高磨蝕深埋硬巖地層TBM刀盤(pán)損壞形式與修復(fù)改進(jìn)措施研究

1、高磨蝕深埋硬巖地層TBM刀盤(pán)損壞形式與修復(fù)改進(jìn)措施研究摘要：為了解決高磨蝕地層TBM刀盤(pán)耐磨防護(hù)部件頻繁受損的問(wèn)題，以引漢濟(jì) 渭嶺南TBM工程為例，通過(guò)對(duì)刀盤(pán)各種損壞形式分析，提出了修復(fù)與改進(jìn)方案， 供類(lèi)似工程參考。關(guān)鍵詞：高磨蝕地層；TBM：刀盤(pán)；改進(jìn)措施0引言全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）作為現(xiàn)代化的隧道施工機(jī)械，已被廣泛地應(yīng) 用于山嶺隧道（洞）的修建l-3o刀盤(pán)作為T(mén)BM破巖的核心部件，其耐磨性和完好 性直接關(guān)系到TBM的施工效率。TBM在高磨蝕地層掘進(jìn)，刀盤(pán)易被巖石磨蝕而 損壞，通過(guò)分析刀盤(pán)磨損形式，從而提出修改改進(jìn)措施，對(duì)延長(zhǎng)刀盤(pán)壽命、提高 TBM掘進(jìn)效率至關(guān)重要。針對(duì)刀盤(pán)磨損與修復(fù)

2、的問(wèn)題，行業(yè)內(nèi)專(zhuān)家與學(xué)者已進(jìn)行了大量的研究。王逢 松針對(duì)盾構(gòu)刀盤(pán)專(zhuān)屬適應(yīng)性的問(wèn)題，提出了刀盤(pán)修復(fù)改造、刀具改造技術(shù)方案。 黃文鵬針對(duì)中天山隧道的節(jié)理密集帶地層，分析了硬巖掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)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(jìn)參數(shù)改進(jìn)、設(shè)備 改造提出了一系列措施。楊露偉6、趙偉7針對(duì)陜西省引漢濟(jì)渭工程，提出了常 規(guī)方法的刀盤(pán)修復(fù)工藝流程。上述研究中，對(duì)刀盤(pán)刀具磨損與修復(fù)已開(kāi)展了大量研究，但對(duì)于引漢濟(jì)渭嶺 南TBM所面臨的長(zhǎng)距離高磨蝕硬巖及深埋地層伴隨巖爆的情況，常規(guī)刀盤(pán)修復(fù)方 法已無(wú)法滿(mǎn)足工程的需要，探索TBM刀盤(pán)修復(fù)改造技術(shù)勢(shì)在必行。1工程概況引漢濟(jì)渭工程秦嶺隧洞全長(zhǎng)8

3、1.8km,嶺南TBM段全長(zhǎng)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(nèi)主要涉及地層為下元古界長(zhǎng)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(zhǎng)巖以及斷層碎裂巖、糜棱巖。巖石石英含量 高（石英巖最高達(dá)97%、花崗巖最高達(dá)30%、閃長(zhǎng)巖最高18%,高石英含量的碩 巖影響TBM快速掘進(jìn)）,巖石強(qiáng)度高（花崗巖最高達(dá)242MPa）。圍巖類(lèi)別以II 類(lèi)為主，占72.9%,另夕卜I類(lèi)占26.7%, III類(lèi)占6.5%, IV類(lèi)占2.9%, V類(lèi)占1%。 預(yù)測(cè)隧洞通過(guò)嶺脊花崗巖、閃長(zhǎng)巖時(shí)巖爆在所難免，巖爆等級(jí)以

