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      大直徑盤型滾刀在TBM上的應(yīng)用

      2016-04-06 13:10:54門玉華李曉晗邰恩利
      水利規(guī)劃與設(shè)計 2016年3期
      關(guān)鍵詞:效率

      門玉華,郜 強(qiáng),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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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??捎^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(qiáng)、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。

      參考文獻(xiàn)

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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

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