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原作者:刘军 董天鸿   出处:

【论文摘要】通过TBM在秦岭I线隧道的施工，我们总结了刀具的国报规律和实际施工的换刀规律。为了改善刀具的磨损规律使其更趋合理．同时使施工中换刀更易操作减少刀具的消耗，节约换刀时间发挥TBM高效施工的优势，经设想、研究、论证和试验．作了正刀高刀位区换装边刀刀民达到合理磨损的初步探索。

     

1 刀具的磨损规律和换刀规律

     TB880E型掘进机刀盘上共装有破岩刀具71把，其中中心刀6把，编号为CCI－CC6；正滚刀伤把，编号为ED／SI－ED／S62；边刀3把，编号为ED／S－K63－ED／S－K65；扩孔刀2把，编号为RC1、 RC2根据秦岭 1线进机的施工情况，跟踪测量刀具的磨损量，并绘制成刀具磨损量柱状图如图1。

     经过对磨损量柱状图进行分析，我们总结出了刀具的磨损规律，随着刀具编号由小到大，即刀具的位置由内到外，刀具的磨损量逐渐增大，到ED／s56、ED／s57号刀具磨损量达到最大，即刀具的磨损最快，而从ED/S58－ED／—K65砧又逐渐减慢。这是由刀间距是由内到外逐渐减小，而巨ED／S61、ED／S62两把刀是工作在同一轨迹上；ED／—K63—ED／S—K65三把刀工作在同一轨迹。新刀留在工作初期磨损较快，逐渐减信刀盘上相邻刀具磨损趋平，呈现区域阶梯，而在ED／s56、ED／s57号位出现磨损最快峰值。

     根据刀具的磨损规律和刀围的磨损极限（正滚刀为38mm，中心刀为38mm，边刀为20mm）以及实际施工需要，我们总结出了换刀规律。

     1．1  分区域批合技刀

    Ⅰ区ED／S51－ED／S55，V区ED／S17－ED／S24，Ⅱ区 ED／S56－ED／S－K65， Ⅵ区ED／S7－ED／S16，Ⅲ区ED／S39－ED／S50，Ⅶ区CCI－CC6至ED／S1—ED／S6，Ⅳ区ED／S25～ED／S38。

     1．2  区域丞益焕刀

     保持相邻刀具的高低差<=15mm，使刀盘上的刀具过渡平滑，刀具受力尽可能均衡。

     1．3  保护性技刀

    在刀盘的中心区域，由于刀具间距较大，中心刀和其相邻的ED／S1－ED／S6正滚刀需配合使用，使其每把刀的受载均衡不超载。在边刀及其过渡区的刀具，其刀刃与隧道中线不平行，具有一定的破岩夹角，受力复杂，且参与二次破岩。更换边刀时必须更换过渡区的正滚刀，这样将起到保护刮板和边刀的作用，延长其使用寿命。

     1．4  扩孔刀更换

    每次换边刀时必须扩孔。扩孔5－6次需更换1次扩孔刀。

    1.5  特殊情况焕刀

    指刀具漏油、刀圈断裂弦磨、对体被意外损坏、刀具螺栓松动断裂、挡目脱落等情况下必须换刀。

2  改变原有回报规律和换刀规律的对策

    刀具的磨损规律和施工情况决定了换刀规律，而刀具的磨损规律是由刀盘结构和刀具性能所决定的。但是现有的刀具更换规律显然对施工不利，在磨损峰值及其过渡区域内换刀重叠严重，而巨刀具消耗很快。造成刀具浪费和IBAI时间利用率低。见图2。

    分析图2，可知在过渡区域换刀数量最大间隔时间最短，而且换刀必须分成两次更换该区域的刀具，不易操作，增加刀具消耗。为了改变现有换刀规律的缺陷，更加适应TBM施工，提高W快速四2刀具更换数量柱状回施工的效率，降低刀具消耗。我们设想两种办法

