Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей

Рис. 6-15. Схематичное изображение механизма разрушения породы червячными фрезами: a) поперечный разрез при действии одного резца; b) продольный разрез при действии одного резца; c) продольный разрез при действии двух резцов

(3)Типичная форма выхода из строя

Учитывая специфическую конструкцию, механизм действия и геологические условия применения вращающихся фрез, существуют следующие типичные формы выхода из строя и поломки:

1. Нормальный абразивный износ

Нормальным износом червячных фрез считается превышение установленного значения ширины острия. Для определения такого абразивного износа требуется применение измерительных приборов. Нормальный износ является основной причиной утраты эффективности фрезы.

2. Облом кромки

В ходе проходки порода может меняться на более жесткую, и некоторые детали резцовой головки могут оборваться или застрять между породой и резцом. Это может привести к перегрузке и концентрации напряжения на кромке и последующему скалыванию. Кроме того, недостаточное сцепление кромки с телом резца также может привести к разлому (рис. 6-16а).

3. Клинообразный износ кромки

Основной причиной клинообразного износа кромки являются геологические факторы или повреждение подшипника (рис. 6-16b).

Когда поверхность забоя представлена в виде пород с меньшим сопротивлением, таких как пластичная глина, гравий и выветренная порода, вращающиеся фрезы не получают достаточного крутящего момента (силы трения). Кроме того, из-за повышенной вязкости пластиной глины происходит засор червячных фрез и отверстий, на поверхности резцовой головки образуется глинистая корка. В таком случае червячная фреза не может проворачиваться надлежащим образом, что приводит к клинообразному износу.

При повреждении подшипника червячная фреза также не может вращаться по поверхности забоя, что приводит к одностороннему износу.

В случае, когда в верхней части поверхности забоя находится мягкий пласт, а в нижней – жесткий, дисковые червячные фрезы, повернувшиеся за резцовой головкой до верхней части, не получают достаточного крутящего момента из-за более мягкого качества выветренной породы. Кроме того, образуется глинистая корка. В таком случае червячная фреза не может проворачиваться надлежащим образом. Однако когда червячная фрезы опускаются в нижнюю часть забоя, где сопротивление породы выше, вращение червячной фрезы налаживается. Таким образом, при работе со смешанной породой происходит частичное нарушение вращения дисковых червячных фрез, что приводит к многостороннему клинообразному износу.

Несвоевременное выявление износа червячной фрезы ускоряет ее износ, приводит к перегрузке и потере эффективности смежных червячных фрез, что может повлиять на все резцы на резцовой головке.

4. Течь масла резцов

Течь масла из червячной фрезы возникает при нарушении герметизации. Основными причинами являются повреждение подшипника, перегрузка резцов, отказ от герметизации и т. д.

Повреждение подшипника (рис. 16-6с) может быть вызвано слабым креплением подшипника (или слишком тугим), смещением внутреннего кольца или снижением несущей способности и другими неисправностями, вызванными предельным сроком службы или несоответствующей сборкой червячной фрезы (недостаточная сила затяжки резца, превышение размера манжеты, недостаточное натяжение подшипника).

Рис. 6-16. Виды повреждений резца: a) обломки кромки; b) неровный износ кромки; c) повреждение подшипника; d) осыпание фрезы

5. Выкрашивание кромки

Отслаивание куска от поверхности кромки фрезы без разлома всей фрезы называется «выкрашивание кромки» и классифицируется как <поломка кромки> (рис. 6-16d). Выкрашивание кромки происходит из-за образования усталостных трещин на поверхности кромки, постепенное расширение которых приводит к микроразрывам и отслаиванию. Незначительные обломки не влияют на работу резца.

6. Разрыв или выпадение стопорного кольца

Упорное кольцо используется для предотвращения параллельного смещения кромки вдоль оси. Его разрыв или выкрашивание приводит к сдвигу кромки.

