推力、刀盤轉(zhuǎn)速等掘進參數(shù)在滾刀磨耗過程中會發(fā)生變化。當滾刀磨損嚴重時，為了維持相同的掘進速度，需要增大推力和刀盤轉(zhuǎn)速，同時滾刀貫入度會減小。通過監(jiān)測這些掘進參數(shù)的變化，可以推斷滾刀的磨耗情況。在某隧道施工中，當發(fā)現(xiàn)推力在短時間內(nèi)急劇增加，而滾刀貫入度卻逐漸減小，同時刀盤轉(zhuǎn)速也有所上升，這表明滾刀的磨損可能已經(jīng)較為嚴重，需要對滾刀進行檢查和評估。此外，還可以結(jié)合巖石性質(zhì)、地質(zhì)條件等因素，綜合評估滾刀的磨耗狀態(tài)。在硬度較高的巖石中，滾刀的磨損速度通常較快；而在節(jié)理裂隙發(fā)育的地層中，滾刀更容易受到?jīng)_擊和磨損。通過對這些因素的分析，可以更準確地判斷滾刀的磨耗情況，為滾刀的維護和更換提供科學(xué)依據(jù)。間接評估方法不需要直接接觸滾刀，不會對施工造成直接影響，而且可以利用現(xiàn)有的施工監(jiān)測系統(tǒng)獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，成本較低。然而，間接評估方法的準確性相對較低，因為巖渣粒徑分布、掘進參數(shù)等受到多種因素的影響，滾刀磨耗只是其中之一。在實際應(yīng)用中，需要結(jié)合多種間接評估方法，并與直接監(jiān)測方法相互驗證，以提高滾刀磨耗評估的準確性和可靠性。四、TBM破巖效率研究4.1破巖效率的評價指標4.1.1比能比能是評價TBM破巖效率的重要指標之一，它反映了破碎單位體積巖石所消耗的能量。在TBM破巖過程中，能量的有效利用至關(guān)重要，比能的大小直接體現(xiàn)了破巖過程中能量的利用效率。比能的計算方法通?；谀芰渴睾阍?，通過測量TBM在掘進過程中的輸入能量和破巖體積來確定。具體而言，比能SE的計算公式為：SE=\frac{F_{v}L+M\theta}{V}其中，F(xiàn)_{v}為TBM掘進時的平均推力（N），它是TBM破巖的主要動力來源，直接作用于滾刀，使?jié)L刀能夠切入巖石并破碎巖石；L為TBM在某時段的掘進距離（m），反映了TBM在該時段內(nèi)的破巖成果；M為TBM掘進時的平均扭矩（N?m），扭矩使刀盤旋轉(zhuǎn)，帶動滾刀在巖石表面滾動，實現(xiàn)巖石的破碎；\theta為滾刀旋轉(zhuǎn)的角度（rad），它與刀盤轉(zhuǎn)速和掘進時間相關(guān)，體現(xiàn)了滾刀在破巖過程中的運動狀態(tài)；V為破巖體積（m3），是破巖效率的直接體現(xiàn)，破巖體積越大，在相同能量輸入下，比能越小，破巖效率越高。比能在評價破巖效率中具有重要作用。比能能夠直觀地反映破巖過程中的能量利用效率。當比能較低時，說明在破碎單位體積巖石時消耗的能量較少，即TBM的破巖效率較高，能量得到了更有效的利用。這可能是由于掘進參數(shù)的合理選擇，使得滾刀與巖石之間的相互作用更加高效，或者是巖石性質(zhì)較為有利，易于破碎。相反，比能較高，則意味著破巖效率較低，能量浪費較大。