大直徑盤型滾刀在TBM上的應(yīng)用

門玉華，郜 強，李曉晗，邰恩利

（1.遼寧省朝陽水文局，遼寧朝陽122003；2.遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003）

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大直徑盤型滾刀在TBM上的應(yīng)用

門玉華1，郜 強2，李曉晗2，邰恩利2

（1.遼寧省朝陽水文局，遼寧朝陽122003；2.遼寧省水利廳，遼寧沈陽110003）

摘要：刀具是TBM破巖的主要工具，刀具的消耗量對隧道掘進(jìn)施工進(jìn)度和施工成本的影響至關(guān)重要，研制開發(fā)大直徑滾刀是TBM發(fā)展的必然趨勢。本文介紹了20”盤型滾刀研制思路及應(yīng)用情況，根據(jù)工程實例統(tǒng)計，20”較19”滾刀更換量減少40%、設(shè)備利用率高出20%～30%，對TBM掘進(jìn)效率提升的效果非常明顯，經(jīng)濟(jì)效益也極其可觀。

關(guān)鍵詞：TBM；盤型滾刀；效率

刀具是TBM設(shè)備的主要破巖工具，盤形滾刀作為目前最常用的TBM刀具，其刀圈磨損速率直接影響隧道掘進(jìn)進(jìn)度和施工成本，尤其大直徑TBM，消耗的滾刀數(shù)量更是巨大、影響更為突出。隨著TBM直徑的不斷增大、開挖巖石硬度的不斷提高，對大直徑盤型滾刀的需求也越來越迫切，增大滾刀直徑、提高滾刀破巖能力、減少刀具消耗量，是隧道工程施工對TBM提出的更高的要求。

1　盤型滾刀的發(fā)展歷史

盤型滾刀最初在TBM設(shè)備應(yīng)用時，由于巖石開挖對刀具負(fù)載要求較低，滾刀直徑較小，滾刀第一次成功應(yīng)用，是1952年羅賓斯設(shè)計制造的用于那達(dá)科塔州OAHE大壩施工的主梁式TBM，刀圈直徑只有15.5”。

隨著TBM開挖巖石硬度的不斷提高，小直徑滾刀的問題越來越明顯，包括刀圈磨損速度過快，以及因軸承承載力低而導(dǎo)致的刀具故障不斷增高，對滾刀直徑及軸承承載力提出了更高的要求。20世紀(jì)70年代，在不改變刀體、軸承、刀軸、密封等主要結(jié)構(gòu)件尺寸的前提下，通過加大刀圈直徑的方式，成功試制了17”滾刀，并逐漸得以廣泛應(yīng)用。

經(jīng)過長時期的對刀圈材質(zhì)、熱處理工藝、軸承承載力及潤滑方式等不斷的研究和設(shè)計優(yōu)化，羅賓斯在1989年推出了首把19”滾刀。19”滾刀的成功研制和應(yīng)用是全部刀具部件重新設(shè)計、漸進(jìn)改善的過程。與17”滾刀比較，19”滾刀對刀圈、刀體、軸承、刀軸、密封、端蓋、擋圈等所有零部件均進(jìn)行了設(shè)計改進(jìn)，滾刀安裝方式也由V型鎖緊塊變更為楔形鎖緊塊鎖定。19”滾刀的成功研制是一次技術(shù)上的飛躍性的發(fā)展。19”刀圈的可磨損容量較17”增加了38%，而滾刀作用于軸承的載荷卻得以減小，其滿負(fù)荷載荷僅為軸承額定載荷的84%，而17”滾刀的滿負(fù)荷載荷卻為軸承額定載荷的97%，因此19”滾刀可以承受更大的載荷，破巖能力大幅度提高。目前國際、國內(nèi)TBM多采用19”盤型滾刀。

2　新型20”盤型滾刀的研制思路

遼寧重點輸水工程建設(shè)之初，針對工程工期緊、開挖任務(wù)重的特點，根據(jù)以往工程項目刀具消耗及施工進(jìn)度的統(tǒng)計數(shù)據(jù)分析，滾刀將成為制約TBM施工進(jìn)度的主要因素，提高滾刀壽命、有效減少刀具更換時間和作業(yè)量，是本工程地質(zhì)條件及開挖作業(yè)量、工期等對TBM設(shè)備提出的更高的要求。

增加刀圈磨損量是提高滾刀壽命最經(jīng)濟(jì)的方式。增加刀圈磨損量的方法包括增加刀刃的寬度和增大刀圈直徑，或兩者兼而用之。很明顯，增加刀刃寬度不利于滾刀對巖石的切削貫入。由于刀刃寬度的增加，刀刃與巖石接觸面積增大，在推進(jìn)力相同的情況下，其壓強降低，破巖效果減弱。要達(dá)到相同的貫入度，寬度增大的刀刃需要更大的推進(jìn)力。而因推進(jìn)力的增加，軸承壽命又會受到影響，軸承的規(guī)格、質(zhì)量相應(yīng)也需提高，無疑增加了刀具成本。而增加刀圈直徑的方法對滾刀受載的影響卻很小，破巖過程中刀刃可以達(dá)到同樣的貫入度。因此，增大刀圈直徑，是增加刀圈磨損容量、提高滾刀壽命切實可行的辦法。

