大直径盘型滚刀在TBM上的应用

门玉华，郜 强，李晓晗，邰恩利

（1.辽宁省朝阳水文局，辽宁朝阳122003；2.辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003）



大直径盘型滚刀在TBM上的应用

门玉华1，郜 强2，李晓晗2，邰恩利2

（1.辽宁省朝阳水文局，辽宁朝阳122003；2.辽宁省水利厅，辽宁沈阳110003）

摘要：刀具是TBM破岩的主要工具，刀具的消耗量对隧道掘进施工进度和施工成本的影响至关重要，研制开发大直径滚刀是TBM发展的必然趋势。本文介绍了20”盘型滚刀研制思路及应用情况，根据工程实例统计，20”较19”滚刀更换量减少40%、设备利用率高出20%～30%，对TBM掘进效率提升的效果非常明显，经济效益也极其可观。

关键词：TBM；盘型滚刀；效率

刀具是TBM设备的主要破岩工具，盘形滚刀作为目前最常用的TBM刀具，其刀圈磨损速率直接影响隧道掘进进度和施工成本，尤其大直径TBM，消耗的滚刀数量更是巨大、影响更为突出。随着TBM直径的不断增大、开挖岩石硬度的不断提高，对大直径盘型滚刀的需求也越来越迫切，增大滚刀直径、提高滚刀破岩能力、减少刀具消耗量，是隧道工程施工对TBM提出的更高的要求。

1　盘型滚刀的发展历史

盘型滚刀最初在TBM设备应用时，由于岩石开挖对刀具负载要求较低，滚刀直径较小，滚刀第一次成功应用，是1952年罗宾斯设计制造的用于那达科塔州OAHE大坝施工的主梁式TBM，刀圈直径只有15.5”。

随着TBM开挖岩石硬度的不断提高，小直径滚刀的问题越来越明显，包括刀圈磨损速度过快，以及因轴承承载力低而导致的刀具故障不断增高，对滚刀直径及轴承承载力提出了更高的要求。20世纪70年代，在不改变刀体、轴承、刀轴、密封等主要结构件尺寸的前提下，通过加大刀圈直径的方式，成功试制了17”滚刀，并逐渐得以广泛应用。

经过长时期的对刀圈材质、热处理工艺、轴承承载力及润滑方式等不断的研究和设计优化，罗宾斯在1989年推出了首把19”滚刀。19”滚刀的成功研制和应用是全部刀具部件重新设计、渐进改善的过程。与17”滚刀比较，19”滚刀对刀圈、刀体、轴承、刀轴、密封、端盖、挡圈等所有零部件均进行了设计改进，滚刀安装方式也由V型锁紧块变更为楔形锁紧块锁定。19”滚刀的成功研制是一次技术上的飞跃性的发展。19”刀圈的可磨损容量较17”增加了38%，而滚刀作用于轴承的载荷却得以减小，其满负荷载荷仅为轴承额定载荷的84%，而17”滚刀的满负荷载荷却为轴承额定载荷的97%，因此19”滚刀可以承受更大的载荷，破岩能力大幅度提高。目前国际、国内TBM多采用19”盘型滚刀。

2　新型20”盘型滚刀的研制思路

辽宁重点输水工程建设之初，针对工程工期紧、开挖任务重的特点，根据以往工程项目刀具消耗及施工进度的统计数据分析，滚刀将成为制约TBM施工进度的主要因素，提高滚刀寿命、有效减少刀具更换时间和作业量，是本工程地质条件及开挖作业量、工期等对TBM设备提出的更高的要求。

增加刀圈磨损量是提高滚刀寿命最经济的方式。增加刀圈磨损量的方法包括增加刀刃的宽度和增大刀圈直径，或两者兼而用之。很明显，增加刀刃宽度不利于滚刀对岩石的切削贯入。由于刀刃宽度的增加，刀刃与岩石接触面积增大，在推进力相同的情况下，其压强降低，破岩效果减弱。要达到相同的贯入度，宽度增大的刀刃需要更大的推进力。而因推进力的增加，轴承寿命又会受到影响，轴承的规格、质量相应也需提高，无疑增加了刀具成本。而增加刀圈直径的方法对滚刀受载的影响却很小，破岩过程中刀刃可以达到同样的贯入度。因此，增大刀圈直径，是增加刀圈磨损容量、提高滚刀寿命切实可行的办法。

根据以往的研制经验，简单的增加15.5”的滚刀的刀圈直径，即开发研制出17”滚刀，并取得了成功的应用。同样，增加19”刀圈直径开发更大直径的滚刀也应是可行的。按照此设计思路，罗宾斯研制了20”刀圈，详见图1、图2。新研制的20”刀圈，仅将刀圈直径由19”（483mm）增大至20”（508mm），使用与19”滚刀相同的刀体、轴承、刀轴、密封等零部件，同时刀座、刀盘的设计也适用于19”和20”两种规格的滚刀。当然，增大刀圈也带来了一定的风险，即刀圈刀刃容易破裂，发生崩刃的几率增大，相应对刀圈材质、韧性和刚度提出了更高的要求。通过大量的试验和现场实践，对刀圈锻件材质、锻造工艺、热处理工艺等均进行了调整与优化，以充分保证刀圈具有合适的韧性与刚度。