   （1）改变刀盘结构，从而达到改变磨损规律和换刀规律。此种办法技术难度大、可操作性差目前国内尚不能进行。

   （2）改变刀具的性能

     a．改变刀圈的耐磨性能。目前我们使用的刀囵已是国际领先水平，短期内无法实现。

     b.改变刀刃形状，从而达到改变其耐磨性能。有两条途径来实现，一是利用现有的边刀圈来代替正滚刀刀回在磨损较快的区域使用；其次，自行研制一种刀刃形状耐磨的刀圈，国内开发需较长的时间，可施工工期不允许。

    经过研究边刀四刀刃比正浓刀刀团党，耐磨性能好。但是刀刃较宽而使刀间距减小，破岩石碴块小，消耗能量较多，可能影响TBM掘进速度。权衡利弊，还是取其耐磨性能好这一优点，达到优化换刀规律、减少刀具消耗。

3  试验

    3.1 试验区域的选择

    根据刀具的磨损规律，换刀次数最多、磨损最快、重叠换刀较多的区域是最佳试验区域。

   （1）中心刀由于设计结构问题，它的刀阔从未达到磨损极限，不在考虑之列；

   （2）正滚刀的中低刀号位置属典型的刀具磨损规律，且符合施工需要的换刀规律，无试验意义；

   （3）正滚刀高刀位区，也就是我们所说的边刀过渡区，该区域磨损最快，需重叠换刀较多换刀次数最多、最频繁。此区域是最佳试验区。此区域的刀具编号为 ED／S51—ED／S－K65。

     3．2  进行试验及相关数据来细、分析

    根据边对固和正浓刀刀围的几何形状尺寸，在考虑到尽可能不影响掘进速度的前提下，制定了边刀圈在正滚刀上的磨损极限。

    试验共分3组进行，均以边刀更换周期为参考。

    第一组，只在ED／S61、ED／S62上使用边刀圈，数据见表1。

表1 试验数据采集表

	55	56	57	58	59	60	61	62	63	64	65
7.26	15	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
7.27	23	9	13	10	9	11	6/4	5/3	6/4/10	6/4/10	6/4/10
7.29	25	26	27	26	27	22	13/8	10/7/15	10/7/15	10/7/15	10/7/15
8.2	35	35	38	35	35	25	15/3	15/3	15/10/16	15/10/16	15/10/16
8.3	38	38	40	38	38	28	16/14	16/14	16/11/17	16/11/17	16/11/17
8.4							20/17	20/17	16/17/18	16/17/18	16/17/18
8.5							22/18	22/18	19/18/20	19/18/20	19/18/20

注：正刀：φ_内／φ_外；边刀：φ_内/φ_中/φ_外

     试验结果，刀具的安装里程为DK69669.5m/3638.2h.在8月3日换下了55＃～60＃刀圈，在8月 5日更换边刀及 56 ＃－ 62＃刀，里程为DK69821.0m/3765.2h。边刀掘进151.5m／127.0h。

     从表1中可以看出，只在61＃、62＃使用边刀围仅能提高边刀的使用寿命和ed甘刀具的使用寿命，而对该区域的换刀规律无法改变，即改变不了磨损最快的56＃、57#位，仍为两次重叠换刀。

     第二组，只在ED／S58—ED/S62上使用边刀圈，数据见表2。

     试验结果：刀具的安装里程为DK69821.0m/3765.2h，在8月10日拆下了56＃、57＃刀，在8月17日更换边刀及 50＃－ 62＃刀，里程为DK70004.1m/3901.2h，此组边刀共掘进183.lm／136.0h.只在58＃一62＃位上使用边刀自，已经使该区域的一次换刀同时达到8把（含边刀），井巨提高了边刀的使用寿命，但仍未改变磨损峰值。仍需二次重叠换刀。

     第三组，在50#-62＃位全部安装正浓刀，63＃-65＃位仍是边刀，数据见表3。

表3

	56	57	58	59	60	61	62	63	64	65
8.5	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
8.7	25	17	7	7	7	5/3	5/3	5/3/7	5/3/7	5/3/7
8.8	32	27/23	10/15	13	14/11	8/5	8/5	7/5/10	7/5/10	7/5/10
8.10			15/20	17	18/15	10/8	10/8	10/8/16	10/8/16	10/8/16
8.11			24	23	21	13/10	13/10	13/11/16	13/11/16	13/11/16
8.16			28	27	26	22/15	22/15	20/17/20	20/17/20	20/17/20
8.17			30	28	27	23/16	23/16	20/19/21	20/19/21	20/19/21