根據(jù)以往的研制經(jīng)驗，簡單的增加15.5”的滾刀的刀圈直徑，即開發(fā)研制出17”滾刀，并取得了成功的應(yīng)用。同樣，增加19”刀圈直徑開發(fā)更大直徑的滾刀也應(yīng)是可行的。按照此設(shè)計思路，羅賓斯研制了20”刀圈，詳見圖1、圖2。新研制的20”刀圈，僅將刀圈直徑由19”（483mm）增大至20”（508mm），使用與19”滾刀相同的刀體、軸承、刀軸、密封等零部件，同時刀座、刀盤的設(shè)計也適用于19”和20”兩種規(guī)格的滾刀。當(dāng)然，增大刀圈也帶來了一定的風(fēng)險，即刀圈刀刃容易破裂，發(fā)生崩刃的幾率增大，相應(yīng)對刀圈材質(zhì)、韌性和剛度提出了更高的要求。通過大量的試驗和現(xiàn)場實踐，對刀圈鍛件材質(zhì)、鍛造工藝、熱處理工藝等均進(jìn)行了調(diào)整與優(yōu)化，以充分保證刀圈具有合適的韌性與剛度。

圖1　新型20”盤型滾刀

圖2　新型20”刀圈滾刀的實際應(yīng)用

新研制的20”刀圈相對于19”刀圈，直徑增加了25.4mm，刀圈與巖壁的接觸區(qū)域增大了1.05倍，刀圈的最大允許磨損量增加了13mm，刀圈的可磨損容量增大了58%，詳見圖3、圖4。

3　新型20”盤型滾刀的應(yīng)用

按照17”滾刀的開發(fā)思路，以簡單增大刀圈直徑的方式，開發(fā)了20”滾刀。該批滾刀通過本工程五臺TBM的實際應(yīng)用，證明是非常成功的。

圖3　20”滾刀與19”滾刀對比

圖4　20”刀圈與19”刀圈磨損對比

該滾刀刀圈直徑較原19”盤形滾刀增加25.4mm，其刀刃體積、可磨損量方面都大幅增加。在滾刀破巖過程中，單把滾刀可開挖量增加、刀具更換頻率及更換數(shù)量大幅下降，有效提高了設(shè)備利用率和掘進(jìn)效率。

表1為20”與19”滾刀刀具消耗量的對比表。

表1　刀圈消耗量對比表

從上表對比可以看出，每個20”刀圈的平均掘進(jìn)距離是19”刀圈的1.6倍，優(yōu)勢是非常明顯的。

表2為兩臺TBM截取6個月時間所做的刀具消耗情況對比表。兩臺設(shè)備掘進(jìn)段均屬長白山余脈，圍巖情況基本相同，主要為Ⅲa類、Ⅲb類圍巖，以混合花崗巖為主，巖石微風(fēng)化、堅硬巖，巖體完整、節(jié)理不發(fā)育到發(fā)育，飽和抗壓強度70～90MPa，地下水呈干燥狀。

表2　刀具消耗量與進(jìn)尺對比表

從表2可以看出，在基本相同的地質(zhì)條件下，使用20”滾刀的TBM完成掘進(jìn)進(jìn)尺是使用19”滾刀TBM的1.65倍，而刀具消耗量僅為19”滾刀的59%。表3為兩臺TBM利用率的對比情況。

表3　設(shè)備利用率情況對比表

從表3統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，在類似地質(zhì)條件、相同設(shè)備狀況下，使用20”滾刀的TBM較使用19”滾刀設(shè)備利用率高出19%～57%（平均30%），對TBM設(shè)備掘進(jìn)效率提升的效果是非常明顯的。

由于20”滾刀磨損量增大，每日掘進(jìn)過程中刀具檢查及刀具更換作業(yè)量相比19”滾刀大幅減少，設(shè)備各日有效掘進(jìn)時間得到充分提高、TBM設(shè)備施工工效得以顯著提升，使用20”滾刀的五臺TBM在本工程隧洞施工過程中均取得了較好的掘進(jìn)進(jìn)尺。

由于20”滾刀刀具更換量小、設(shè)備掘進(jìn)效率高，其經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢是顯而易見，能夠為施工單位節(jié)省大量的刀具費用支出，而且可以極大縮短施工工期。另外使用20”滾刀在整個隧道掘進(jìn)期間節(jié)省的換刀時間累加起來也是非常巨大的，由此節(jié)省的施工工期和費用也是非常可觀的。

4　結(jié)語

20”盤型滾刀在本工程的成功應(yīng)用，充分體現(xiàn)了大直徑刀具的優(yōu)勢，效果非常顯著。針對硬巖20”刀圈耐磨性力強、失效頻次少、更換次數(shù)低、掘進(jìn)速度快的優(yōu)點，推廣應(yīng)用20”或者更大直徑的滾刀，是未來TBM的必然發(fā)展趨勢。

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作者簡介：門女華（1970年—），女，工程師。

收稿日期：2015-12-11

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.039

中圖分類號：TV53 +4

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-2469（2016）03-0110-03