此時可能需要調(diào)整掘進參數(shù)，如優(yōu)化滾刀貫入度、推力、刀盤轉(zhuǎn)速等，或者改進滾刀的設(shè)計和材料，以提高破巖效率，降低比能。比能還可以用于比較不同工況下TBM的破巖效率。在不同的巖石條件、掘進參數(shù)或滾刀配置下，通過計算比能，可以清晰地判斷哪種工況下TBM的破巖效率更高。在硬巖地層和軟巖地層中分別進行掘進，通過比能的計算和比較，可以了解TBM在不同地層條件下的適應(yīng)性和破巖效率的差異，為施工方案的制定和調(diào)整提供依據(jù)。4.1.2掘進速度掘進速度是衡量TBM破巖效率的另一個重要指標，它直接反映了TBM在單位時間內(nèi)的破巖成果，與破巖效率密切相關(guān)。掘進速度越快，在相同時間內(nèi)完成的破巖量就越多，破巖效率也就越高。掘進速度受到多種因素的影響。巖石性質(zhì)是影響掘進速度的關(guān)鍵因素之一。巖石的硬度、強度、脆性等性質(zhì)直接決定了破巖的難易程度。在硬度較高的巖石中，如花崗巖、石英巖等，滾刀需要施加更大的力才能破碎巖石，這會導(dǎo)致掘進速度降低。相反，在硬度較低的巖石中，如頁巖、泥巖等，滾刀破巖相對容易，掘進速度可以相對較快。巖石的結(jié)構(gòu)特征，如節(jié)理裂隙發(fā)育程度、層理等，也會影響掘進速度。節(jié)理裂隙發(fā)育的巖石更容易破碎，掘進速度可能會提高；而層理明顯的巖石，在破巖過程中可能會出現(xiàn)巖石分層剝落等現(xiàn)象，影響掘進速度的穩(wěn)定性。TBM掘進參數(shù)對掘進速度有著直接的影響。滾刀貫入度是影響掘進速度的重要參數(shù)之一。貫入度越大，滾刀在單位時間內(nèi)切入巖石的深度越深，破巖量就越大，掘進速度也就越快。然而，貫入度過大也會導(dǎo)致滾刀磨損加劇，甚至出現(xiàn)刀圈破裂等問題，影響TBM的正常運行。因此，需要根據(jù)巖石性質(zhì)和滾刀的性能合理選擇貫入度。推力和刀盤轉(zhuǎn)速也與掘進速度密切相關(guān)。推力越大，滾刀對巖石的壓力越大，破巖能力增強，掘進速度可能會提高；刀盤轉(zhuǎn)速越快，滾刀在單位時間內(nèi)對巖石的切削次數(shù)增加，也有助于提高掘進速度。但推力和刀盤轉(zhuǎn)速的增加也會帶來一些負面影響，如增加設(shè)備的能耗、加劇滾刀磨損等，需要在實際施工中進行綜合考慮。此外，TBM的設(shè)備性能、施工管理水平等因素也會對掘進速度產(chǎn)生影響。設(shè)備的可靠性、維護保養(yǎng)情況會影響其運行效率，進而影響掘進速度；施工管理水平的高低，包括人員組織、施工流程的合理性等，也會對掘進速度產(chǎn)生重要影響。高效的施工管理可以減少施工中的延誤和故障，保證TBM的連續(xù)穩(wěn)定運行，從而提高掘進速度。4.1.3其他指標除了比能和掘進速度外，粗糙度指數(shù)、有效破巖比等指標也可用于評價TBM的破巖效率。粗糙度指數(shù)是表征TBM破巖效率的有效參數(shù)之一，它是根據(jù)篩分試驗數(shù)據(jù)對巖碴粒徑分布進行分析得到的。通過對不同粒徑巖碴的累計篩余率進行計算和累加，可以得到粗糙度指數(shù)。