4、中等輕微為主、 局部發(fā)生強(qiáng)烈?guī)r爆（輕微巖爆段996m,中等巖爆段13030m,強(qiáng)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(bǔ)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(guó)羅賓斯公司生產(chǎn)制造的（D8.02m敞開(kāi)式TBM掘進(jìn)，安 裝新刀時(shí)開(kāi)挖直徑為8.05mo刀盤(pán)表面設(shè)計(jì)為平面設(shè)計(jì)，可以減少在不穩(wěn)定地 層中的啟動(dòng)和掘進(jìn)扭矩，同時(shí)在施工中起到穩(wěn)定掌子面的作用，；刀具共計(jì)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(pán)厚度 1760.6mm,主體結(jié)構(gòu)釆用A36-GR50鋼板；分為16個(gè)隔倉(cāng)（其中8個(gè)倉(cāng)含有刮 板

5、，共計(jì)96塊刮板），7個(gè)噴水孔如圖1所示。圖1TBM刀盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖2刀盤(pán)損壞形式與主要原因分析2.1刀盤(pán)正面面板磨損刀盤(pán)面板表面焊有一層卑度為20mm的復(fù)合耐磨鋼，以提高面板耐磨性。拓3施匸現(xiàn)場(chǎng)采取的防護(hù)和改進(jìn)措施綜上所述，刀盤(pán)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(qiáng)度高、石英含量大，同時(shí)巖爆沖擊。施工現(xiàn)場(chǎng)可采取的防護(hù)和改進(jìn)措施如下：（1）在TBM掘進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)圍巖情況選擇合適的掘進(jìn)參數(shù)，減少巖爆對(duì)刀盤(pán) 刀具的沖擊；（2）對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，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(jìn)參數(shù)根據(jù)不同圍巖強(qiáng)度地層，需對(duì)TBM掘進(jìn)參數(shù)的選擇進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過(guò)前期的掘

6、進(jìn)，摸索出了一套有利于高效掘進(jìn)的參數(shù)優(yōu)選范圍，形成了高轉(zhuǎn)速、低貫入度、 高推力、低扭矩的兩高兩低模式掘進(jìn)原則，如表1所示。采用該掘進(jìn)參數(shù)后， TBM平均掘進(jìn)速度從l.lm/h提高到1.4m/ho表1引漢濟(jì)渭嶺南TBM工程掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)選范圍3.2修復(fù)刀盤(pán)面板根據(jù)刀盤(pán)面板母體磨損情況，用合適規(guī)格鋼板對(duì)其進(jìn)行焊接修復(fù)，使其與基 準(zhǔn)面基本持平；修復(fù)后在刀盤(pán)面板上焊接厚度為20mm的信銘鋼SA1750CR新型 復(fù)合耐磨板，提高耐磨性能。定位人孔蓋板時(shí)，使其表面與刀盤(pán)面板修復(fù)后基面 持平進(jìn)行封堵，然后在其表面焊接20mm厚的耐磨板（見(jiàn)圖3）。釆用該新材料 及修復(fù)方式后，刀盤(pán)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(pán)正面面板的修復(fù)3.3改進(jìn)側(cè)邊耐磨環(huán)、擋磴塊將側(cè)邊第一、二圈耐磨環(huán)及擋砂塊的厚度III 50mm增加到70mm,同時(shí)材料 更換為Q690,以提高其耐磨性（見(jiàn)圖4）。擋渣塊的檢修周期山原來(lái)的300米/ 次增加到400米/次。圖4新型擋渣條3.4改進(jìn)V型保護(hù)塊為提高V型保護(hù)塊的耐磨性能，在保證成型后與原V型保護(hù)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(zhì)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(zhì)量（見(jiàn)圖5）。 經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)使用效果對(duì)比，新型耐磨塊抗磨性能提高25%以上。改進(jìn)前（b）改進(jìn)后圖5 V型保護(hù)塊3

