高磨蝕深埋硬巖地層TBM刀盤損壞形式與修復改進措施研究

1、高磨蝕深埋硬巖地層TBM刀盤損壞形式與修復改進措施研究摘要：為了解決高磨蝕地層TBM刀盤耐磨防護部件頻繁受損的問題，以引漢濟 渭嶺南TBM工程為例，通過對刀盤各種損壞形式分析，提出了修復與改進方案， 供類似工程參考。關鍵詞：高磨蝕地層；TBM：刀盤；改進措施0引言全斷面巖石隧道掘進機（TBM）作為現代化的隧道施工機械，已被廣泛地應 用于山嶺隧道（洞）的修建l-3o刀盤作為TBM破巖的核心部件，其耐磨性和完好 性直接關系到TBM的施工效率。TBM在高磨蝕地層掘進，刀盤易被巖石磨蝕而 損壞，通過分析刀盤磨損形式，從而提出修改改進措施，對延長刀盤壽命、提高 TBM掘進效率至關重要。針對刀盤磨損與修復

2、的問題，行業(yè)內專家與學者已進行了大量的研究。王逢 松針對盾構刀盤專屬適應性的問題，提出了刀盤修復改造、刀具改造技術方案。 黃文鵬針對中天山隧道的節(jié)理密集帶地層，分析了硬巖掘進機刀盤刀具的主要 損壞形式磨損、變形及掉落的原因，并從巖層的注漿穩(wěn)固、掘進參數改進、設備 改造提出了一系列措施。楊露偉6、趙偉7針對陜西省引漢濟渭工程，提出了常 規(guī)方法的刀盤修復工藝流程。上述研究中，對刀盤刀具磨損與修復已開展了大量研究，但對于引漢濟渭嶺 南TBM所面臨的長距離高磨蝕硬巖及深埋地層伴隨巖爆的情況，常規(guī)刀盤修復方 法已無法滿足工程的需要，探索TBM刀盤修復改造技術勢在必行。1工程概況引漢濟渭工程秦嶺隧洞全長8

3、1.8km,嶺南TBM段全長18.275km,工程位于 秦嶺嶺脊高中山區(qū)及嶺南中低山區(qū)，地形起伏，高程范圍10502420m,洞室最 大埋深約2012m。丄程范圍內主要涉及地層為下元古界長角壩巖群黑龍?zhí)稁r組石 英巖、印支期花崗巖、華力西期閃長巖以及斷層碎裂巖、糜棱巖。巖石石英含量 高（石英巖最高達97%、花崗巖最高達30%、閃長巖最高18%,高石英含量的碩 巖影響TBM快速掘進）,巖石強度高（花崗巖最高達242MPa）。圍巖類別以II 類為主，占72.9%,另夕卜I類占26.7%, III類占6.5%, IV類占2.9%, V類占1%。 預測隧洞通過嶺脊花崗巖、閃長巖時巖爆在所難免，巖爆等級以

4、中等輕微為主、 局部發(fā)生強烈?guī)r爆（輕微巖爆段996m,中等巖爆段13030m,強烈?guī)r爆段 3880m ） o地表水較發(fā)育，地下水為基巖裂隙水，水量較豐富，受大氣降水補給, 全隧可能發(fā)生的最大涌水量為41000m3/d。嶺南TBM段釆用美國羅賓斯公司生產制造的（D8.02m敞開式TBM掘進，安 裝新刀時開挖直徑為8.05mo刀盤表面設計為平面設計，可以減少在不穩(wěn)定地 層中的啟動和掘進扭矩，同時在施工中起到穩(wěn)定掌子面的作用，；刀具共計51 把，含4組17雙刃中心刀及43把20單刃滾刀，采用背裝式換刀。刀盤厚度 1760.6mm,主體結構釆用A36-GR50鋼板；分為16個隔倉（其中8個倉含有刮 板

5、，共計96塊刮板），7個噴水孔如圖1所示。圖1TBM刀盤結構示意圖2刀盤損壞形式與主要原因分析2.1刀盤正面面板磨損刀盤面板表面焊有一層卑度為20mm的復合耐磨鋼，以提高面板耐磨性。拓3施匸現場采取的防護和改進措施綜上所述，刀盤各種損壞形式造成的直接原因主要是山于高磨蝕地層的圍巖 強度高、石英含量大，同時巖爆沖擊。施工現場可采取的防護和改進措施如下：（1）在TBM掘進過程中，根據圍巖情況選擇合適的掘進參數，減少巖爆對刀盤 刀具的沖擊；（2）對刀盤進行優(yōu)化改進，提高其抗沖擊和耐磨性能，以降低維 修頻率。3.1選擇合理的掘進參數根據不同圍巖強度地層，需對TBM掘進參數的選擇進行優(yōu)化，經過前期的掘