其計算公式為：CI=\sum_{i=1}^{n}x_{i}其中，CI為巖碴粗糙度指數(shù)，x_{i}是大于某一粒徑尺寸的累計篩余率。當破巖效率高時，產(chǎn)生的巖片較多，巖粉較少，此時粗糙度指數(shù)會較大。這是因為在高效破巖過程中，巖石能夠被較為充分地破碎成較大尺寸的巖片，使得大粒徑巖碴的累計篩余率增加，從而導(dǎo)致粗糙度指數(shù)增大。相反，當破巖效率低時，產(chǎn)生的巖片較少，而巖粉會較多，此時的粗糙度指數(shù)會較小。有效破巖比是另一個用于評價破巖效率的重要指標，它為粒徑???5mm的巖碴表面積之和占全級配粒徑巖碴表面積之和的百分比。該指標突出了較大粒徑巖碴含量的影響，舍棄了無效的小粒徑巖碴含量的干擾，更有利于描述TBM破巖效率。在破巖過程中，較大粒徑的巖碴通常意味著巖石在破巖過程中形成了較為完整的破碎塊，這表明破巖過程相對較為高效，能量利用較為合理。而小粒徑巖碴，尤其是巖粉，可能是由于巖石的過度破碎或破巖效率低下導(dǎo)致的。因此，有效破巖比越大，說明破巖效率越高。粗糙度指數(shù)和有效破巖比等指標從不同角度反映了TBM的破巖效率，與比能和掘進速度等指標相互補充，可以更全面地評價TBM在不同工況下的破巖性能，為TBM施工參數(shù)的優(yōu)化和破巖效率的提高提供更豐富的依據(jù)。4.2影響破巖效率的因素4.2.1巖石性質(zhì)巖石性質(zhì)是影響TBM破巖效率的關(guān)鍵因素之一，其硬度、脆性和結(jié)構(gòu)特征等方面對破巖過程有著顯著的影響。巖石硬度是衡量巖石抵抗外力破壞能力的重要指標，它直接決定了TBM破巖的難易程度。硬度較高的巖石，如花崗巖、石英巖等，其內(nèi)部礦物顆粒間的結(jié)合力較強，晶體結(jié)構(gòu)緊密，使得滾刀在破巖時需要施加更大的力才能切入巖石。在這種情況下，滾刀與巖石之間的摩擦力和沖擊力增大，破巖過程消耗的能量增多，破巖效率降低。研究表明，當巖石硬度從100MPa增加到200MPa時，TBM的掘進速度可能會降低30%-50%，破巖比能則會顯著增加。巖石的脆性反映了巖石在受力時發(fā)生突然破裂的傾向。脆性大的巖石在受到滾刀作用時，內(nèi)部裂紋擴展迅速，容易發(fā)生脆性斷裂，形成較多的碎塊和粉末。雖然脆性巖石在破巖時可能會出現(xiàn)瞬間的破碎現(xiàn)象，但由于裂紋擴展的隨機性和不穩(wěn)定性，破巖過程中能量的利用效率并不高，且產(chǎn)生的大量細顆粒巖渣會增加出渣難度和設(shè)備磨損。相比之下，脆性較小的巖石在破巖過程中會有一定的塑性變形階段，能量能夠更均勻地分布在巖石內(nèi)部，破巖過程相對穩(wěn)定，有利于提高破巖效率。巖石的結(jié)構(gòu)特征，如節(jié)理裂隙發(fā)育程度、層理、礦物顆粒大小和排列方式等，也對破巖效率有著重要影響。節(jié)理裂隙是巖石中的薄弱部位，滾刀作用于巖石時，裂紋往往沿著節(jié)理裂隙擴展，使得巖石更容易破碎。當巖石節(jié)理裂隙發(fā)育時，破巖效率會顯著提高。研究表明，節(jié)理間距越小、節(jié)理密度越大，巖石的破碎程度越高，TBM的掘進速度可提高20%-40%。