8、.5刀座的修復(fù)與改進(jìn)對(duì)磨損變形小的刀座，可使用耐磨焊條STOODY31進(jìn)行焊接修復(fù)；對(duì)經(jīng)多次 修復(fù)且磨損變形大的刀座，需進(jìn)行更換以徹底進(jìn)行解決。在不改變?cè)蹲某叽?基礎(chǔ)上，對(duì)易磨損的接觸面位置設(shè)計(jì)為可更換部件，以避免刀座磨損后需再次整 體更換（見(jiàn)圖6）。（a）刀座修復(fù)（b）刀座更換（c）新舊刀座對(duì)比圖6滾刀刀座修復(fù)與改進(jìn)(a)原設(shè)計(jì)刮板座(b)新型刮板座圖7原設(shè)計(jì)與新型刮板座對(duì)比3.6改進(jìn)刮板座在不改變?cè)叽绲幕A(chǔ)上，將刮板座設(shè)計(jì)為每小塊為一個(gè)整體的鑄造件，最 后拼裝進(jìn)行焊接；該設(shè)計(jì)極大地增強(qiáng)刮板座整體強(qiáng)度，有效避免其被巖爆等沖擊 變形.掉落；原設(shè)計(jì)及新型刮板座對(duì)比見(jiàn)圖7。3.7進(jìn)渣口的修復(fù)

9、首先用合適規(guī)格的Q345鋼板對(duì)磨損嚴(yán)重的部位進(jìn)行修復(fù)，并在修復(fù)位置背 部焊接加強(qiáng)筋板；最后在表面貼復(fù)合耐磨板，增加耐磨性(見(jiàn)圖8) o采用該修 復(fù)方式，進(jìn)渣口區(qū)域未在出現(xiàn)傷及母板的惜況，且耐磨板磨損后更換極為簡(jiǎn)便。圖8進(jìn)渣口的修復(fù)3.8修復(fù)導(dǎo)流板磨損較輕微的導(dǎo)流板，可在其溜砂側(cè)焊接23塊20mm厚的TRIMAY T-157 復(fù)合耐磨板增加耐磨性能，非溜硝側(cè)間隔焊接30mm厚的16Mn鋼板對(duì)其進(jìn)行加 固；磨損嚴(yán)重的導(dǎo)流板，需對(duì)其進(jìn)行割除，重新定位更換新板，并在溜磴側(cè)加焊 耐磨板(見(jiàn)圖9)。(a)溜磴側(cè)的修復(fù)(b)非溜磴側(cè)的修復(fù)(c)導(dǎo)流板更換圖9導(dǎo)流板修復(fù)和更換4結(jié)語(yǔ)本文針對(duì)上述高磨蝕地層圉巖強(qiáng)

10、度高、石英含量高、耐磨值大、巖爆頻發(fā)條 件下對(duì)刀盤(pán)的損壞形式，提出對(duì)刀盤(pán)刀具的修復(fù)或改進(jìn)措施，經(jīng)引漢濟(jì)渭嶺南 TBM施工驗(yàn)證，能有效降低刀盤(pán)的修復(fù)頻率，使刀盤(pán)小修間隔周期111 300 次 提高到400米/次，大停機(jī)檢修間隔周期III 1200米/次提高到2000米/次，TBM 設(shè)備利用率顯著提升。隨著我國(guó)硬巖TBM使用越來(lái)越廣泛，隧道施工地質(zhì)更加復(fù)雜，針對(duì)高磨蝕碩 巖地層、巖爆地層隧道，設(shè)備生產(chǎn)廠家設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別加強(qiáng)刀盤(pán)的耐磨性，提高設(shè) 備適應(yīng)性。參考文獻(xiàn)王夢(mèng)恕.中國(guó)盾構(gòu)和掘進(jìn)機(jī)隧道技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)存在的問(wèn)題及發(fā)展思路J.隧道建 設(shè),2014,34(3):179-187.洪開(kāi)榮.我國(guó)隧道及地下工程發(fā)展現(xiàn)狀與展望J.隧道建設(shè),2015,35 Q:95-107.程永亮，鐘掘，暨智勇，等.TBM刀盤(pán)地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用J.機(jī)械工 程學(xué)報(bào),2018, 54(1):1-9.王逢松盾構(gòu)刀盤(pán)改造實(shí)例分析建筑機(jī)械化,2013(4) : 352-359黃文鵬節(jié)理密集帶地質(zhì)硬巖TBM刀盤(pán)損壞形式及對(duì)策J.隧道建設(shè),2012, 32(4): 5