盾构滚刀地质适应性探析.doc

盾构滚刀地质适应性探析四堡盾构工程盾构滚刀地质适应性探析Geologicaladaptabilityf0rthediskcuttersOfshieid李凤远,陈馈LIFengyuan,CHENkui(中铁隧道集团盾构及掘进技术国家重点实验室,河南郑州450003)摘要合,构滚刀的破岩机理,_吾五_聂,妻滚应性选型方法.通过合理选用滚刀,从而大幅提高盾莲磊性,可靠性,安全性和耐久性.一.关键词】盾构;滚刀;破岩机理;承载力;地质适应性随着国内轨道交通及其他市政工程建设的蓬勃发展,城市地铁隧道,客运专线隧道,跨江越海公路隧道,引水隧道及市政管道工程等地下隧道工程广泛采用盾构法施工.在岩石,砂卵石地层及复合地层掘进时,目前一般采用17英寸盘形滚刀,且普遍存在刀具更换频繁,工效率低下的问题,从而对滚刀直径,类型等参数的选择提出了质疑1滚刀破岩机理在刀盘推力作用下,滚刀的刀圈轴向受力(P)挤压岩层,当达到岩石的强度极限时便可挤压破岩;同时在刀盘驱动扭矩的作用下,使滚刀滚动径向叟力(F),从而克服来ttl掌子面的摩擦力矩.由于滚刀的滚压破岩是既有冲击压碎,又有剪切碾碎作用的复合运动,从而给滚压破岩理论研究造成极其复杂的困难局面.到目前为止,研究岩石破碎的学者仅对破碎前的应力状态有较明确的观点和论述,而对于裂纹产生,扩展,汇交,破碎判据,漏斗行程等一系列问题仍存在分歧.2滚刀地质适应性选择2.1滚刀承载力计算根据东北工学院的研究,结合日本小松小松技报观点,按照力平衡原理,滚刀承载力尸和802011(12)coNsTRucTloNMEcHANIzATloN漏斗坑在自由面上形成的破碎面成正比P=RA(1)式中R为比例系数,它与岩石抗压强度尺有关RGR(2)式中滚压系数,它与岩石性质有关,采用试验可以确定其数值.一般K.0.470.7,夫理岩约为0.53,花岗岩约为0.67,岩石越软越小,岩石越硬越大.实际破碎面积较为复杂,将其看为2条抛物面投影组成的面积,其与刀具几何形状,贯入度的关系为A=号tan等(3)式中滚刀半径;刀具贯入度;岩石破碎角.破碎角可以采用滚刀拉槽实验方法进行测量,与刀具参数及载荷大小无关,仅与岩石性质,岩石节理发育程度,自由面形状及数量等有关,大理岩一般为140.156.,花岗岩一般为142.150.,石灰岩(有水平节理)一般为154.160.滚刀承载力计算(图1)公式尸=导hfiR2-(R-102tan等(4)盾构工,l,/,)耋_DH丽1图1滚刀破岩承载力计算模型2.2滚刀选择实例广深港SD3标狮子洋隧道采用直径11.1am泥水盾构掘进,穿越地质主要为粉细砂岩,岩石最大单轴抗压强度82.8MPa,刀盘设计采用17英寸单刃,双刃滚刀(可以互换),其中4650#为边滚刀(49#,50#同轨迹).在刀具应用过程中,全部采用单刃滚刀从682m里程掘进到722m里程后,开舱进行了刀具检查,边刀磨掼情况如表1所示.图1边刀磨损情况刀位磨损量掘进里程平均耐磨度编号(mm)(in)(m/mm)M491040.0004.O0M482540.0001.60M472540.0001.60M462040.0002.00由于掘进效率低下,经研究,边滚刀决定采用l7英寸双刃滚刀以增加边刀轨迹.在掘进仅7环(14m)后出现盾构掘进参数异常,开舱进行刀具检查,发现安装的3把双刃滚刀全部损坏(图2),刀体出现变形,轴承散架,刀圈移位,隔圈脱落.图2双刃滚刀出现的异常磨损对广深港SD3N子洋隧道滚刀承载力按上述公式进行了计算(表2).其中岩石破碎角按照奥斯特洛乌什柯数据查得.