然而，節(jié)理裂隙的存在也會導(dǎo)致巖石的力學(xué)性質(zhì)不均勻，滾刀在破巖過程中可能會受到不均勻的力，增加滾刀的磨損和設(shè)備的振動。層理是巖石的成層結(jié)構(gòu)，不同層理之間的巖石性質(zhì)存在差異，滾刀破巖時，破巖效率會因?qū)永淼挠绊懚l(fā)生變化。當滾刀垂直于層理方向破巖時，破巖難度相對較大，破巖效率較低；而當滾刀平行于層理方向破巖時，破巖效率可能會提高。此外，巖石中礦物顆粒的大小和排列方式也會影響破巖效率。礦物顆粒較大且排列疏松的巖石，在破巖過程中更容易形成較大的破碎塊，破巖效率相對較高；而礦物顆粒細小且緊密排列的巖石，破巖難度較大，破巖效率較低。4.2.2TBM掘進參數(shù)TBM掘進參數(shù)對破巖效率有著直接而重要的影響，滾刀貫入度、切割速度、推力等參數(shù)的合理選擇是提高破巖效率的關(guān)鍵。滾刀貫入度是指滾刀在巖石中每轉(zhuǎn)一圈的切入深度，它是影響破巖效率的核心參數(shù)之一。當貫入度較小時，滾刀對巖石的作用相對較弱，巖石主要發(fā)生表面破碎，破巖效率較低。隨著貫入度的增加，滾刀對巖石的作用力增大，巖石內(nèi)部的裂紋擴展加深，破碎范圍擴大，破巖效率顯著提高。研究表明，貫入度與破巖效率之間存在正相關(guān)關(guān)系，當貫入度從5mm增加到10mm時，破巖效率可能會提高1-2倍。然而，貫入度過大也會帶來一些問題，如滾刀磨損加劇、刀盤振動增大、巖石破碎不均勻等，這些問題會降低破巖效率，甚至導(dǎo)致設(shè)備故障。因此，在實際施工中，需要根據(jù)巖石性質(zhì)和設(shè)備性能合理選擇貫入度，以實現(xiàn)破巖效率的最大化。切割速度是指滾刀在巖石表面的線速度，它對破巖效率的影響較為復(fù)雜。當切割速度較低時，滾刀與巖石接觸時間長，巖石破碎較為充分，但單位時間內(nèi)的破巖量相對較少，破巖效率不高。隨著切割速度的提高，單位時間內(nèi)滾刀對巖石的切削次數(shù)增加，破巖量增大，破巖效率提高。但切割速度過快會導(dǎo)致刀盤振動加劇，滾刀與巖石之間的摩擦力和沖擊力增大，使巖石破碎不均勻，產(chǎn)生較多的細顆粒巖渣，同時也會加劇滾刀的磨損，降低破巖效率。在某隧道施工中，當切割速度從1m/s提高到2m/s時，破巖效率先提高后降低，在切割速度為1.5m/s左右時，破巖效率達到最大值。推力是TBM破巖的主要動力來源，它直接決定了滾刀對巖石的壓力大小。推力越大，滾刀對巖石的擠壓作用越強，巖石更容易破碎，破巖效率提高。但推力過大也會導(dǎo)致巖石過度破碎，產(chǎn)生過多的細顆粒巖渣，增加出渣難度和設(shè)備能耗，同時還會加劇滾刀的磨損。因此，在施工過程中需要根據(jù)巖石性質(zhì)和掘進要求合理調(diào)整推力，以平衡破巖效率和設(shè)備損耗之間的關(guān)系。例如，在硬巖地層中，適當增大推力可以提高破巖效率，但需要注意控制推力的大小，避免對設(shè)備造成過大的負擔。4.2.3地質(zhì)條件地質(zhì)條件是影響TBM破巖效率的重要外部因素，地層構(gòu)造、節(jié)理裂隙等地質(zhì)特征對破巖過程有著復(fù)雜而顯著的影響。地層構(gòu)造是指地層的褶皺、斷層、層理等特征，這些構(gòu)造會改變巖石的力學(xué)性質(zhì)和應(yīng)力狀態(tài)，從而影響破巖效率。在褶皺地層中，巖石受到擠壓和拉伸作用，內(nèi)部應(yīng)力分布不均勻，破巖難度增加。在背斜頂部，巖石受張應(yīng)力作用，容易破碎，但由于應(yīng)力集中，巖石破碎的程度和范圍較難控制，可能會導(dǎo)致破巖效率不穩(wěn)定；而在向斜底部，巖石受擠壓應(yīng)力作用，硬度增加，破巖難度增大，破巖效率降低。斷層是巖石的斷裂構(gòu)造，斷層帶內(nèi)的巖石破碎、結(jié)構(gòu)松散，TBM通過斷層時，破巖效率會受到較大影響。在斷層帶中，巖石的力學(xué)性質(zhì)變化較大，滾刀在破巖過程中會受到不均勻的力，導(dǎo)致刀盤振動加劇，滾刀磨損加快，同時還可能出現(xiàn)卡刀、掉塊等問題，嚴重影響破巖效率。層理是巖石的成層結(jié)構(gòu)，不同層理之間的巖石性質(zhì)存在差異，滾刀破巖時，破巖效率會因?qū)永淼挠绊懚l(fā)生變化。當滾刀垂直于層理方向破巖時，破巖難度相對較大，破巖效率較低；而當滾刀平行于層理方向破巖時，破巖效率可能會提高。節(jié)理裂隙是巖石中天然存在的裂縫，它們是巖石的薄弱部位，對破巖效率有著顯著影響。節(jié)理裂隙的發(fā)育程度、方向和間距等因素都會改變巖石的破碎方式和破巖效率。節(jié)理裂隙發(fā)育程度越高，巖石越容易沿著這些裂隙破碎，破巖效率越高。研究表明，當節(jié)理裂隙間距小于10cm時，破巖效率比節(jié)理間距大于50cm時提高30%-50%。節(jié)理裂隙的方向也會影響破巖效率。當滾刀的運動方向與節(jié)理裂隙方向平行時，巖石更容易沿著裂隙被切割，破巖效率較高；而當滾刀垂直于節(jié)理裂隙方向運動時，破巖難度增加，破巖效率較低。此外，節(jié)理裂隙的間距越小，巖石破碎的不均勻性越大，可能會導(dǎo)致刀盤受力不均，增加滾刀的磨損和設(shè)備的振動，從而降低破巖效率。4.3提高破巖效率的措施4.3.1優(yōu)化掘進參數(shù)優(yōu)化掘進參數(shù)是提高TBM破巖效率的關(guān)鍵措施之一，通過合理調(diào)整滾刀貫入度、切割速度、推力等參數(shù)，可以使TBM在不同地質(zhì)條件下達到最佳的破巖狀態(tài)。滾刀貫入度對破巖效率有著顯著影響。當貫入度較小時，滾刀對巖石的作用相對較弱，巖石主要發(fā)生表面破碎，破巖效率較低。隨著貫入度的增加，滾刀對巖石的作用力增大，巖石內(nèi)部的裂紋擴展加深，破碎范圍擴大，破巖效率顯著提高。但貫入度過大也會帶來一些問題，如滾刀磨損加劇、刀盤振動增大、巖石破碎不均勻等，這些問題會降低破巖效率，甚至導(dǎo)致設(shè)備故障。因此，在實際施工中，需要根據(jù)巖石性質(zhì)和設(shè)備性能合理選擇貫入度。對于硬度較高的巖石，如花崗巖，貫入度可控制在6-8mm；而對于硬度較低的巖石，如頁巖，貫入度可適當增大至8-10mm。切割速度的優(yōu)化也至關(guān)重要。當切割速度較低時，滾刀與巖石接觸時間長，巖石破碎較為充分，但單位時間內(nèi)的破巖量相對較少，破巖效率不高。