6、進，摸索出了一套有利于高效掘進的參數優(yōu)選范圍，形成了高轉速、低貫入度、 高推力、低扭矩的兩高兩低模式掘進原則，如表1所示。采用該掘進參數后， TBM平均掘進速度從l.lm/h提高到1.4m/ho表1引漢濟渭嶺南TBM工程掘進參數優(yōu)選范圍3.2修復刀盤面板根據刀盤面板母體磨損情況，用合適規(guī)格鋼板對其進行焊接修復，使其與基 準面基本持平；修復后在刀盤面板上焊接厚度為20mm的信銘鋼SA1750CR新型 復合耐磨板，提高耐磨性能。定位人孔蓋板時，使其表面與刀盤面板修復后基面 持平進行封堵，然后在其表面焊接20mm厚的耐磨板（見圖3）。釆用該新材料 及修復方式后，刀盤面板磨損速度顯著降低，人孔區(qū)域未再

7、異常損壞。圖3刀盤正面面板的修復3.3改進側邊耐磨環(huán)、擋磴塊將側邊第一、二圈耐磨環(huán)及擋砂塊的厚度III 50mm增加到70mm,同時材料 更換為Q690,以提高其耐磨性（見圖4）。擋渣塊的檢修周期山原來的300米/ 次增加到400米/次。圖4新型擋渣條3.4改進V型保護塊為提高V型保護塊的耐磨性能，在保證成型后與原V型保護塊尺寸相同的前 提下，使用63.5mm厚的ASTM A572鋼板做底板，表面加一層913mm材質為 TRIMAY T-157的耐磨層，且在底面焊接位置打坡口，以保證焊接質量（見圖5）。 經現場使用效果對比，新型耐磨塊抗磨性能提高25%以上。改進前（b）改進后圖5 V型保護塊3

8、.5刀座的修復與改進對磨損變形小的刀座，可使用耐磨焊條STOODY31進行焊接修復；對經多次 修復且磨損變形大的刀座，需進行更換以徹底進行解決。在不改變原刀座的尺寸 基礎上，對易磨損的接觸面位置設計為可更換部件，以避免刀座磨損后需再次整 體更換（見圖6）。（a）刀座修復（b）刀座更換（c）新舊刀座對比圖6滾刀刀座修復與改進(a)原設計刮板座(b)新型刮板座圖7原設計與新型刮板座對比3.6改進刮板座在不改變原尺寸的基礎上，將刮板座設計為每小塊為一個整體的鑄造件，最 后拼裝進行焊接；該設計極大地增強刮板座整體強度，有效避免其被巖爆等沖擊 變形.掉落；原設計及新型刮板座對比見圖7。3.7進渣口的修復

9、首先用合適規(guī)格的Q345鋼板對磨損嚴重的部位進行修復，并在修復位置背 部焊接加強筋板；最后在表面貼復合耐磨板，增加耐磨性(見圖8) o采用該修 復方式，進渣口區(qū)域未在出現傷及母板的惜況，且耐磨板磨損后更換極為簡便。圖8進渣口的修復3.8修復導流板磨損較輕微的導流板，可在其溜砂側焊接23塊20mm厚的TRIMAY T-157 復合耐磨板增加耐磨性能，非溜硝側間隔焊接30mm厚的16Mn鋼板對其進行加 固；磨損嚴重的導流板，需對其進行割除，重新定位更換新板，并在溜磴側加焊 耐磨板(見圖9)。(a)溜磴側的修復(b)非溜磴側的修復(c)導流板更換圖9導流板修復和更換4結語本文針對上述高磨蝕地層圉巖強

10、度高、石英含量高、耐磨值大、巖爆頻發(fā)條 件下對刀盤的損壞形式，提出對刀盤刀具的修復或改進措施，經引漢濟渭嶺南 TBM施工驗證，能有效降低刀盤的修復頻率，使刀盤小修間隔周期111 300 次 提高到400米/次，大停機檢修間隔周期III 1200米/次提高到2000米/次，TBM 設備利用率顯著提升。隨著我國硬巖TBM使用越來越廣泛，隧道施工地質更加復雜，針對高磨蝕碩 巖地層、巖爆地層隧道，設備生產廠家設計時應特別加強刀盤的耐磨性，提高設 備適應性。參考文獻王夢恕.中國盾構和掘進機隧道技術現場存在的問題及發(fā)展思路J.隧道建 設,2014,34(3):179-187.洪開榮.我國隧道及地下工程發(fā)展現狀與展望J.隧道建設,2015,35 Q:95-107.程永亮，鐘掘，暨智勇，等.TBM刀盤地質適應性設計方法及其應用J.機械工 程學報,2018, 54(1):1-9.王逢松盾構刀盤改造實例分析建筑機械化,2013(4) : 352-359黃文鵬節(jié)理密集帶地質硬巖TBM刀盤損壞形式及對策J.隧道建設,2012, 32(4): 5