門(mén)玉華，郜 強(qiáng)，李曉晗，邰恩利

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

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大直徑盤(pán)型滾刀在TBM上的應(yīng)用

門(mén)玉華1，郜 強(qiáng)2，李曉晗2，邰恩利2

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

摘要：刀具是TBM破巖的主要工具，刀具的消耗量對(duì)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(kāi)發(fā)大直徑滾刀是TBM發(fā)展的必然趨勢(shì)。本文介紹了20”盤(pán)型滾刀研制思路及應(yīng)用情況，根據(jù)工程實(shí)例統(tǒng)計(jì)，20”較19”滾刀更換量減少40%、設(shè)備利用率高出20%～30%，對(duì)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(pán)型滾刀；效率

刀具是TBM設(shè)備的主要破巖工具，盤(pán)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(kāi)挖巖石硬度的不斷提高，對(duì)大直徑盤(pán)型滾刀的需求也越來(lái)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(duì)TBM提出的更高的要求。

1　盤(pán)型滾刀的發(fā)展歷史

盤(pán)型滾刀最初在TBM設(shè)備應(yīng)用時(shí)，由于巖石開(kāi)挖對(duì)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(jì)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(kāi)挖巖石硬度的不斷提高，小直徑滾刀的問(wèn)題越來(lái)越明顯，包括刀圈磨損速度過(guò)快，以及因軸承承載力低而導(dǎo)致的刀具故障不斷增高，對(duì)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(guò)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(guò)長(zhǎng)時(shí)期的對(duì)刀圈材質(zhì)、熱處理工藝、軸承承載力及潤(rùn)滑方式等不斷的研究和設(shè)計(jì)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(jì)、漸進(jìn)改善的過(guò)程。與17”滾刀比較，19”滾刀對(duì)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(jì)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(mǎn)負(fù)荷載荷僅為軸承額定載荷的84%，而17”滾刀的滿(mǎn)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(guó)際、國(guó)內(nèi)TBM多采用19”盤(pán)型滾刀。

2　新型20”盤(pán)型滾刀的研制思路

遼寧重點(diǎn)輸水工程建設(shè)之初，針對(duì)工程工期緊、開(kāi)挖任務(wù)重的特點(diǎn)，根據(jù)以往工程項(xiàng)目刀具消耗及施工進(jìn)度的統(tǒng)計(jì)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(shí)間和作業(yè)量，是本工程地質(zhì)條件及開(kāi)挖作業(yè)量、工期等對(duì)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(duì)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(huì)受到影響，軸承的規(guī)格、質(zhì)量相應(yīng)也需提高，無(wú)疑增加了刀具成本。而增加刀圈直徑的方法對(duì)滾刀受載的影響卻很小，破巖過(guò)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(shí)可行的辦法。

根據(jù)以往的研制經(jīng)驗(yàn)，簡(jiǎn)單的增加15.5”的滾刀的刀圈直徑，即開(kāi)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(kāi)發(fā)更大直徑的滾刀也應(yīng)是可行的。按照此設(shè)計(jì)思路，羅賓斯研制了20”刀圈，詳見(jiàn)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(shí)刀座、刀盤(pán)的設(shè)計(jì)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(lái)了一定的風(fēng)險(xiǎn)，即刀圈刀刃容易破裂，發(fā)生崩刃的幾率增大，相應(yīng)對(duì)刀圈材質(zhì)、韌性和剛度提出了更高的要求。通過(guò)大量的試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，對(duì)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(pán)型滾刀

圖2　新型20”刀圈滾刀的實(shí)際應(yīng)用

新研制的20”刀圈相對(duì)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(jiàn)圖3、圖4。

3　新型20”盤(pán)型滾刀的應(yīng)用

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

圖3　20”滾刀與19”滾刀對(duì)比

圖4　20”刀圈與19”刀圈磨損對(duì)比

該滾刀刀圈直徑較原19”盤(pán)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(guò)程中，單把滾刀可開(kāi)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(duì)比表。

表1　刀圈消耗量對(duì)比表

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

表2為兩臺(tái)TBM截取6個(gè)月時(shí)間所做的刀具消耗情況對(duì)比表。兩臺(tái)設(shè)備掘進(jìn)段均屬長(zhǎng)白山余脈，圍巖情況基本相同，主要為Ⅲa類(lèi)、Ⅲb類(lèi)圍巖，以混合花崗巖為主，巖石微風(fēng)化、堅(jiān)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(duì)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?jī)H為19”滾刀的59%。表3為兩臺(tái)TBM利用率的對(duì)比情況。

表3　設(shè)備利用率情況對(duì)比表

從表3統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出，在類(lèi)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(duì)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(guò)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(shí)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(tái)TBM在本工程隧洞施工過(guò)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(shì)是顯而易見(jiàn)，能夠?yàn)槭┕挝还?jié)省大量的刀具費(fèi)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(gè)隧道掘進(jìn)期間節(jié)省的換刀時(shí)間累加起來(lái)也是非常巨大的，由此節(jié)省的施工工期和費(fèi)用也是非?？捎^的。

4　結(jié)語(yǔ)

20”盤(pán)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(shì)，效果非常顯著。針對(duì)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(diǎn)，推廣應(yīng)用20”或者更大直徑的滾刀，是未來(lái)TBM的必然發(fā)展趨勢(shì)。

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作者簡(jiǎn)介：門(mén)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(lèi)號(hào)：TV53 +4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-2469（2016）03-0110-03