成都砂卵石地層刀具改進(jìn)技術(shù)研究_第1頁
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文檔簡(jiǎn)介

1、<p>  成都砂卵石地層刀具改進(jìn)技術(shù)研究</p><p><b>  摘要 </b></p><p>  成都地鐵建設(shè)已經(jīng)進(jìn)入了大干時(shí)期,隨著1號(hào)線、2號(hào)線及4號(hào)線等線路的逐步開工,各參建施工單位在施工初期都遇到了程度不一的困難。具體表現(xiàn)為:刀具/刀盤磨損嚴(yán)重、刀具更換頻繁;地層不穩(wěn)定、刀具更換困難;局部粉細(xì)砂層刀盤結(jié)泥餅問題等。盾構(gòu)法施工在成都市場(chǎng)上占主

2、流地位,根據(jù)成都地鐵施工的各種經(jīng)驗(yàn),逐步探索并提出了刀具改進(jìn)方案并付諸于實(shí)踐,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。 </p><p>  關(guān)鍵詞 刀具改進(jìn)滾刀技術(shù)研究 </p><p>  中圖分類號(hào):TG71 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A </p><p><b>  前言 </b></p><p>  成都地鐵4號(hào)線一期5標(biāo)盾構(gòu)段合計(jì)

3、5816m(含盾構(gòu)空推段),標(biāo)段盾構(gòu)施工難度大穿越房屋多,區(qū)間之內(nèi)換刀點(diǎn)設(shè)置相對(duì)較為困難。主要穿越地層有: 松散卵石、稍密卵石、中密卵石、粉細(xì)砂、松散卵石、稍密卵石、中密卵石、密實(shí)卵石。根據(jù)成都施工經(jīng)驗(yàn)來看,刀具的磨損性能很大幅度影響了盾構(gòu)施工的進(jìn)度。 </p><p>  一、在砂卵石地層成都、北京地區(qū)盾構(gòu)施工中采用盤形滾刀, 其破巖機(jī)理與盤形滾刀在硬巖地層中的傳統(tǒng)破巖機(jī)理有著顯著的不同, 刀具的磨蝕情況也有較

4、大的區(qū)別。 該地質(zhì)對(duì)傳統(tǒng)的刀具磨損十分嚴(yán)重, 刀具消耗量大, 并存在大量的滾刀偏磨(特別是邊緣滾刀)、 刀圈斷裂等非正常磨損。 由此帶來頻繁的換刀、 地層加固、換刀安全等一系列問題,導(dǎo)致施工成本巨大。 因此,盤形滾刀的選擇與使用必須針對(duì)本地質(zhì)的特點(diǎn)做出相應(yīng)的調(diào)整。 </p><p><b>  滾到的破巖機(jī)理 </b></p><p>  如圖 1 所示, 巖石在滾刀

5、刀刃的壓力作用下, 形成壓應(yīng)力區(qū)域。 壓力超過巖石所能承受的應(yīng)力極限時(shí), 巖石產(chǎn)生爆裂, 其裂隙向四周擴(kuò)散。 當(dāng)兩個(gè)刀刃的距離( 刀間距) 達(dá)到適合的尺寸時(shí), 其間的巖石呈片狀剝離; 若刀間距過小, 則形成巖石過度破碎, 造成不必要的磨耗和能量損耗; 若刀間距過大, 則無法達(dá)到有效破巖的效果。 </p><p><b>  圖一滾刀破巖機(jī)理 </b></p><p>

6、  二、滾刀在本砂卵地層的破巖與磨損情況 </p><p>  在該地質(zhì)中施工, 滾刀的破巖機(jī)理與硬巖破巖有很大的不同。 由于開挖面整 </p><p>  體抗壓強(qiáng)度不高, 此時(shí)已非傳統(tǒng)的破巖機(jī)理, 滾刀只是將卵石和漂石擊碎或擠碎。因此滾刀的磨損情況也有別于在硬巖地層中磨損。 相比硬巖而言, 滾刀受到更多的刮削磨損和沖擊磨損。 </p><p>  在整體松散的砂

7、卵地層中掘進(jìn), 刀圈深深地貫入到巖層中, 不但外圓(齒頂) </p><p>  接觸巖層受到磨損, 刃口側(cè)面也受到極大的磨損; 刀圈受到磨損的同時(shí), 石英含量很高的砂和卵石也會(huì)直接作用于滾刀刀體表面,從而對(duì)刀體也產(chǎn)生嚴(yán)重磨損。 滾刀在此地質(zhì)中使用, 除了正常的磨損外, 還存在大量的非正常磨損(特別是邊緣滾刀),其主要形式是滾刀的偏磨、刀圈斷裂、刀體過度磨損等。 導(dǎo)致滾刀偏磨的原因主要有: </p>