注：正刀：φ_内／φ_外；边刀：φ_内/φ_中/φ_外

表三

	50	51	52	53	54	55	56	57	58	59	60	61	62	63	64	65
8.17	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
8.19	29	31	32	32	32	33	34	34	30	29	25	11	11	5/4/6	5/4/6	5/4/6
8.20	36	37	39	38	38	39	40	40	38	37	34	16	16	10/6/8	10/6/8	10/6/8
8.20	15	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	16	10/6/8	10/6/8	10/6/8
8.21	24	18	18	13	13	13	13	15	12	19	24	22	22	15/8/12	15/8/12	15/8/12
8.24	29	26	26	18	18	18	18	20	18	24	27	25	25	20/18/19	20/18/19	20/18/19

注：正刀：φ_内／φ_外；边刀：φ_内/φ_中/φ_外

    试验结果：此组边刀共掘进 147.2m/90.1h，从表3的数据可以看出，正滚刀磨损很快，不可能与边刀同时更换。在8月20日，用边刀围更换了54＃－58＃刀，可以看出使磨损峰值位置出现了较为均衡的阶梯（即磨损值相差不大），在8月24日更换边刀时，使用的边刀圈未到极限.

     从上述三组试验可分析得出，只在61＃、62#使用边刀圈和只在磨损峰值区54＃－58 ＃位上使用边刀围及在56 ＃－62＃使用边刀圈都不能彻底改变该区域的磨损规律和换刀规律，但可以推断出若5l＃、 62＃位均使用边刀国，可以使该区域的磨损趋于均衡的阶梯，从而达到5l＃－ 65 ＃刀一次更换的目的a这三次试验得出三组边刀的平均寿命为160.6m/117.7h（在Ⅳ类围岩地段，以混合花岗岩为主，节理较发育人而在同样地质条件下，任意抽取三次未使用边刀四时的边刀平均寿命为133.3m/93.1h因此使用边刀团代替正浓刀刀留在51＃-65＃区域使用，不仅可以提高边刀的使用寿命和扩大边刀圈的使用范围及价值而且还改变了原有的磨损峰值，使该区域磨损均衡，可望一次更换51＃－ 65＃刀，既节约了正滚刀刀圈又节约了换刀时间，避免该区域重叠换刀。

4  展望前景

    表4及表5显示了原有的换刀规律和使用边刀圈代替正滚刀刀圈在过渡区内使用的对比情况。

表4 未使用边刀圈时的换刀规律

表5 使用边刀圈后的换刀规律

     从上述两种换刀规律对比，我们可以得到如下结论：改变了磨损规律，避免了重叠换刀，使换刀规律更适应施工需要，节约了正滚刀圈，和换刀时间，延长了边刀的使用寿命，扩大了边刀的使用范围和价值，为TBM施工争取了更多的时间和效益。

     以 TBM施工掘进 6km隧道为例，概算在 51＃－65＃区域刀具的更换、节约情况:

     使用边刀圈时总换刀次数：6000m／(160-170m／次）=375次-353次.

     未使用边刀圈时总换刀次数：6000m／（ 130－14Om／次）＝46.1次-43次

   （1）节约了换刀次数： 46次-38次=8次或43次-35次=8次

   （2）节约了扩孔时间： 3h/次 × 8次= 24（h）

   （3）节约边刀和正滚刀圈： （15把／次 × 8次+5把／次×38次）＝ 310把

    价值： 310把×3000元／把= 93（万元）

   （4）节约换刀时间： 310把×lh／把=310（h）按节约的时间计算：

    6km隧道共节约时间： 310h＋24h＝334h；其对工期的影响： 334h÷24h／天×40％（设备利用率按 4O％计）＝ 34． 8（天）。

    可提前工期约 35天，可节约工费开支 40－ 50万元，同时为后期工程提供有利条件。按节约的刀圈计算：310把× 2．2m／把= 682m，即可多掘进隧道682m.

    由于秦岭I线隧道已贯通，试验未能进行彻底，还不够充分、完善，得到的结论只是初步的，有待于进一步试验来验证这一技术结论，使其推广应用。