高磨蚀地层TBM刀盘洞内快速修复技术研究

第３６卷第４期　２　０　１　７年８月　四川水力发电　Ｖｏ１．３６．Ｎｏ．４　Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ　Ａｕｇ．，２　０　１　７　高磨蚀地层ＴＢＭ刀盘洞内快速修复技术研究　赵摘伟　，　贺东泽　６１ｌｌ３０；２．中铁隧道股份有限公司，陕西宁陕７１１６０７）　（１．四川二滩国际咨询有限公司，四Ｊ１Ｉ温江要：针对引汉济渭岭南ＴＢＭ　ｌＴ程高磨蚀地层ＴＢＭ刀盘刀具损坏异常严重的问题，通过刀盘洞内修复的现场实践，形成　了一套高磨蚀地层ＴＢＭ刀盘洞内快速修复技术，该技术工艺流程主要包括：开挖检修坑道、搭建作、ｌ　平台，刮渣板、挡渣块、　刀座、Ｖ型块、耐磨条、刀盘面板等关键部位的修复，拆除作业平台、恢复掘进等。从１二程地质、设备、组织管理三方面分析了　造成刀盘磨损严重的原因，提出了合理化建议，可为类似ＴＢＭ工程的掘进提供参考。　关键词：高磨蚀地层；ＴＢＭ；刀盘；磨损；刀盘修复；引汉济渭岭南ＴＢＭ　１＝＝＝程　中图分类号：ＴＶ７；ＴＶ５２；ＴＶ５５４；ＴＶ５５４＋．２　文献标识码：Ｂ　文章编号：１００１　２１８４（２０１７）０４－００７７－０４　１　概述　占１％。地表水较发育，地下水为基岩裂隙水，　水量较丰富，全隧道可能发生的最大涌水量为　４１　０００　ｍ　／ｄ。　全断面岩石掘进机（ＴＢＭ）用于长大隧道施　工中具有快速、安全、高效等钻爆法不可比拟的优　势¨Ｉ４　Ｊ，但ＴＢＭ设备在施工过程中一旦遭遇极硬　岭南ＴＢＭ段采用直径为８．０２　ｍ的敞开式　ＴＢＭ施工，刀盘上布置了４把长１７　ｉｎ（１ｉｎ：２．５４　ｃｍ）的中心双刃滚刀、３ｌ把长２０　ｉｎ的正滚刀、ｌ２　把长２Ｏ　ｉｎ的边滚刀，刀盘本体结构件包括刀盘本　体、刀箱、刮板座、挡渣块、Ｖ型块、耐磨层、人孔　等，其结构布置情况见图１。在该工程施工过程　中，受极硬岩、高磨蚀地层影响，刀盘附属结构件　损坏严重，如挡渣块磨损／断裂、刮板座变形开裂、　岩高磨蚀地层，其刀具的更换与刀盘结构件的修　复将花费大量的成本，如穿越秦岭的西康铁路秦　岭隧道，用于刀盘刀具的费用高达掘进机施工费　用的１／３　Ｊ。因此，ＴＢＭ刀盘刀具磨损与修复问　题已受到学术界和工程界的高度重视，应从各个　方面分析刀盘面板、滚刀、刀座、刮板座等出现磨　损、变形及开裂的原因，从地质方面稳同围岩、设　备方面检修和改进、管理方面优化掘进参数并制　定措施，以减缓刀盘结构件的磨损、减少刀具的消　耗＿６］。引汉济渭岭南工程所遇到的围岩情况为　Ｖ型块磨损、刀座结合面磨损、耐磨层快速磨损　等，ＴＢＭ每掘进一段距离就必须停机对ＴＢＭ刀　盘进行及时修复，以确保ＴＢＭ刀盘的安全可靠。　板　中心滚刀　刀盘面板　国内首次遇到的长距离极硬岩，其高磨蚀性、高地　应力地层刀盘刀具的损坏与修复频率远高于国内　外其他工程，因此，探索快速、高效的ＴＢＭ洞内刀　盘修复技术非常有必要。　引汉济渭工程秦岭隧洞全长８１．８　ｋｍ，岭南　ＴＢＭ段全长１８．２７５　ｋｍ，位于秦岭岭脊高中山区　／　及岭南中低山区，地形起伏，隧道埋深为５００～　２　０００　ｍ。岩性主要以花岗岩、石英岩为主，占标　段围岩总量的７５％以上，单轴干抗压强度为９６．７　～２４２　ＭＰａ，完整系数为０．５９～０．８９，石英含量为　冈１　ＴＢＭ刀盘结构不意图　５８％～９７％，耐磨值为５～７，围岩类别以Ⅱ类为　主，占总掘进长度的７２．９％，Ｉ类围岩占１６．７％，　２　刀盘洞内修复关键技术　２．１　刀盘洞内修复的施作流程　Ⅲ类围岩占６．５％，１Ｖ类围岩占２．９％，Ｖ类围岩　收稿日期：２０１７－０１一Ｉ７　开挖工作洞室一搭建工作平台、拆除刀具一　修复刮板座，同步进行滚刀刀座、Ｖ型耐磨块／耐　Ｓｉｃｈｕａｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗｅｒ囫　赵伟等：高磨蚀地层ＴＢＭ刀盘洞内快速修复技术研究　２　０ｌ７年第４期　磨条、挡渣块、刀盘面板的修复一焊接完成并经检　验合格后收尾并安装刀具一恢复掘进。　