2) Резак

(1) Механизм резания резка

При вращении резцовой головки и продвижении проходческого щита вдоль туннеля резки оказывают сдвигающее усилие на поверхность забоя вдоль туннеля и силу резания по направлению вращения резцовой головки. Острие и головка резца погружается в породу и срезает ее. В зависимости от породы забоя и механических характеристик резков, а также их конструктивных параметров и параметров резки отделяемый пласта разделяют на четыре вида: текучий, разрываемый, скалываемый и срезаемый. Действие резков и грунтовой массы соответствует теории Ренкина о давлении грунта. Грунтовая масса перед резком испытывает пассивное давление грунта. На основании теории Ренкина и модели сопротивления почвообрабатывающих резцов McKyes и Али рассчитано влияние силы трения и вертикальной тяги при резании резками проходческого щита. Создана трехмерная прогностическая модель прямого срезания грунта резками. Неэффективные зоны грунтовой массы (центральная и две зоны в виде полумесяца на боковой части) (рис. 6-17).

Рис. 6-17. Схема механизма резания грунта резками: a) неэффективные зоны; b) действие силы в центральной неэффективной зоне; c) действие силы в боковой неэффективной зоне; d) действие силы при резке

(2) Механизм сгребания грунта резками

Передний и задний углы резка скошены для срезания твердых пород и сгребания мягкой почвы (рис.6-18). Как показано на рис. 6-19, при проходке грунт со шлаком движется вдоль пунктирной линии и не попадает на нижнюю часть резка, что позволяет избежать порчи резка при проходке твердых пород. Чем дальше расположен резец от центра резцовой головки, тем выше линейная скорость и медленнее траектория движения грунта со шлаком. Таким образом можно увеличить расстояние между двумя резками.

Рис. 6-18. Формы резков

Рис. 6-19. Схема защиты резка при проходке в твердых породах

(3) Типичная форма выхода из строя К распространенным причинам выхода из строя резков относятся: поломка лезвия, отслоение твердосплавного лезвия, разрыв болтов (отверстий), износ лезвия и выкрашивание резца (рис. 6-20).

Рис. 6-20. Поломки резцов: a) износ острия; b) выкрашивание резца

3) Механизм разрушения породы стержневыми резцами

Тяжелые стержневые резцы в основном используют в галечной породе. Принцип действия заключается в «ударном» дробящем действии на гравийные, галечные и валунные породы импульсной силой, образованной скоростным вращением стержневых резцов с резцовой головкой. Стержневые резцы разрезают грунт на куски, что обеспечивает условия для работы резков. Кроме того, они увеличивают подвижность породы, значительно снижают крутящий момент для резков, повышают их эффективность и сокращают износ. Стержневые резцы обладают высокой эффективностью при работе в пластах рыхлых пород, особенно в галечном и валунном пласте. При работе в валунном пласте прочность стержневых резцов должна выдерживать ударную нагрузку, создаваемую при дроблении валунов, для избежания повреждения резцов. На рис. 6-21 показан тяжелый стержневой резец, используемый для валунного пласта.

Рис. 6-21. Тяжелый стержневой резец

В связи с тем, что в галечных пластах отсутствует связующая сила, величины крутящего момента на червячные фрезы и поддерживающей силы для дробления ими породы недостаточно. Поэтому червячные фрезы не используют для такого грунта. При низкой скорости вращения резцовой головки или недостаточном крутящем моменте стержневые резцы в галечных породах могут только играть роль рыхлителя, неспособного эффективно дробить гальку.

Стержневые резцы дробят породу ударной силой. В месте их действия образуются три зоны: зона разрушения, зона разрыва и зона без повреждений (рис. 6-22).

(1) Зона разрушения

При вращении стержневых резцов вместе с резцовой головкой они воздействуют на породу сильными ударами. В месте контакта стержневых резцов с породой возникает большая ударная сила. Когда величина этой силы достигает или превышает величину силы сопротивления породы, в толще породы происходят разрывы, и она разрушается.

(2) Зона разрыва

Зона разрыва также называется зоной повреждения. Когда величина ударной силы стержневых резцов меньше силы сопротивления породы, в породе возникает множество повреждений. Под ударной силой появляются и расширяются трещины. При достижении определенных размеров они соединяются, и происходит раскол породы.

(3) Зона без повреждений

При ударной силе стержневых резцов меньше усталостной прочности породы сила их воздействия не вызывает появления трещин, и порода не повреждается. Ударная сила рассеивается и оказывает только шлифующее действие на данный участок. Соседние два стержневых резца, вращаясь вместе с резцовой головкой, способствуют образованию трещин рядом с зоной разрушения, их расширению и последующему расколу (рис. 6-23). Сумма величин крутящего момента (Ttot), передаваемого на резцовую головку при щитовой проходке, описывается следующей формулой:

(6-1),

где: T1 – крутящий момент, необходимый для преодоления трения вращения резцовой головки; Т 2 – крутящий момент, необходимый для преодоления силы резания резцовой головки; T 3 – крутящий момент, необходимый для преодоления силы инерции вращающихся частей.