隨著切割速度的提高，單位時間內(nèi)滾刀對巖石的切削次數(shù)增加，破巖量增大，破巖效率提高。但切割速度過快會導(dǎo)致刀盤振動加劇，滾刀與巖石之間的摩擦力和沖擊力增大，使巖石破碎不均勻，產(chǎn)生較多的細顆粒巖渣，同時也會加劇滾刀的磨損，降低破巖效率。在實際施工中，應(yīng)根據(jù)巖石性質(zhì)和滾刀的磨損情況，合理調(diào)整切割速度。在硬巖地層中，切割速度可控制在1.2-1.5m/s；在軟巖地層中，切割速度可適當提高至1.5-1.8m/s。推力是TBM破巖的主要動力來源，合理調(diào)整推力可以提高破巖效率。推力越大，滾刀對巖石的擠壓作用越強，巖石更容易破碎，破巖效率提高。但推力過大也會導(dǎo)致巖石過度破碎，產(chǎn)生過多的細顆粒巖渣，增加出渣難度和設(shè)備能耗，同時還會加劇滾刀的磨損。因此，在施工過程中需要根據(jù)巖石性質(zhì)和掘進要求合理調(diào)整推力。在遇到硬度較高的巖石時，可適當增大推力，但要注意控制推力的大小，避免對設(shè)備造成過大的負擔；在軟巖地層中，推力可適當減小，以減少設(shè)備的能耗和滾刀的磨損。4.3.2改進刀具設(shè)計改進刀具設(shè)計是提高TBM破巖效率的重要手段，通過優(yōu)化滾刀的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等設(shè)計，可以增強滾刀的破巖能力，減少磨損，從而提高破巖效率。滾刀的材質(zhì)直接影響其耐磨性和破巖性能。目前，常用的滾刀材料主要有合金模具鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼以及硬質(zhì)合金等。合金模具鋼具有較高的強度和韌性，能夠承受較大的沖擊力，但耐磨性相對較差；合金結(jié)構(gòu)鋼則具有較好的綜合性能，強度、韌性和耐磨性較為平衡；硬質(zhì)合金具有極高的硬度和耐磨性，但其韌性較低，容易發(fā)生脆性斷裂。在不同的巖石條件下，需要選擇合適的滾刀材料。在硬巖地層中，為了提高滾刀的耐磨性，可選用硬質(zhì)合金滾刀或表面經(jīng)過特殊處理的合金模具鋼滾刀；在軟巖地層中，合金結(jié)構(gòu)鋼滾刀能夠滿足施工要求，且成本相對較低。此外，還可以通過改進材料的熱處理工藝，如采用新型的淬火和回火工藝，提高滾刀材料的硬度和韌性，進一步增強滾刀的耐磨性和破巖性能。滾刀的結(jié)構(gòu)設(shè)計對破巖效率也有重要影響。刀圈的形狀、厚度、刃口角度等參數(shù)都會影響滾刀的破巖效果和磨損情況。刀圈的刃口角度過小，雖然有利于切入巖石，但刃口容易磨損；刃口角度過大，則破巖效率會降低。通過優(yōu)化刀圈的刃口角度，使其在保證破巖效率的同時，減少刃口的磨損。對于硬度較高的巖石，刃口角度可設(shè)計為30°-35°；對于硬度較低的巖石，刃口角度可適當增大至35°-40°。刀圈的厚度也需要根據(jù)巖石性質(zhì)和掘進參數(shù)進行合理設(shè)計，厚度過小，刀圈容易磨損和破裂；厚度過大，則會增加滾刀的重量和轉(zhuǎn)動慣量，影響破巖效率。