高磨蚀深埋硬岩地层TBM刀盘损坏形式与修复改进措施研究

1、高磨蚀深埋硬岩地层TBM刀盘损坏形式与修复改进措施研究摘要：为了解决高磨蚀地层TBM刀盘耐磨防护部件频繁受损的问题，以引汉济 渭岭南TBM工程为例，通过对刀盘各种损坏形式分析，提出了修复与改进方案， 供类似工程参考。关键词：高磨蚀地层；TBM：刀盘；改进措施0引言全断面岩石隧道掘进机（TBM）作为现代化的隧道施工机械，已被广泛地应 用于山岭隧道（洞）的修建l-3o刀盘作为TBM破岩的核心部件，其耐磨性和完好 性直接关系到TBM的施工效率。TBM在高磨蚀地层掘进，刀盘易被岩石磨蚀而 损坏，通过分析刀盘磨损形式，从而提出修改改进措施，对延长刀盘寿命、提高 TBM掘进效率至关重要。针对刀盘磨损与修复

2、的问题，行业内专家与学者已进行了大量的研究。王逢 松针对盾构刀盘专属适应性的问题，提出了刀盘修复改造、刀具改造技术方案。 黃文鹏针对中天山隧道的节理密集带地层，分析了硬岩掘进机刀盘刀具的主要 损坏形式磨损、变形及掉落的原因，并从岩层的注浆稳固、掘进参数改进、设备 改造提出了一系列措施。杨露伟6、赵伟7针对陕西省引汉济渭工程，提出了常 规方法的刀盘修复工艺流程。上述研究中，对刀盘刀具磨损与修复已开展了大量研究，但对于引汉济渭岭 南TBM所面临的长距离高磨蚀硬岩及深埋地层伴随岩爆的情况，常规刀盘修复方 法已无法满足工程的需要，探索TBM刀盘修复改造技术势在必行。1工程概况引汉济渭工程秦岭隧洞全长8

3、1.8km,岭南TBM段全长18.275km,工程位于 秦岭岭脊高中山区及岭南中低山区，地形起伏，高程范围10502420m,洞室最 大埋深约2012m。丄程范围内主要涉及地层为下元古界长角坝岩群黑龙潭岩组石 英岩、印支期花岗岩、华力西期闪长岩以及断层碎裂岩、糜棱岩。岩石石英含量 高（石英岩最高达97%、花岗岩最高达30%、闪长岩最高18%,高石英含量的硕 岩影响TBM快速掘进）,岩石强度高（花岗岩最高达242MPa）。围岩类别以II 类为主，占72.9%,另夕卜I类占26.7%, III类占6.5%, IV类占2.9%, V类占1%。 预测隧洞通过岭脊花岗岩、闪长岩时岩爆在所难免，岩爆等级以

4、中等轻微为主、 局部发生强烈岩爆（轻微岩爆段996m,中等岩爆段13030m,强烈岩爆段 3880m ） o地表水较发育，地下水为基岩裂隙水，水量较丰富，受大气降水补给, 全隧可能发生的最大涌水量为41000m3/d。岭南TBM段釆用美国罗宾斯公司生产制造的（D8.02m敞开式TBM掘进，安 装新刀时开挖直径为8.05mo刀盘表面设计为平面设计，可以减少在不稳定地 层中的启动和掘进扭矩，同时在施工中起到稳定掌子面的作用，；刀具共计51 把，含4组17双刃中心刀及43把20单刃滚刀，采用背装式换刀。刀盘厚度 1760.6mm,主体结构釆用A36-GR50钢板；分为16个隔仓（其中8个仓含有刮 板

5、，共计96块刮板），7个喷水孔如图1所示。图1TBM刀盘结构示意图2刀盘损坏形式与主要原因分析2.1刀盘正面面板磨损刀盘面板表面焊有一层卑度为20mm的复合耐磨钢，以提高面板耐磨性。拓3施匸现场采取的防护和改进措施综上所述，刀盘各种损坏形式造成的直接原因主要是山于高磨蚀地层的围岩 强度高、石英含量大，同时岩爆冲击。施工现场可采取的防护和改进措施如下：（1）在TBM掘进过程中，根据围岩情况选择合适的掘进参数，减少岩爆对刀盘 刀具的冲击；（2）对刀盘进行优化改进，提高其抗冲击和耐磨性能，以降低维 修频率。3.1选择合理的掘进参数根据不同围岩强度地层，需对TBM掘进参数的选择进行优化，经过前期的掘