Рис. 6-22. Схема изорванной формы

Рис. 6-23 Диаграмма взрывания каменных пород гребня

Если предположить, что эрратические валуны в пласте вызывают резкое увеличение сопротивления резания Ft, импульс на инструменте (I = RiFtdt) создается угловым моментом всех вращающихся частей M = Jω. Где: Ri – установочный радиус сопротивления резания, J – момент инерции вращающейся части, ω – угловая скорость вращающейся массы, тогда:

(6-2),

Правую часть уравнения можно получить отдельно от момента количества движения каждой вращающейся части:

(6-3),

где: JC – момент инерции резцовой головки;

J M – момент инерции коренного подшипника;

J G – момент инерции редуктора;

J E – момент инерции ротора электродвигателя;

N – количество приводов;

r 1 – передаточное отношение большого зубчатого венца;

r 2 – передаточное число редуктора;

ω С – угловая скорость резцовой головки.

Отсюда видно, что увеличение скорости вращения режущего диска может увеличить угловую скорость режущего диска, что способствует увеличению углового момента угловой кромки и дробления горной породы. Кроме того, если используется гидравлический привод, момент импульса двигателя не существует, и соответствующий момент импульса должен быть уменьшен. Таким образом, использование электрического привода более способствует дроблению горной породы с помощью ножа.

6.1.3. Функция резцовой головки

В качестве примера возьмем резцовую головку спицевого типа, как показано на рис. 6-24. Система резцовой головки включает в себя инструменты (такие как червячные фрезы, резак, дуговые скребки, копировальный резак и т. д.) и основную конструкцию резцовой головки. Среди них основной корпус резцовой головки снабжен характерными конструкциями, такими как пористое отверстие, открывающаяся канавка, периферийное отверстие, износостойкая полоса и стержень для перемешивания. Система резцовой головки вместе выполняет следующие три основные функции:

(1) Функция выемки грунта: когда резцовая головка вращается, фреза разрезает грунтовую массу на поверхности туннеля, так что вынутый грунт со шлаком попадает в почвенную камеру через отверстие резцовой головки.

(2) Функция стабилизации: поддержка и стабилизация поверхности.

(3) Функция перемешивания:

1. Для выравнивания давления на грунт при щитовой проходке резцовая головка перемешивает почву со шлаком в резервуаре для грунта, чтобы он имел определенную степень пластичности, а затем выгружает его через винтовой конвейер.

2. Для защитной конструкции из грязевой воды срезанная почва со шлаком полностью смешивается с бентонитовой почва со шлаком путем вращения и перемешивания круга ножа, оптимизации регулирования давления грязевой воды и улучшения однородности грязи, а извлеченная почва со шлаком перекачивается в жидком виде на станцию разделения грязевой воды, расположенную на земле, через выпускную трубу для грязи.

Рис. 6-24. Конструкция резцовой головки с защитным экраном

6.1.4. Тип и конструкция резцовой головки

1) Разделение по структуре

(1) Панельная резцовая головка

Панельная резцовая головка, показанная на рис. 6-25, проста в установке червячных фрез, поэтому подходит для рытья туннелей, содержащих пласты породы. Опора резцовой головки разделяет почвенный бункер на две части. Преимущества и недостатки:

1. Во время проходки экранированных туннелей возникает перепад давления между давлением грунта в резервуаре для грунта и давлением грунта на поверхности выемки, а величину перепада давления определить нелегко из-за влияния раскрытия панели, что делает затруднительным контроль давления грунта на поверхность выемки.

2. Из-за влияния скорости открывания панели почва со шлаком не плавно поступает в отсек для грунта, легко склеивается и засоряет, нагрузка на инструмент велика, а срок службы короткий. Особенно при строительных работах со слоями глины, хотя почва за пределами центральной области резцовой головкитечет плавно, поток почвы в центральной области плохой, и она легко накапливается в течение длительного времени, образуя глинистую корку.

3. Размер гальки, попадающей в резервуар для почвы, можно ограничить, задав размер отверстия резцовой головки.

(2) