CN106248515A - 一种盾构tbm滚刀磨蚀性预测方法 - Google Patents

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陈馈
李凤远
张兵
韩伟锋
杨延栋
李星
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Abstract

本发明公开了一种盾构本TBM滚刀磨蚀性预测方法，包含试验样品的制作、样品的测量、现场环境的模拟、滚刀破岩磨损过程的模拟及根据实验结果如何预测滚刀的磨蚀性。通过采用该方法结合现场实际情况，预测滚刀的磨蚀性，不但可以有效预测现场滚刀使用量，进而预测刀具使用成本，而且可以根据现场地质情况选择更适合于本段地层施工的滚刀。

Description

一种盾构TBM滚刀磨蚀性预测方法
技术领域
本发明涉及盾构施工技术领域，具体涉及一种盾构TBM滚刀磨蚀性预测方法。
背景技术
随着国家经济建设的飞速发展，各种公路、铁路、水利、核电、城市轨道交通等各行业对隧道应用越来越广泛。由于机械化、自动化、智能化施工技术的进步，盾构TBM法施工已经成为目前隧道施工最为常见的工法之一。在盾构TBM施工过程中，滚刀的检修、磨损、更换占去了大量的隧道施工成本。
目前，针对盾构TBM施工滚刀磨蚀性(磨损)方面的实验方法很多，其中最为知名，且得到业内认可的是岩石CAI值预测方法，该方法主要是通过测试岩石磨蚀性能，进而根据岩石的CAI值对盾构TBM施工段进行滚刀磨损预测。岩石CAI值预测方法的弊端是只能定性的判定岩石对滚刀磨蚀性，而不能准确预估在某一类岩石中某种滚滚刀体的磨损情况。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种盾构TBM滚刀磨蚀性预测方法。
一种盾构TBM滚刀磨蚀性预测方法，具体步骤如下：
1)滚刀样品制作
滚刀样品按照现场计划使用的滚刀进行等比例缩放；
2)岩样制作
采用块状岩样和岩渣制作岩样试验台；铺设的块状岩样为施工现场所用的岩样，经切割后，用试验台的固定卡具将块状岩样与岩箱固定(块状岩样主要用于模拟滚刀直接破岩)；岩渣装在岩渣盒内，岩渣的密实度与施工现场刀盘舱内岩渣的密实度一致；
3)滚刀破岩试验
滚刀样品进行破岩试验之前，采用精度为1mg的电子天平称量滚刀样品的质量，测量5次，取平均值G0；破岩实验前，采用精度为0.1g的电子天平称量块状岩样的质量GY1，破岩前块状岩样体积为VY1＝GY1/ρ；
滚刀破岩过程为：将滚刀和岩渣盒固定在一起，通过驱动电机进行滚刀破岩；滚刀和岩渣盒上下移动，块状岩样和岩箱在推进油缸的作用下水平移动；(当岩样与滚刀接触后，滚刀上下移动形成滚动破岩，岩样水平移动形成刀具破岩灌入度；如此，刀具上下反复移动，实现滚刀破岩。)
滚刀样品破岩后，采用精度为1mg的电子天平称量滚刀样品的质量，测量5次，取平均值G’；破岩后，采用精度为0.1g的电子天平称量块状岩样的质量GY2，破岩前块状岩样体积为VY2＝GY2/ρ；
G0与G‘的差值即为滚刀样品磨损质量G1，即G1＝G0-G’；
VY1-VY2的差值即为该滚刀样品的破岩量V1，即V1＝VY1-VY2；
4)滚刀磨蚀性预测分析
实际应用中，滚刀的设计允许磨损质量为G2，按照如下公式：
G1/G2＝V1/V2 (1)
式中，V2------一把滚刀正常磨损后的破岩方量；
由此，可估算出盾构TBM对同类岩石进行破岩时，一盘滚刀的破岩方量。
进一步，步骤1)中，所述的滚刀样品制作，是指滚刀样品的刀圈尺寸，依现场使用的滚刀刀圈的尺寸进行10：1等比缩放；滚刀样品的其他尺寸以刀圈尺寸为基准，进行设计。
进一步，步骤2)中，试验台上铺设的块状岩样尺寸为320mm*70mm*70mm。
进一步，步骤3)中，所述的滚刀破岩过程，滚刀上下移动300次，单次行程300mm。
与现有技术相比较，本发明具有以下积极有益效果：
通过采用该滚刀磨蚀性预测方法对盾构TBM现场滚刀破岩正常磨损寿命进行量化的预测，可以有效的评估现场滚刀使用成本；可以通过该实验方法针对不同供应商的滚刀进行试压，进而选择更适应于工程项目的滚刀；同时，根据滚刀正常磨蚀性和现场地质条件情况，适时进行滚刀检修、更换位置，降低现场滚刀检修更换成本。