8、<p>  2.1啟動(dòng)扭矩過大 </p><p>  滾刀在該地質(zhì)中使用, 由于開挖面松散, 不能提供足夠大的反力克服滾刀本身的啟動(dòng)扭矩以及土倉內(nèi)渣土的摩擦阻力力矩和刀箱內(nèi)渣土的阻力力矩, 造成滾刀不轉(zhuǎn), 導(dǎo)致偏磨(圖2)。 </p><p>  圖二 啟動(dòng)扭矩過大造成的偏磨 </p><p>  明顯特征: 刀圈其余部位幾乎沒有磨損, 刀體、 端蓋無明

9、顯受到撞擊和變形狀況,刀圈無斷裂,刀具沒有漏油和進(jìn)泥現(xiàn)象 </p><p><b>  2.2 刀體變形 </b></p><p>  在整體松散的砂卵地層, 不但刀圈的磨損, 而且刀體的表面也磨損嚴(yán)重, 特別是因富含石英的砂粒和堅(jiān)硬的鵝卵石, 對(duì)刀圈和刀體都產(chǎn)生巨大的磨蝕。 而傳統(tǒng)的滾刀刀體材質(zhì)為42CrMo, 硬度約為HRC28~32,不具備很高的抗磨蝕性,很快被

10、磨薄而降低了強(qiáng)度。 當(dāng)?shù)侗P轉(zhuǎn)速為2轉(zhuǎn)/Min時(shí), 對(duì)于直徑為6.28M的刀盤, 邊緣滾刀的線速度約為0.65米/秒, 而對(duì)于直徑為12M的刀盤,邊緣滾刀的線速度高達(dá)1.25米/秒, 若撞擊上漂石或大塊的鵝卵石則造成刀體變形,導(dǎo)致滾刀不轉(zhuǎn),形成偏磨(圖3) 。 </p><p>  圖三刀體受撞擊變形造成的偏磨 </p><p>  明顯特征: 刀圈已有一定程度的均勻磨損, 刀體已受磨損嚴(yán)重

11、并有明顯的受撞擊痕跡,刀體與端蓋之間卡死。 </p><p><b>  2.3 刀圈斷裂 </b></p><p>  傳統(tǒng)的硬巖滾刀刀圈, 多采用材質(zhì)相當(dāng)于美國標(biāo)準(zhǔn)的牌號(hào) H13 合金工具鋼, 為了達(dá)到一定的耐磨性, 常見的熱處理硬度為 HRC56 ~ 58 。 如果對(duì)材料的成分、 鍛造工藝、 熱處理工藝等質(zhì)量控制出現(xiàn)偏差, 容易造成刀圈的脆性增加, 在大的卵石和

12、漂石的高速撞擊下, 造成刀圈斷裂, 特別是刀圈經(jīng)磨損到一定程度后強(qiáng)度變?nèi)?</p><p>  圖四刀圈受撞擊后斷裂 </p><p>  三、在砂卵地層提高滾刀使用壽命的對(duì)策 </p><p><b>  3.1刀圈 </b></p><p>  根據(jù)滾刀在砂卵地層中的破巖機(jī)理與硬巖中的區(qū)別, 刀圈的截面尺寸和性能指標(biāo)

13、應(yīng)作出相應(yīng)的調(diào)整: </p><p>  A) 為了提高刀圈的耐磨性和使用壽命, 將刀刃寬由3/4吋增加到28MM或更大(圖5),同時(shí)提高其抗沖擊能力。 </p><p>  B) 由于砂卵地質(zhì)中石英含量高, 其顯微硬度高、 磨蝕性高, 為了提高刀圈對(duì)付石英的抗磨性, 材料成分中適當(dāng)提高釩、鈮、鎢、鉬、鎳、鉻等合金元素的含量,同時(shí)控制好鍛造工藝和熱處理工藝,以達(dá)到細(xì)化晶粒、提高其抗沖擊 &