表2广深港狮子洋隧道滚刀承载推力计算项目参数或计算值掘进环(mm)2000.00环掘进时间(min)1O0.0O掘进速度(mm/min)20.O0刀盘转速(r/min)2.O0贯入度1O.00岩石破碎角(.)144.O0滚压系数0.60岩石抗压强度(kg/cm)828.O0刀具贯人度(cm/r)1.O0滚刀半径(cm)21.60单刃滚刀承载力(kgf)132l4.78单刃滚刀承载力(N)132147.80单刃滚刀承载力(t)13.21双刃滚刀承载力(t)26.43通过计算,在广深港粉细砂岩地质情况下,17英寸单刃滚刀承载力为13.21t,双刃滚刀承载力26.43t.经查阅17英寸滚刀惯用轴承为TIMEKER圆锥滚子轴承HH224335,按照轴承承载力计算,刀具采用两轴承(图3中的1112)对称组合安装,刀具承载力约为25t.根据广深港SD3标地质条件,采用双刃滚刀时轴承承载力不能满足要求,因此在粉细砂岩地层采用双刃滚刀是不现实的.图3滚刀轴承对称安装同理反推计算,在上述掘进参数及类似地层岩性情况下,单刃滚刀适用最高抗压强度为建筑机械化2011(12)81155MPa的地层.因此对于滚刀类型的选择,应根据盾构穿越的地质条件,进行刀具承载力的校核,然后进行滚刀类型的选择.根据式(4),在地质条件及掘进参数相同的情况下(粉细砂岩,岩石抗压强度82.8MPa,掘进速度20ram/rain,刀盘转速2rpm),可进行滚刀直径的选择,若选用l9英寸刀具,计算单刃滚刀承载力为13.9t,l9英寸滚刀承载力一般为30t,是可以满足承载力要求的.同理在相同岩性及掘进参数情况,根据19英寸滚刀轴承承载力,其适用的最高单轴抗压强度约为18OMPa.3滚刀选择需考虑的其他因素3.1换刀强度盾构在硬质地层掘进时刀具更换是主要的施工工序之一,应尽可能降低换刀的劳动强度.刀具直径的大小决定了刀具的重量,17N寸滚刀总重约l20kg,利用现有工具进行快速换刀已经被大多数用户接受,这也是目前该类型滚刀得以广泛应用的主要原因之一.若采用l9英寸滚刀,应从刀具安装方式,刀具更换方式,刀具的便携式吊运等方面进行优化设计.3.2盾构直径滚刀选型设计应综合考虑盾构直径大小.一般情况下,盾构直径越大,刀具布置更容易;盾构直径越小,刀具布置则易受限制.同时盾构直径的大小也决定了刀具更换空间的大小.3.3掘进效率根据滚刀参数,滚刀直径越大,刀圈允许磨损量就越大,当贯入度相同时,19英寸滚刀比l7英寸滚刀使用时间长11%25%,因此选用大直径滚刀可提高掘进效率,减少换刀频率.4结语随着盾构国产化时代的到来,滚刀地质适应性研究已经成为盾构施工的技术瓶颈.合理选择和合理布置滚刀是提高盾构施工可靠性,安全性,高效性,耐久性的有效途径.参考文献1竺维彬,王晖,鞠世健.复合地层中盾构滚刀磨损原因分析及对策J.现代隧道技术,2006.(04):72-77.【2】张宁川,王豪,张双亚.17in与19in滚刀破岩效率及耐磨度的初步比较研究J.隧道建设,2009,29(1):123-126.3】刘志杰.岩石隧道掘进机刀盘设计方法研究D.大连理工大学,2009.4张照煌,刘莎莎.盘形滚刀作用下岩石应变计算办法的探讨.工程力学,2010,(【)1):187-190.5】陈馈.狮子洋隧道SDI1标盾构选型设计与对按施工A/中铁隧道集团.2007年水底隧道专题技术交流大会论文集C】.河南洛阳:中铁隧道集有限公司,2007:146-150.6】郑清君,梁奎生,李凤远.狮予洋隧道盾构掘进施危险源分析及对策【A】/中铁隧道集团.2008年盾构(TBM)隧道专题技术交流火会论文集【C.河南洛阳:中铁隧道集团有限公司,2008:6265.7陈馈,洪开荣,吴学松.盾构施工技术【M.北京:人民交通出版社,2009.(编辑羌荣生)基金项目国家973计划项目(2010CB736008)中图分类号TU62103文献标识码B文章编号10011366(2011)12-008003收稿日期2011一O725”一一一一一i更正i;本:J2011年第10期”塔式起重机方形基础的设计计算”一文公式(4)中第1个”应为”;第11期目次页中i”C7050B5D塔机高空改起重臂浅析”应为”C7050BSD塔机高空改起重臂浅析”,”悬臂掘进机在印