２．２工作洞室的扩挖及作业平台的搭建　为了焊接刮板座及侧边耐磨条，需要在主洞　左侧及右侧距离掌子面一段距离位置处各开挖一　个底部宽１．２　ｍ、顶部宽０．８　ｍ，高１．５　ｍ，０．６　ｍ　深的检修坑道（图２），采用弱爆破施工。检修坑　道开挖完成后，及时进行石渣清理，然后观察坑道　内及周边围岩的情况，实施喷混凝土支护工作。　图３　刮饭座和　渣块修复前的情况　　２洞室扩挖不意图　ｌ冈４　刮板座和　ｉ渣块修复屙的情况　２．３　刀盘附属部件采用的修复技术　滚刀刀座的修复：以未磨损的面为基准面，对　刀座磨损的位置用不锈钢焊条进行补焊，同ＮｑＳｉｊ用　角尺、水平尺对其找平，反复多次、直至刀座磨损部　位与基７俸面相平，然后对刀盘焊接面进行打磨，使　２．３．１　刮板座与挡渣块的修复　刮板座的修复：首先对损坏的刮板座使用碳　刨刨除，再用角磨机打磨，以母板上的定位销－ｆＬｘ￣　新刮板座进行定位，定位完成后，对需焊接的位置　先加热到８０℃左右，使用二保焊机对其进行焊　接，焊完后自然冷却，然后进行下一个位置的刮板　修补面与基准面持平；待刀座修复完成后，对其进　行加温、淬火。刀座修复前后的情况见图５、６。　Ｖ型块的修复：将需更换的Ｖ型耐磨块　碳　座修复。需要特别注意的是：检修刮板座时只允　许反转刀盘调整工作位置。　挡渣块的修复：首先将磨损严重的挡渣块及　进渣口圆弧位置磨损严重的钢板割除，量取进渣　刨刨掉，用角磨机将耐磨块基面位置打磨光滑，然　后对耐磨块按照设计尺寸进行定位，先对需焊接　的部位加温到８０℃左右，再用二保焊机对其进行　口圆弧位置需修补的钢板尺寸，用５０　ｍｍ厚的钢　板进行下料、定位、焊接，焊接完成后，在其背部加　ｌ～２个３０　ｍｒｌｌ厚的三角筋板并进行固定焊接；进　渣口圆弧位置修复完成后，从刮板仓内侧向外侧　方向按照２００　ｍｍ的问距对挡渣块进行定位，将　焊接面加温到８０℃左右后使用二保焊机对其进　行焊接，焊完后自然冷却。　刮板座和挡渣块的材料为ＨＡＲＤＯＸ　４５０钢　板，修复前后的对比情况见图３、４。　２．３．２滚刀刀座与Ｖ型块的修复　网５刀座修复前的情况　困ＳｉｃｈｌＩａｎ　Ｗａｔｅｒ　Ｐｏｗ仃　第３６卷总第１９３期　四川水力发电　ＨＡＲＤＯＸ　４５０，修复前后的对比情况见图９、１０。　图６刀座修复后的情况　焊接，焊接完成后待其自然冷却；对磨损较轻的耐　磨块使用耐磨焊丝对其磨损的位置进行堆焊；在　所有Ｖ型耐磨块更换及修复完成后，用耐磨焊条　对其表面堆高度５　ｍｍ左有的网格状耐磨层。Ｖ　型块的材料为ＨＡＲＤＯＸ　４５０，修复前后的对比情　况见图７、８。　图９耐磨条修复前的情况　图１０耐磨条修复后的情况　刀盘面板的修复：将磨损的耐磨板用碳刨刨　除，以未磨损位置表面为基准面，用合适厚度的钢　板对磨损的位置进行填充焊接或堆焊，焊接后打　磨平整，使修复面与基准面基本平顺。待受损的　刀盘母体修复完毕，按照原设计位置对耐磨板进　图７　Ｖ型块修复前的情况　行定位，先对焊接面加温，再用二保焊机对其进行　焊接，焊接完成后待其自然冷却，刀盘母体及面板　修复对比情况见图１　１、１２。　３　刀盘部件磨损原因探讨及采取的管理措施　３．１　刀盘磨损原因　图８　Ｖ型块修复后的情况　２．３．３　刀盘面板与耐磨条的修复　耐磨条的修复：将磨损的耐磨条用碳刨刨掉，　对定位面用角磨机打磨，然后对耐磨条及耐磨块定　位，将焊接面加温至８０℃左右，最后用二保焊机对　其进行焊接，焊接完成后自然冷却，耐磨条材料为　图１Ｉ刀盘面板修复前的情况　Ｓｉｃｈｕａｎ　ＷａｔｅｒＰｏｗｅｒ囫　赵　伟等：高磨蚀地层ＴＢＭ刀盘洞内快速修复技术研究　２０１７年第４期　开裂及变形等，造成刮板及螺栓频繁掉落；挡渣　块、Ｖ型块采用ＨＡＲＤＯＸ　４５０耐磨板材，在高磨　蚀地层其抗磨能力存在局限性，这是造成刀盘部　件受损的次要原因。