图1　新型20”盘型滚刀

图2　新型20”刀圈滚刀的实际应用

新研制的20”刀圈相对于19”刀圈，直径增加了25.4mm，刀圈与岩壁的接触区域增大了1.05倍，刀圈的最大允许磨损量增加了13mm，刀圈的可磨损容量增大了58%，详见图3、图4。

3　新型20”盘型滚刀的应用

按照17”滚刀的开发思路，以简单增大刀圈直径的方式，开发了20”滚刀。该批滚刀通过本工程五台TBM的实际应用，证明是非常成功的。

图3　20”滚刀与19”滚刀对比

图4　20”刀圈与19”刀圈磨损对比

该滚刀刀圈直径较原19”盘形滚刀增加25.4mm，其刀刃体积、可磨损量方面都大幅增加。在滚刀破岩过程中，单把滚刀可开挖量增加、刀具更换频率及更换数量大幅下降，有效提高了设备利用率和掘进效率。

表1为20”与19”滚刀刀具消耗量的对比表。

表1　刀圈消耗量对比表

从上表对比可以看出，每个20”刀圈的平均掘进距离是19”刀圈的1.6倍，优势是非常明显的。

表2为两台TBM截取6个月时间所做的刀具消耗情况对比表。两台设备掘进段均属长白山余脉，围岩情况基本相同，主要为Ⅲa类、Ⅲb类围岩，以混合花岗岩为主，岩石微风化、坚硬岩，岩体完整、节理不发育到发育，饱和抗压强度70～90MPa，地下水呈干燥状。

表2　刀具消耗量与进尺对比表

从表2可以看出，在基本相同的地质条件下，使用20”滚刀的TBM完成掘进进尺是使用19”滚刀TBM的1.65倍，而刀具消耗量仅为19”滚刀的59%。表3为两台TBM利用率的对比情况。

表3　设备利用率情况对比表

从表3统计数据可以看出，在类似地质条件、相同设备状况下，使用20”滚刀的TBM较使用19”滚刀设备利用率高出19%～57%（平均30%），对TBM设备掘进效率提升的效果是非常明显的。

由于20”滚刀磨损量增大，每日掘进过程中刀具检查及刀具更换作业量相比19”滚刀大幅减少，设备各日有效掘进时间得到充分提高、TBM设备施工工效得以显著提升，使用20”滚刀的五台TBM在本工程隧洞施工过程中均取得了较好的掘进进尺。

由于20”滚刀刀具更换量小、设备掘进效率高，其经济效益优势是显而易见，能够为施工单位节省大量的刀具费用支出，而且可以极大缩短施工工期。另外使用20”滚刀在整个隧道掘进期间节省的换刀时间累加起来也是非常巨大的，由此节省的施工工期和费用也是非常可观的。

4　结语

20”盘型滚刀在本工程的成功应用，充分体现了大直径刀具的优势，效果非常显著。针对硬岩20”刀圈耐磨性力强、失效频次少、更换次数低、掘进速度快的优点，推广应用20”或者更大直径的滚刀，是未来TBM的必然发展趋势。

参考文献

［1］刘春.TBM掘进机关键部件—盘型滚刀的研制［J］.中国铁道科学，2003（04）：101-105.

［2］王旭等.TBM滚刀刀圈磨损机理研究［J］.现代隧道技术，2010 （05）：15-18.

［3］李辉等.TBM盘型滚刀受力分析［J］.现代隧道技术2012（06）：193-196.

［4］张占杰等.TBM滚刀刀圈材料性能的研究［J］.钢铁研究，2013 （01）：43-46.

［5］贺红效.TBM长隧洞施工质量控制的关键技术［J］.水利技术监督，2008（01）：10-11.

［6］王跃峰等.深埋特长隧洞TBM施工初探［J］.水利技术监督，2005（04）：42-45.

［7］孙千.开敞式全断面硬岩掘进机（TBM）在长大隧洞施工中的应用［J］.水利规划与设计2015，（06）：104-106.

［8］孙洪凯等.TBM在隧洞不良地质条件下的施工技术［J］.水利规划与设计，2015（06）：78-79.

［9］杨建明.新疆某水工隧洞TBM施工安全及其管理措施［J］.水利规划与设计，2015（07）：101-103.

［10］杨建明.浅析新疆大坂隧洞TBM施工作业系统关系［J］.水利建设与管理，2008（28）：24-26.

作者简介：门女华（1970年—），女，工程师。

收稿日期：2015-12-11

DOI：10.3969 /j.issn.1672-2469.2016.03.039

中图分类号：TV53 +4

文献标识码：B

文章编号：1672-2469（2016）03-0110-03