极硬岩隧道工程中双护盾隧道掘进机刀盘设计与滚刀磨损分析
发布时间：2021-04-04 04:47
双护盾隧道掘进机在极硬岩隧道施工中存在刀具磨损更换频繁、装备掘不动且施工效率低下的难题。以深圳地铁6号线羊台山隧道工程为研究对象,通过统计、参数相关分析的方法,提出:在双护盾隧道掘进机设计选型阶段前期,需要重点考虑高强度刀盘本体设计、刀具型式的选择及合理的刀间距布置方式;在施工过程中,可以进行破岩刀具的材料、刀具刃形优化,以及掘进参数与不同类别围岩的合理匹配选择。提出了适宜的双护盾隧道掘进机施工控制掘进参数。实践结果证明,硬岩刀盘的针对性设计与优化调整,以及合理的掘进参数选择,有效减少了换刀频次,降低了施工成本,保证了施工工期。
【文章来源】：城市轨道交通研究. 2020,23(08)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图５不同围岩类别刀具磨损更换占比??在工程实施过程中，针对极硬岩地层中的ＴＢＭ??
?计，才能实现高效破岩［９４１］。为了应对羊台山隧道??的极硬岩工况，刀盘的前期设计重点考虑了高强度??刀盘本体设计、刀具选择及刀间距布置方式。如在??施工过程中出现掘不动现象，则通过刀具材料和刀??具刃形优化来解决。??？?１３４?？??２．１高强度刀盘本体设计??从几何学角度，刀具在刀盘上的整体布置主要有??阿基米德螺旋线布置法和同心圆布置法。盾构机刀??盘一般采用阿基米德螺旋线布置法，ＴＢＭ滚刀通常??采用同心圆布置法。羊台山隧道所用的双护盾ＴＢＭ??刀盘整体布置如图１所示。刀盘材质选用Ｑ３４５Ｄ合??金钢，其屈服强度要求不小于３４５?ＭＰａ；刀盘面板板??厚设计值为２７０?法兰板厚为３４０?ｍｍ，以保证刀??盘具有足够的强度和抗偏载能力。??图１羊台山隧道所用的双护盾ＴＢＭ刀盘??此外，为保证刀盘本体在坚硬岩石长期摩擦撞??击下不受伤，在刀盘表面还分块焊接了一层耐磨钢??板。当磨损量达到一定数值后，耐磨钢板可拆解更??换。在设计中，刀盘正面采用复合耐磨板，圆弧过??度区域采用Ｈａｒｄｏｘ５００耐磨钢板和镶嵌合金耐磨??板，其硬度可达５００?ＨＢ，兼具髙硬度、高强度及高韧??性，能有效承受刀盘破岩推进时岩渣对刀盘表面造??成的剧烈摩擦，也能很好地适应复杂的刀盘表面形??状和大焊接量。??２．２刀具选择及布置??由于羊台山隧道岩石强度极高，刀具布置及刀??型式选择是需要重点考虑的问题。通常认为，小刀??间距有利于破岩，具有能有效降低刀盘震动、延长??刀具使用寿命的特点。在考虑空间位置的前提下，??羊台山隧道所用ＴＢＭ刀盘的中心刀间距设置为８９??ｍｍ，正滚刀刀间距设置为８６?ｍｍ及８２?ｍ
第８期??图２双护盾ＴＢＭ滚刀刀间距示意图（单位ｍｍ）??目前大直径滚刀已成为双护盾ＴＢＭ应对硬岩??地层施工时的刀具选型发展方向。??２．３滚刀优化设计??在实际ＴＢＭ掘进过程中，由于部分施工区段??的围岩完整性好、强度高，故ＴＢＭ掘进的贯入度??小，即使增大系统推力等掘进参数也均无明显改??善，且刀具磨损严重。该段的掘进参数为：刀盘转??速为６．３?ｒ／ｍｉｎ，主推力为１３?５００?ｋＮ，贯人度为丨．０￣??３．０ｍｍ／ｒ，掘进速度为７￣１８ｍｍ／ｍｉｎ。为了应对这??种极硬岩掘不动的状况，本文提出从刀具材料和设??计两方面对刀具进行优化改进。??１）优化方案１?：侧重在刀具材料及热处理工艺??方面的改进，以增加刀具的耐磨及耐冲击性能。通??过试验，改进刀具材料和优化滚刀热处理工艺，保??证刀圈的抗拉强度为１?５５０?ＭＰａ以上。此外，为了??