（３）施工现场若对于刀具更　换的标准不能严格执行，待滚刀超磨损极限值后　才予以更换、刮板磨损严重或断裂不能及时更换　亦将会造成刀盘结构件磨损受损。　３．２　关于刀盘管理的建议　图１２刀盘而板修复后的情况　针对上述原因，笔者对刀盘管理提出了以下几　点建议：首先，刀具使用过程中要严格执行刀具的　刀盘磨损过快的原因主要有工程地质、ＴＢＭ　设备及组织管理ｉ个方丽的原冈。（１）引汉济渭　岭南ＴＢＭ工程岩石抗压强度高、完整系数大、石　更换标准，滚刀一旦达到磨损极限需要及时更换；　另外，建立刮板更换的定量标准并严格执行，确保　滚刀和刮板对刀盘的保护作用有效；再次，对刀盘　英含量高、耐磨值大，导致地层具有较高的磨蚀　性，造成刀具磨损快、刀具更换频繁，是导致刀盘　结构件本身想办法提升其性能，如可采购比ＨＡＲ．　ＤＯＸ　４５０耐磨板材具有更高耐磨性的材料用于刀　盘附属结构件的修复，以提升结构件本体的耐磨　性；ｘ，－Ｊ－于磨损较快的刀盘零部件进行有针对性的耐　磨设计改造；最后，对于不同强度地层，需对ＴＢＭ　辅助结构件磨损过快的主要原因，如不能及时予　以更换，将导致刀盘面板磨损。此外，ＴＢＭ掘进　过程中存在岩爆与破碎地层，在这种围岩条件下，　开挖面前方有大块石掉落，如果滚刀不能及时破　岩并将岩渣排出，将造成刀盘边缘区重复磨损，加　快其边缘区域刮板座、挡渣块、耐磨条以及耐磨板　的磨损。（２）刮板座设计较薄弱，频繁出现断裂、　掘进参数的选择进行优化。引汉济渭岭南ＴＢＭ工　程经过近４　ｋｍ长隧道的探索试验，总结出一套有　利于长隧道高效掘进的参数优选范围（表１）。　表１　引汉济渭岭南ＴＢＭ工程掘进参数优选范围表　４结论与讨论　耐磨设计改造，根据地层条件进行掘进参数的优　化调整。　参考文献：　［１］　《中国公路学报》编辑部．中国隧道工程学术研究综述　（２０１５）［Ｊ］．中国公路学报，２０１５，２８（５）：１—６５．　［２］　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，２ｏ１４，３４（３）：１７９—１８７．　（１）通过引汉济渭岭南ＴＢＭ工程刀盘洞内　修复的实践，形成了一套高磨蚀地层ＴＢＭ刀盘洞　内快速修复技术，该技术工艺流程主要包括：开挖　检修坑道、搭建作业平台，刮渣板、挡渣块、滚刀　座、Ｖ型块、耐磨条、刀盘面板等关键部位的修复，　拆除作业平台，恢复掘进等。　［３］　王梦恕．中国铁路隧道与地下工程发展概况［Ｊ］．隧道建　设，２ＯｌＯ，３Ｏ（４）：３５ｌ一３６４．　（２）导致刀盘刀具磨损的地质原因主要是岩　石抗压强度高、岩石完整系数大、耐磨值高，导致　［４］　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．　岩石具有较高的磨蚀性；另外，高地应力岩爆与破　碎地层掉块也会影响到刀盘磨损；导致刀盘刀具　［５］　王旭，赵羽，张宝刚，等．ＴＢＮ滚刀刀圈磨损机理研究　［Ｊ］．现代隧道技术，２０１０，４７（５）：ｌ５一ｌ９．　［６］　黄文鹏．节理密集带地质硬岩ＴＢＮ刀盘损坏形式及对策　［Ｊ］．隧道建设，２０ｌ２，３２（４）：５８７—５９３．　作者简介：　磨损的设备原因是关键部件结构设计薄弱、材料　耐磨性不强；导致刀盘刀具磨损的管理因素是不　能严格执行刀具的更换标准。　（３）为了有效控制刀盘刀具的磨损，笔者建　议：在刀具使用过程中要严格执行刀具的更换标　准，对于磨损较快的刀盘零部件进行有针对性的　赵伟（１９６６－），男，四Ｊｉ　Ｊ中江人，高级工程师，从事水利水电工程　施工技术管理及咨询服务、ＴＢＭ施＿Ｔ现场监理及技术管理　工作；　贺东泽（１９８６一），男，四川富顺人，工程师，学士，从事ＴＢＭ施Ｔ技　术与管理工作．　（责任编辑：李燕辉）　皿ＳｉｃｈＨ删Ｗａｒｅ，Ｐｏ　ｅ，．