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论文_贺东泽

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[1-3]。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的问题，行业内专家与学者已进行了大量的研究。王逢松[4]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。黄文鹏[5]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81.8km，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1050～2420m，洞室最大埋深约2012m。工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%，高石英含量的硬岩影响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%，另外I类占16.7%，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）。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段采用美国罗宾斯公司生产制造的Φ8.02m敞开式TBM掘进，安装新刀时开挖直径为Φ8.05m。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，主体结构采用A36-GR50钢板；分为16个隔仓（其中8个仓含有刮板，共计96块刮板），7个喷水孔如图1所示。

图1 TBM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厚度为20mm的复合耐磨钢，以提高面板耐磨性。高磨蚀地层掘进过程中，由于岩石抗压强度高、石英含量高，造成刀具磨损快、更换频繁，如刀具更换不及时，导致刀盘面板耐磨板磨损；同时掘进过程中伴随有岩爆，石碴冲击和大石块的挤压，使面板耐磨板磨损较严重的位置出现脱落。四个人孔盖板易受岩爆冲击损坏，为整个刀盘正面薄弱位置，面板磨损从该处向周边发散，造成附近区域耐磨板磨损速度加快。刀盘面板损坏情况见图2（a）所示。掘进施工过程中需根据磨损情况进行修复，若不及时更换极易伤及到刀盘母体，对于刀盘强度特别是对焊缝的强度削弱较大，危及刀盘的正常使用。

2.2 侧边耐磨环及挡碴块磨损、掉落

耐磨环起保护刀盘侧边的作用，挡碴块的作用是限制较大岩石进入刀盘，保护皮带机。掘进过程中，岩石破碎或岩爆时，过渡区域位置积碴较多，耐磨环、挡碴块设计厚度薄，同时材料为HARDOX 450，抗磨损能力有限，导致其最终磨损、掉落，侧边耐磨环磨损情况如图2（b）所示。

2.3 刮板座变形、脱落

刮碴板安装在刮板座上，作用是将隧道底部的岩碴铲起，随着刀盘旋转滑落皮带机运出洞外。TBM岩爆与破碎地层条件下掘进时，开挖面前方有大石块掉落，造成刮板螺栓断裂、掉落，最终导致刮板掉落；若刮板掉落后未及时发现处理，造成刮板座受损，不能安装刮板，岩渣不能及时排出，大量岩渣堆积于底部区域，造成刀盘边缘区的二次磨损。在掘进过程中，若刀具批量出现偏磨未及时发现，也易造成刮板座磨损。刮板座筋板设计较薄弱，在受到岩石的较大冲击后，易变形开裂，导致刮板座变形、掉落，刮板座损坏情况见图2（c）。

2.4进碴口磨损、磨穿

虽在铲斗的进碴口设置有耐磨球钉，但受到冲击后耐磨球钉极易掉落，重新安装修复困难；由于进碴口母材为ASTM A572普通钢板，若挡碴块损坏后未及时修复，该区域会急剧磨损，最终导致钢板磨穿。

2.5 V型保护块磨损、掉落

由于高磨蚀地层引起刀具磨损速度快，使刀具易超过磨损极限值，进而导致V型保护块磨损严重，最终掉落，V型块磨损情况如图2（d），V型保护块材料为HARDOX 450，耐磨性能有限。

2.6 导流板磨损

刀盘内某些纵向筋板同时也是石碴流向主机胶带输送机的导流板，大量的石碴流动容易使得导流板受到损坏，刀盘的纵向筋板同时也是硬岩刀盘的主要承力结构；施工过程中由于高磨蚀硬岩底层下围岩强度高、石英含量大、耐磨值大，部分导流板磨损超过30mm，对于刀盘的整体受力有着严重的影响，导流板磨损情况如图2（e）。

2.7 滚刀刀座磨损

掘进过程中围岩强度高，岩石挤压力经刀具传递到刀座上极大，使刀座与刀轴接触面磨损、变形，导致螺栓松、掉频繁；尤其是过渡区域刀具，受到的冲击力和振动较大，刀座变形更为严重，滚刀刀座磨损情况如图2（f）所示。

（a）正面面板磨损 （b）侧边耐磨环磨损

（c）刮板座磨损 （d）V型块磨损

（e）导流板磨损 （f）滚刀刀座磨损

图2 刀盘现场损坏形式

3 施工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由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1.1m/h提高到1.4m/h。

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的信铬钢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）。采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、挡碴块

将侧边第一、二圈耐磨环及挡碴块的厚度由50mm增加到70mm，同时材料更换为Q690，以提高其耐磨性（见图4）。挡渣块的检修周期由原来的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9～13mm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。

(a)改进前 （b）改进后

图5 V型保护块

3.5 刀座的修复与改进

对磨损变形小的刀座，可使用耐磨焊条STOODY 31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

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）。采用该修复方式，进渣口区域未在出现伤及母板的情况，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，可在其溜碴侧焊接2～3块20mm厚的TRIMAY T-157复合耐磨板增加耐磨性能，非溜碴侧间隔焊接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，并在溜碴侧加焊耐磨板（见图9）。

（a）溜碴侧的修复 （b）非溜碴侧的修复

（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围岩强度高、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由300米/次提高到400米/次，大停机检修间隔周期由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，针对高磨蚀硬岩地层、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

[1]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.

[2]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(2):95-107.

[3]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.

[4]王逢松. 盾构刀盘改造实例分析. 建筑机械化, 2013（4）：352-359

[5]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): 587-593.

[6]杨露伟, 冯欢欢. 大直径TBM刀盘修复关键技术[J]. 工程机械, 2018(3).

[7]赵伟, 贺东泽. 高磨蚀地层TBM刀盘洞内快速修复技术研究[J]. 四川水力发电, 2017, 36(4):77-80.

作者简介

1.贺东泽（1986-），男，2008年毕业于西南交通大学，机械设计制造及其自动化专业，学士，工程师，主要从事于隧道工程的现场技术管理。

论文作者:贺东泽

论文发表刊物:《基层建设》2019年第32期

论文发表时间:2020/4/14

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