14、lt;/p><p>  能力。圖五 刀圈截面尺寸 </p><p>  C) 由于滾刀在本地質(zhì)中使用, 受到較大的撞擊, 因此不宜為了提高其耐磨性而片面的提高其硬度,必須兼顧其抗沖擊能力。 </p><p>  3.2 刀體 由于刀體在本地質(zhì)中使用, 會(huì)受到嚴(yán)重磨蝕和撞擊, 故刀體應(yīng)具備較強(qiáng)的耐磨性和抗沖擊能力: </p><p>  A) 刀體

15、應(yīng)采取耐磨處理, 如表面堆復(fù)耐磨材料、 提高刀體的硬度(淬火至HRC46以上,或表面滲碳、碳氮共滲等處理)。 </p><p>  B) 提高刀體的厚度和強(qiáng)度,以便提高刀體的抗沖擊變形能力。如圖6、圖7 </p><p><b>  圖六加厚耐磨刀體 </b></p><p>  圖七加厚與普通刀體對(duì)比 </p><p>

16、;<b>  3.3啟動(dòng)扭矩 </b></p><p>  嚴(yán)格控制好滾刀的啟動(dòng)扭矩, 單刃滾刀不宜超過25N-M; 如果在特別松軟的地 質(zhì), 對(duì)于單刃滾刀, 開挖面無法提供足夠的反力來克服啟動(dòng)扭矩和阻力扭矩, 可適當(dāng)考慮采用雙刃滾刀,以便提高轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。 </p><p><b>  3.4 刀具改裝 </b></p><p&

17、gt;  對(duì)于海瑞克盾構(gòu)機(jī), 通常使用的滾刀規(guī)格為17吋(刀圈外徑431.8mm), 極限磨損量為: 正面滾刀約25~30mm, 邊緣滾刀約15mm。 為了提高其使用壽命, 可適當(dāng)增加極限磨損量,但必須對(duì)滾刀的安裝做適當(dāng)?shù)母难b,具體方案如下: </p><p>  A )加大刀圈的外徑 </p><p>  若單純的加大刀圈的外徑將導(dǎo)致滾刀無法安裝入刀箱, 必須對(duì)裝刀 U 形塊尺寸進(jìn)行改造

18、, 如圖 8 所示, 按此方案可將刀圈外徑加大至 448mm 。 由此, 極限磨損量為:正面滾刀由原來的 25mm 增加至 33mm ,提高使用壽命約 1/3 ,邊緣滾刀由原來的 15mm 增加至 23mm , 提高使用壽命 53% , 效果非常顯著, 只是略微增加刀圈的成本。 按此改裝會(huì)導(dǎo)致一些問題,必須引起注意: </p><p>  ①改變了原有刀具的受力情況, 即滾刀的側(cè)向力(軸向力) 會(huì)有所增加。 但考

19、慮到滾刀在砂卵地層受力不大,不會(huì)因此導(dǎo)致滾刀的異常損壞。 </p><p> ?、谒淼篱_挖直徑增大了 16mm ,導(dǎo)致出渣量和注漿量相應(yīng)增加,這點(diǎn)在掘進(jìn)施工中必須加以注意和重視。 </p><p>  B )滾刀前突安裝 </p><p>  對(duì) U 形塊尺寸進(jìn)行改造,如圖 9 所示,可根據(jù)實(shí)際情況確定前突安裝量。以前突安裝 10mm 為例, 則極限磨損量為: 正面

20、滾刀由原來的 25mm 增加至 35mm , 提高使用壽命 40% , 邊緣滾刀由原來的 15mm 增加至 25mm , 提高使用壽命 67% , 并且刀具的成本沒有任何的改變。 按此改裝會(huì)導(dǎo)致一些問題,必須引起注意: </p><p>  ①隧道開挖直徑增大了 20mm ,導(dǎo)致出渣量和注漿量相應(yīng)增加,這點(diǎn)在掘進(jìn)施工中必須加以注意和重視。 </p><p>  ② U 形塊向前突出 10m

21、m ,前突外露部分會(huì)加快磨損,應(yīng)做相應(yīng)的耐磨處理(表 </p><p>  面堆焊耐磨層) 或加焊耐磨塊 </p><p>  四、 在砂卵地層降低滾刀使用成本的有效方法 </p><p><b>  4.1 刀具維修 </b></p><p>  A) 及時(shí)對(duì)可再利用的滾刀進(jìn)行維修, 可以提高刀具的利用率, 減少刀具的