提高滚刀的强度和韧性，控制刀圈中的硫和磷含??量，使硫含量矣〇．〇〇３％、憐含量＜０．０】５％，进而将刀??圈整体冲击韧度提髙至１３?达到超级特种钢标准。??２）优化方案２：侧重在刀具刃形的优化改进，以??提髙刀具在极硬岩中的力学特性。增加了刀刃的宽??度，以避免滚刀尖刃楔形截面因钝化而降低破岩效??率；优化了刀刃角度，以提高滚刀整体强度；优化刀具??过渡圆弧曲线，以提高滚刀抗冲击性能。羊台山隧道??所用的双护盾ＴＢＭ刀具刃形的优化如表１所示。??通过刀具的优化改进，解决了双护盾ＴＢＭ掘??不动的状况。刀具优化后刀盘转速为６．６?ｒ／ｍｉｎ，推??力为１２?０００?ｋＮ，贯入度为２．６－４．０?ｍｍ／ｒ，掘进速度??为１８￣３５ｍｍ／ｍｉｎ。和刀具优化前相
【参考文献】：
期刊论文
[1]高埋深软硬岩互层地质条件下敞开式TBM岩爆段施工方法研究[J]. 张照太,游胜,丰光亮,陈竹,陈炳瑞. 隧道建设(中英文). 2019(05)
[2]双护盾TBM在城市地铁隧道中的应用研究[J]. 张兵. 铁道标准设计. 2019(10)
[3]引汉济渭秦岭隧洞高磨蚀性硬岩TBM滚刀磨损试验研究[J]. 蔡昱,祝和意,杨小玉,委玉奇,夏明. 隧道建设(中英文). 2018(09)
[4]城市地铁双护盾TBM设计及应用[J]. 王杜娟,宁向可. 隧道建设(中英文). 2018(06)
[5]面向高效推进的硬岩隧道掘进机前支撑刚度优化设计[J]. 胡涵,米永振,郑辉. 噪声与振动控制. 2017(01)
[6]不确定性地质参数下硬岩掘进机动态特性与评价[J]. 唐国文,余海东,谢启江. 上海交通大学学报. 2016(11)
[7]复合式TBM在重庆地铁实践中的关键技术研究[J]. 王俊. 现代隧道技术. 2011(06)
[8]锦萍引水长隧道TBM施工潜在风险预案[J]. 孙吉东. 铁道建筑技术. 2007(06)
[9]TBM施工隧道围岩分级方法研究[J]. 何发亮,谷明成,王石春. 岩石力学与工程学报. 2002(09)
硕士论文
[1]硬岩掘进滚刀破岩力动态仿真与热分析[D]. 陈思远.吉林大学 2019
本文编号：3117757
【文章来源】：城市轨道交通研究. 2020,23(08)北大核心
【文章页数】：5 页
【部分图文】：
图５不同围岩类别刀具磨损更换占比??在工程实施过程中，针对极硬岩地层中的ＴＢＭ??
?计，才能实现高效破岩［９４１］。为了应对羊台山隧道??的极硬岩工况，刀盘的前期设计重点考虑了高强度??刀盘本体设计、刀具选择及刀间距布置方式。如在??施工过程中出现掘不动现象，则通过刀具材料和刀??具刃形优化来解决。??？?１３４?？??２．１高强度刀盘本体设计??从几何学角度，刀具在刀盘上的整体布置主要有??阿基米德螺旋线布置法和同心圆布置法。盾构机刀??盘一般采用阿基米德螺旋线布置法，ＴＢＭ滚刀通常??采用同心圆布置法。羊台山隧道所用的双护盾ＴＢＭ??刀盘整体布置如图１所示。刀盘材质选用Ｑ３４５Ｄ合??金钢，其屈服强度要求不小于３４５?ＭＰａ；刀盘面板板??厚设计值为２７０?法兰板厚为３４０?ｍｍ，以保证刀??盘具有足够的强度和抗偏载能力。??图１羊台山隧道所用的双护盾ＴＢＭ刀盘??此外，为保证刀盘本体在坚硬岩石长期摩擦撞??击下不受伤，在刀盘表面还分块焊接了一层耐磨钢??板。当磨损量达到一定数值后，耐磨钢板可拆解更??换。在设计中，刀盘正面采用复合耐磨板，圆弧过??度区域采用Ｈａｒｄｏｘ５００耐磨钢板和镶嵌合金耐磨??板，其硬度可达５００?ＨＢ，兼具髙硬度、高强度及高韧??性，能有效承受刀盘破岩推进时岩渣对刀盘表面造??成的剧烈摩擦，也能很好地适应复杂的刀盘表面形??状和大焊接量。??２．２刀具选择及布置??由于羊台山隧道岩石强度极高，刀具布置及刀??型式选择是需要重点考虑的问题。通常认为，小刀??间距有利于破岩，具有能有效降低刀盘震动、延长??刀具使用寿命的特点。在考虑空间位置的前提下，??羊台山隧道所用ＴＢＭ刀盘的中心刀间距设置为８９??ｍｍ，正滚刀刀间距设置为８６?ｍｍ及８２?ｍ
第８期??图２双护盾ＴＢＭ滚刀刀间距示意图（单位ｍｍ）??目前大直径滚刀已成为双护盾ＴＢＭ应对硬岩??地层施工时的刀具选型发展方向。??２．３滚刀优化设计??在实际ＴＢＭ掘进过程中，由于部分施工区段??的围岩完整性好、强度高，故ＴＢＭ掘进的贯入度??小，即使增大系统推力等掘进参数也均无明显改??善，且刀具磨损严重。该段的掘进参数为：刀盘转??速为６．３?ｒ／ｍｉｎ，主推力为１３?５００?ｋＮ，贯人度为丨．０￣??３．０ｍｍ／ｒ，掘进速度为７￣１８ｍｍ／ｍｉｎ。为了应对这??种极硬岩掘不动的状况，本文提出从刀具材料和设??计两方面对刀具进行优化改进。??１）优化方案１?：侧重在刀具材料及热处理工艺??方面的改进，以增加刀具的耐磨及耐冲击性能。通??过试验，改进刀具材料和优化滚刀热处理工艺，保??证刀圈的抗拉强度为１?５５０?ＭＰａ以上。此外，为了??提高滚刀的强度和韧性，控制刀圈中的硫和磷含??量，使硫含量矣〇．〇〇３％、憐含量＜０．０】５％，进而将刀??圈整体冲击韧度提髙至１３?达到超级特种钢标准。??２）优化方案２：侧重在刀具刃形的优化改进，以??提髙刀具在极硬岩中的力学特性。增加了刀刃的宽??度，以避免滚刀尖刃楔形截面因钝化而降低破岩效??率；优化了刀刃角度，以提高滚刀整体强度；优化刀具??过渡圆弧曲线，以提高滚刀抗冲击性能。羊台山隧道??所用的双护盾ＴＢＭ刀具刃形的优化如表１所示。??通过刀具的优化改进，解决了双护盾ＴＢＭ掘??不动的状况。刀具优化后刀盘转速为６．６?ｒ／ｍｉｎ，推??力为１２?０００?ｋＮ，贯入度为２．６－４．０?ｍｍ／ｒ，掘进速度??为１８￣３５ｍｍ／ｍｉｎ。和刀具优化前相
【参考文献】：
期刊论文
[1]高埋深软硬岩互层地质条件下敞开式TBM岩爆段施工方法研究[J]. 张照太,游胜,丰光亮,陈竹,陈炳瑞. 隧道建设(中英文). 2019(05)
[2]双护盾TBM在城市地铁隧道中的应用研究[J]. 张兵. 铁道标准设计. 2019(10)
[3]引汉济渭秦岭隧洞高磨蚀性硬岩TBM滚刀磨损试验研究[J]. 蔡昱,祝和意,杨小玉,委玉奇,夏明. 隧道建设(中英文). 2018(09)
[4]城市地铁双护盾TBM设计及应用[J]. 王杜娟,宁向可. 隧道建设(中英文). 2018(06)
[5]面向高效推进的硬岩隧道掘进机前支撑刚度优化设计[J]. 胡涵,米永振,郑辉. 噪声与振动控制. 2017(01)
[6]不确定性地质参数下硬岩掘进机动态特性与评价[J]. 唐国文,余海东,谢启江. 上海交通大学学报. 2016(11)
[7]复合式TBM在重庆地铁实践中的关键技术研究[J]. 王俊. 现代隧道技术. 2011(06)
[8]锦萍引水长隧道TBM施工潜在风险预案[J]. 孙吉东. 铁道建筑技术. 2007(06)
[9]TBM施工隧道围岩分级方法研究[J]. 何发亮,谷明成,王石春. 岩石力学与工程学报. 2002(09)
硕士论文
[1]硬岩掘进滚刀破岩力动态仿真与热分析[D]. 陈思远.吉林大学 2019
本文编号：3117757
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