在實際設(shè)計中，可采用有限元分析等方法，對刀圈的厚度進行優(yōu)化，使其在不同的工況下都能保持良好的破巖性能。此外，還可以改進滾刀的軸承和密封結(jié)構(gòu)，提高滾刀的轉(zhuǎn)動效率和密封性能，減少灰塵、巖渣等雜質(zhì)對滾刀的侵蝕，從而延長滾刀的使用壽命，提高破巖效率。4.3.3其他技術(shù)手段除了優(yōu)化掘進參數(shù)和改進刀具設(shè)計外，采用輔助破巖技術(shù)和優(yōu)化施工工藝等措施也能有效提高TBM的破巖效率。輔助破巖技術(shù)能夠在一定程度上降低巖石的強度，改善巖石的破碎條件，從而提高破巖效率。高壓水射流輔助破巖技術(shù)是一種常用的輔助破巖方法，它利用高壓水射流的沖擊力和侵蝕作用，在巖石表面形成微裂紋，降低巖石的強度，使?jié)L刀更容易破碎巖石。在硬巖地層中，高壓水射流可以在滾刀破巖前對巖石進行預(yù)破碎，減少滾刀的破巖阻力，提高破巖效率。研究表明，采用高壓水射流輔助破巖技術(shù)，可使破巖效率提高15%-25%。此外，還可以采用化學(xué)藥劑輔助破巖技術(shù)，通過向巖石中注入化學(xué)藥劑，改變巖石的物理力學(xué)性質(zhì)，降低巖石的硬度和強度，提高破巖效率。在一些特殊的巖石地層中，如富含黏土礦物的巖石，化學(xué)藥劑可以使黏土礦物發(fā)生膨脹或溶解，從而降低巖石的強度，有利于滾刀破巖。優(yōu)化施工工藝也是提高破巖效率的重要措施。合理安排施工工序，減少施工過程中的停頓和等待時間，保證TBM的連續(xù)穩(wěn)定運行，能夠提高破巖效率。在換刀過程中，采用快速換刀技術(shù)，縮短換刀時間，減少對施工進度的影響。同時，加強施工管理，提高施工人員的技術(shù)水平和操作熟練度，確保TBM的各項參數(shù)設(shè)置合理，運行正常。通過建立完善的施工管理制度，對施工過程進行嚴格的監(jiān)控和管理，及時發(fā)現(xiàn)和解決施工中出現(xiàn)的問題，保證施工的順利進行，從而提高破巖效率。五、巖渣粒徑分布與TBM滾刀磨耗及破巖效率的關(guān)系5.1巖渣粒徑分布與滾刀磨耗的關(guān)系5.1.1理論分析從力學(xué)原理角度來看，巖渣粒徑分布與滾刀磨耗存在緊密聯(lián)系。在TBM破巖過程中，滾刀對巖石施加壓力和剪切力，使巖石破碎形成巖渣。不同粒徑的巖渣在形成過程中，滾刀所承受的力的大小和方向有所不同。當滾刀破巖產(chǎn)生較大粒徑巖渣時，意味著巖石在破碎過程中主要以大塊崩落的形式脫離掌子面，此時滾刀需要克服較大的巖石塊體的阻力，滾刀所受到的沖擊力和摩擦力相對較大。在硬巖地層中，若巖渣粒徑較大，說明滾刀在破巖時需要施加更大的力來破碎巖石，這會導(dǎo)致滾刀刀圈和刀齒受到更強烈的沖擊和摩擦，加速滾刀的磨損。從磨損機理方面分析，巖渣粒徑分布影響著滾刀的磨料磨損、疲勞磨損和粘著磨損等過程。磨料磨損方面，小粒徑巖渣尤其是巖粉，其硬度相對較高，在滾刀與巖石的相對運動過程中，這些巖粉會像磨料一樣對滾刀表面進行切削和刮擦。當巖渣中細顆粒含量較多時，滾刀表面會受到更多的磨料磨損作用，導(dǎo)致刀圈和刀齒表面的材料逐漸被磨去，磨損加劇。在含有大量石英顆粒的巖渣中，這些石英顆粒的硬度高，對滾刀的磨料磨損作用