22、庫存成本; 還可以減少零件的報(bào)廢(如漏油進(jìn)泥的滾刀, 不及時(shí)維修會(huì)造成軸承銹蝕而報(bào)廢)。 </p><p>  B) 對(duì)于能修復(fù)再使用的零件盡量修復(fù),并對(duì)其改善性能,更適合使用要求。 如 </p><p>  圖10為未經(jīng)耐磨處理的刀體使用一次后嚴(yán)重磨損, 圖11為經(jīng)堆復(fù)耐磨層修復(fù)后, </p><p>  圖 圖10 刀體修復(fù)前 </p><p

23、>  圖11 刀體經(jīng)堆復(fù)耐磨層修復(fù)后 </p><p><b>  4.2 刀具管理 </b></p><p>  完善刀具的管理體系,對(duì)每把滾刀編號(hào)登記,記錄每次使用的掘進(jìn)里程、 地 </p><p>  質(zhì)情況、裝在刀盤的位置、 磨損情況(磨損量、有無偏磨和漏油、 有無受到 </p><p>  撞擊、啟動(dòng)扭矩

24、變化等)、維修更換的零件、掘進(jìn)參數(shù)、渣土改良情況等, </p><p>  通過對(duì)其磨損情況和各種參數(shù)的分析,可以獲得很多有用的信息,便于改善 </p><p><b>  滾刀的使用。 </b></p><p><b>  4.3 刀具選配 </b></p><p>  根據(jù)水桶定律,決定木桶盛水

25、量多少的關(guān)鍵因素不是其最長(zhǎng)的板塊,而是其 </p><p>  最短的板塊。 對(duì)于整個(gè)刀盤上的滾刀,邊緣滾刀的行程軌跡最長(zhǎng)、線速度最高, 受到的沖擊力最大, 磨損最嚴(yán)重, 也就是水桶定律中的最短板塊。因此,最長(zhǎng)的換刀里程取決于邊緣滾刀的使用壽命。 為了提高開倉換刀的里程,減少開倉換刀次數(shù),降低施工風(fēng)險(xiǎn)和施工成本,有必要選用高性能的邊緣滾刀(刀圈), 正面滾刀可選用相對(duì)經(jīng)濟(jì)的, 以獲得較高的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性的效果。

26、提高邊緣滾刀使用壽命的方法: </p><p>  A) 使用耐磨性更好的重型刀圈; </p><p>  B) 增加破巖的刀圈量,即以雙刃滾刀替代單刃滾刀; </p><p>  C) 加大刀圈的極限磨損量(加大刀圈或前突安裝)。 </p><p><b>  五、實(shí)例應(yīng)用 </b></p><p&

27、gt;  成都地鐵4號(hào)線5標(biāo)采用本案所提到的施工技術(shù),并獲得了成功。所有刀具在掘進(jìn)到250環(huán)處(約325米處)是檢查刀具整體刀具磨損均在4-5mm,當(dāng)盾構(gòu)達(dá)到預(yù)定換刀點(diǎn)360環(huán)(約540米處)整體刀具磨損在10-12mm之間,以上措施部分已在成都地鐵4號(hào)線5標(biāo)的盾構(gòu)施工中廣泛采用,并獲得非常顯著的效果, 因而為各施工單位節(jié)約了大量的刀具使用成本和其他間接成本, 同時(shí)也提高了掘進(jìn)效率和施工安全性,社會(huì)效益非常明顯。 </p>

28、<p><b>  六、結(jié)束語 </b></p><p>  在成都砂、卵石地層盾構(gòu)施工中通過對(duì)刀盤、刀具和螺旋輸送機(jī)采取預(yù)防磨損和提高耐磨性的措施并選用適合的刀具,就能實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工的長(zhǎng)距離掘進(jìn)、減小磨損和降低消耗的目標(biāo)。尤其在對(duì)刀具的耐磨性能得到大量提高后,投入施工生產(chǎn)所產(chǎn)生的效益更是壯觀。 </p><p><b>  參考文獻(xiàn): </

29、b></p><p>  [1]竺維彬,鞠世健. 地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)源及典型事故的研究M]. 廣州: 暨南大學(xué)出版社,2009. </p><p>  [2]竺維彬,鞠世?。?廣州地鐵三號(hào)線盾構(gòu)隧道工程施工技術(shù)研究[M]. 廣州: 暨南大學(xué)出版社,2007. </p><p> ?。?]竺維彬,鞠世健,復(fù)合地層中的盾構(gòu)施工技術(shù)[M]. 北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社,

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