浅谈单护盾TBM刀具的磨损

2014-06-30高海杰吴越斌

建筑机械化 2014年3期

高海杰，王耀，吴越斌

GAO Hai-jie, WANG Yao, WU Yue-bin

（北方重工集团有限公司盾构机分公司，辽宁沈阳 11041）

1 工程概况

引洮供水一期工程总干渠7＃隧洞工程区位于甘肃省渭源县境内，7＃隧洞出口距离兰州市区约184km。7＃隧洞全长17286m，横断面形式为圆型，净断面尺寸(直径)D=4.96m，设计纵坡均为1/1650，设计流量32m3/s，加大流量36m3/s。

7＃隧洞围岩主要由上第三系（N2L3）泥质粉砂岩、粉（砂）质泥岩、砂砾岩、（含砾）砂岩、疏松砂岩等组成，岩性软弱，互层状分布，相变剧烈。岩层产状平缓，受构造影响轻微，断裂裂隙不发育，仅发育舒缓短轴褶皱，总体上富水性较差。隧道碴土性状：砖红色泥岩，干燥无水，碴土多数呈碎片状，最大块径约为15cm。工程地质条件判断：V，岩性较坚硬。地下水情况:无。

2 单护盾TBM盘形滚刀的刀具磨损分析

单护盾TBM的刀盘及刀具的整体布置图如图1所示。

图1 刀盘刀具整体布置图

盘形滚刀是为开挖岩石的硬度大于12个硬度单位的工况而设计的。承受循环正应力，滚刀切削部分的材料应具有HRC(洛氏硬度)50～60之间的高硬度。引洮单护盾TBM使用的刀圈是意大利palmieri的品牌。标注钢刀圈的硬度400kg/cm2。

2.1 滚刀受力及破岩机理

滚刀在滚压岩石的过程中，刀刃与岩石之间主要都存在两个方向相互作用力。

1）法向推压力FN，指向开挖面，由刀盘的推力提供。

2）切向滚动滚压力FR，指向滚刀切向，由刀盘转矩提供。

切向滚动滚压力主要取决于推力、贯入度及滚刀直径。盘刀直径一定，贯入度越大，所需滚动滚压力越大；贯入度确定时，滚动滚压力随盘刀直径的增大而减小。

TBM工作时，滚刀在推力作用下紧压在岩面上，随着刀盘的旋转，盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转。盘形滚刀在刀盘的推力和转矩共同作用下，在掌子面上切出一系列同心圆沟槽。刀盘旋转并压入岩石的过程中，滚刀对岩石将产生挤压、剪切、拉裂等综合作用，使之成为岩石碎片，达到开挖的目的。

2.2 引洮单护盾TBM掘进情况

表1中TBM各个参数的匹配，为寻求掘进的最佳速度以及对滚刀刀圈磨损量的计算提供依据。

表1 TBM掘进参数

TBM施工中17英寸滚刀换刀要求：M1～M35磨损量达到25mm；M36～M38磨损量达到20mm；M41、M42磨损量达到20.5mm。

下面以施工里程K63+216～K62+003中的一段进行分析，中心滚刀轨迹M01～M08，刀具磨损量1～4.5mm；正滚刀轨迹M09～M38，刀具磨损量3～7.5mm；边滚刀轨迹M40～M41,刀具磨损8～10.5mm。

滚刀轨迹M01～M42是一组同心圆（图2），刀盘转一圈各个滚刀的行程S=2πR(R是滚刀中心线到刀盘轴线的垂直距离)。

图2 滚刀轨迹布置图

根据以上数据总结：①中心滚刀行程最小，磨损率最小；边刀行程最大，磨损率最大，刀具磨损量基本符合由中心到边缘增大的趋势；②相邻两把刀的高差应控制在15mm左右，最大不超过25mm，目的是减少相邻刀具之间所受推力的不平衡，而这种不平衡力有时可能是刀具承受正常受力的几倍，使盘形滚刀的损坏几率增加；③刀圈的磨损极限为15～25mm。中心滚刀换刀时以4把为一组(其中有一把滚刀的刀圈磨损超过25mm时就可以换刀)；边刀发现磨损刀毂，刀圈磨损小于20mm时也可以考虑换刀，边刀的更换频率较大，刀圈要选择硬度更强的材料；④更换刀具后要控制掘进速度，3个掘进循环后必须检查刀具螺栓，来保护边滚刀不受磨损。