附图说明
图1滚刀TBM磨蚀性预测实验方法流程图；
图2实验用滚刀样品示意图；图2中，1.刀轴；2.平键；3.刀圈；4.垫圈；5.锁紧螺母；
图3滚刀破岩过程及二次磨损示意图；6.岩渣盒；7.滚刀；8.岩样；9.安全气囊。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明实施方式做进一步的说明；
一种盾构TBM滚刀磨蚀性预测方法，具体步骤如下(滚刀TBM磨蚀性预测实验方法流程图如图1所示)：
1)滚刀样品制作
将不同供应商提供的依现场设计的滚刀，以现场使用的滚刀刀圈的尺寸为基准，缩小10倍作为滚刀样品的刀圈尺寸，滚刀样品的其他尺寸以刀圈尺寸为基准，进行设计，实验用滚刀样品的示意图；如图2所示，(图2中，1.刀轴；2.平键；3.刀圈；4.垫圈；5.锁紧螺母；)
每类滚刀设计6件样品；
2)岩样制作
现场物理勘探完成后，搜集钻探岩心，采用块状岩样和岩渣制作岩样试验台；铺设的块状岩样为施工现场所用的岩样，经切割后，用试验台的固定卡具将块状岩样与岩箱固定(块状岩样主要用于模拟滚刀直接破岩，块状岩样尺寸为320mm*70mm*70mm，每类30块)；岩渣装在岩渣盒内，岩渣的密实度与施工现场刀盘舱内岩渣的密实度一致(在滚刀破岩试验中，使用滚刀样品对岩样进行破岩时，破岩后的岩渣装入岩渣盒，并根据类似施工经验，通过安全气囊9调整岩渣的密实度；)
3)滚刀破岩试验
滚刀样品进行破岩试验之前，采用精度为1mg的电子天平称量滚刀样品的质量，测量5次，取平均值G0；破岩实验前，采用精度为0.1g的电子天平称量块状岩样的质量GY1，破岩前块状岩样体积为VY1＝GY1/ρ；
滚刀破岩过程及二次磨损示意图，如图3所示，(图中，6.岩渣盒；7.滚刀；8.岩样；9.安全气囊。)，具体破岩过程为：将滚刀和岩渣盒固定在一起，通过驱动电机进行滚刀破岩(该实验在密闭的环境内进行，滚刀在驱动电机的作用下，进行破岩，对块状岩样产生的压力为现场刀盘舱内单把刀正压力的1/100)；滚刀和岩渣盒上下移动，块状岩样和岩箱在推进油缸的作用下水平移动；(当岩样与滚刀接触后，滚刀上下移动形成滚动破岩，岩样水平移动形成刀具破岩灌入度；如此，刀具上下反复移动，实现滚刀破岩。)滚刀上下移动300次，单次行程300mm。
滚刀样品破岩后，采用精度为1mg的电子天平称量滚刀样品的质量，测量5次，取平均值G’；破岩后，采用精度为0.1g的电子天平称量块状岩样的质量GY2，破岩前块状岩样体积为VY2＝GY2/ρ；
G0与G‘的差值即为滚刀样品磨损质量G1，即G1＝G0-G’；
VY1-VY2的差值即为该滚刀样品的破岩量V1，即V1＝VY1-VY2；
4)滚刀磨蚀性预测分析
实际应用中，滚刀的设计允许磨损质量为G2＝4.84Kg(1把17寸滚刀的设计允许磨损质量)，按照如下公式：
G1/G2＝V1/V2 (1)
式中，V2——一把滚刀正常磨损后的破岩方量；
由此，可估算出盾构TBM对同类岩石进行破岩时，一盘滚刀的破岩方量。
进一步，步骤1)中，所述的滚刀样品制作，是指滚刀样品的刀圈尺寸，依现场使用的滚刀刀圈的尺寸进行10：1等比缩放；滚刀样品的其他尺寸以刀圈尺寸为基准，进行设计。
采用同样的预测方法，测量不同厂家的滚刀在该类岩石情况下的破岩方量，具体结果如表1所示，
表1同类岩样，3个厂家的滚刀磨蚀性预测值
刀具厂家 滚刀样品磨损质量G1(mg) 破岩方量(cm3) 预测破岩方量(m3)
厂家1 10 103.3 50.0
厂家2 14.2 127.9 43.6
厂家3 9.1 125.9 67.0
由表1可知，针对该类岩样，厂家3的滚刀更适合现场使用，经过初步预测，平均每把滚刀正常磨损后，破岩量为67立方米。
由此可知，对不同厂家滚刀破岩方量进行对比，即可确定哪家的滚刀更适合该段地层施工，同时，该滚刀磨蚀性预测方法可以预测该段地层此类滚刀的使用量，并根据滚刀破岩方量结合地质情况，适时进行滚刀检修、更换位置。