6、进，摸索出了一套有利于高效掘进的参数优选范围，形成了高转速、低贯入度、 高推力、低扭矩的两高两低模式掘进原则，如表1所示。采用该掘进参数后， TBM平均掘进速度从l.lm/h提高到1.4m/ho表1引汉济渭岭南TBM工程掘进参数优选范围3.2修复刀盘面板根据刀盘面板母体磨损情况，用合适规格钢板对其进行焊接修复，使其与基 准面基本持平；修复后在刀盘面板上焊接厚度为20mm的信铭钢SA1750CR新型 复合耐磨板，提高耐磨性能。定位人孔盖板时，使其表面与刀盘面板修复后基面 持平进行封堵，然后在其表面焊接20mm厚的耐磨板（见图3）。釆用该新材料 及修复方式后，刀盘面板磨损速度显著降低，人孔区域未再

7、异常损坏。图3刀盘正面面板的修复3.3改进侧边耐磨环、挡磴块将侧边第一、二圈耐磨环及挡砂块的厚度III 50mm增加到70mm,同时材料 更换为Q690,以提高其耐磨性（见图4）。挡渣块的检修周期山原来的300米/ 次增加到400米/次。图4新型挡渣条3.4改进V型保护块为提高V型保护块的耐磨性能，在保证成型后与原V型保护块尺寸相同的前 提下，使用63.5mm厚的ASTM A572钢板做底板，表面加一层913mm材质为 TRIMAY T-157的耐磨层，且在底面焊接位置打坡口，以保证焊接质量（见图5）。 经现场使用效果对比，新型耐磨块抗磨性能提高25%以上。改进前（b）改进后图5 V型保护块3

8、.5刀座的修复与改进对磨损变形小的刀座，可使用耐磨焊条STOODY31进行焊接修复；对经多次 修复且磨损变形大的刀座，需进行更换以彻底进行解决。在不改变原刀座的尺寸 基础上，对易磨损的接触面位置设计为可更换部件，以避免刀座磨损后需再次整 体更换（见图6）。（a）刀座修复（b）刀座更换（c）新旧刀座对比图6滚刀刀座修复与改进(a)原设计刮板座(b)新型刮板座图7原设计与新型刮板座对比3.6改进刮板座在不改变原尺寸的基础上，将刮板座设计为每小块为一个整体的铸造件，最 后拼装进行焊接；该设计极大地增强刮板座整体强度，有效避免其被岩爆等冲击 变形.掉落；原设计及新型刮板座对比见图7。3.7进渣口的修复

9、首先用合适规格的Q345钢板对磨损严重的部位进行修复，并在修复位置背 部焊接加强筋板；最后在表面贴复合耐磨板，增加耐磨性(见图8) o采用该修 复方式，进渣口区域未在出现伤及母板的惜况，且耐磨板磨损后更换极为简便。图8进渣口的修复3.8修复导流板磨损较轻微的导流板，可在其溜砂侧焊接23块20mm厚的TRIMAY T-157 复合耐磨板增加耐磨性能，非溜硝侧间隔焊接30mm厚的16Mn钢板对其进行加 固；磨损严重的导流板，需对其进行割除，重新定位更换新板，并在溜磴侧加焊 耐磨板(见图9)。(a)溜磴侧的修复(b)非溜磴侧的修复(c)导流板更换图9导流板修复和更换4结语本文针对上述高磨蚀地层圉岩强

10、度高、石英含量高、耐磨值大、岩爆频发条 件下对刀盘的损坏形式，提出对刀盘刀具的修复或改进措施，经引汉济渭岭南 TBM施工验证，能有效降低刀盘的修复频率，使刀盘小修间隔周期111 300 次 提高到400米/次，大停机检修间隔周期III 1200米/次提高到2000米/次，TBM 设备利用率显著提升。随着我国硬岩TBM使用越来越广泛，隧道施工地质更加复杂，针对高磨蚀硕 岩地层、岩爆地层隧道，设备生产厂家设计时应特别加强刀盘的耐磨性，提高设 备适应性。参考文献王梦恕.中国盾构和掘进机隧道技术现场存在的问题及发展思路J.隧道建 设,2014,34(3):179-187.洪开荣.我国隧道及地下工程发展现状与展望J.隧道建设,2015,35 Q:95-107.程永亮，钟掘，暨智勇，等.TBM刀盘地质适应性设计方法及其应用J.机械工 程学报,2018, 54(1):1-9.王逢松盾构刀盘改造实例分析建筑机械化,2013(4) : 352-359黄文鹏节理密集带地质硬岩TBM刀盘损坏形式及对策J.隧道建设,2012, 32(4): 5