Claims (4)

1. 一种盾构TBM滚刀磨蚀性预测方法，其特征在于，具体步骤如下：
1）滚刀样品制作
滚刀样品按照现场计划使用的滚刀进行等比例缩放；
2）岩样制作
采用块状岩样和岩渣制作岩样试验台；铺设的块状岩样为施工现场所用的岩样，经切割后，用试验台的固定卡具将块状岩样与岩箱固定；岩渣装在岩渣盒内，岩渣的密实度与施工现场刀盘舱内岩渣的密实度一致；
3）滚刀破岩试验
滚刀样品进行破岩试验之前，采用精度为1 mg的电子天平称量滚刀样品的质量，测量5次，取平均值G0；破岩实验前，采用精度为0.1 g的电子天平称量块状岩样的质量GY1，破岩前块状岩样体积为VY1=GY1/ρ；
滚刀破岩过程为：将滚刀和岩渣盒固定在一起，通过驱动电机进行滚刀破岩；滚刀和岩渣盒上下移动，块状岩样和岩箱在推进油缸的作用下水平移动；
滚刀样品破岩后，采用精度为1 mg的电子天平称量滚刀样品的质量，测量5次，取平均值G’；破岩后，采用精度为0.1 g的电子天平称量块状岩样的质量GY2，破岩前块状岩样体积为VY2=GY2/ρ；
G0与G‘的差值即为滚刀样品磨损质量G1，即G1=G0-G’；
VY1-VY2的差值即为该滚刀样品的破岩量V1，即V1= VY1-VY2；
4）滚刀磨蚀性预测分析
实际应用中，滚刀的设计允许磨损质量为G2，按照如下公式：
G1/G2=V1/V2 （1）
式中，V2一把滚刀正常磨损后的破岩方量；
由此，可估算出盾构TBM对同类岩石进行破岩时，一盘滚刀的破岩方量。
2.根据权利要求1所述的一种盾构TBM滚刀磨蚀性预测方法，步骤1）中，所述的滚刀样品制作，是指滚刀样品的刀圈尺寸，依现场使用的滚刀刀圈的尺寸进行10：1等比缩放；滚刀样品的其他尺寸以刀圈尺寸为基准，进行设计。
3.根据权利要求1所述的一种盾构TBM滚刀磨蚀性预测方法，步骤（1）中，试验台上铺设的块状岩样尺寸为320 mm *70 mm *70 mm。
4.根据权利要求1所述的一种盾构TBM滚刀磨蚀性预测方法，步骤3）中，所述的滚刀破岩过程，滚刀上下移动300次，单次行程300mm。
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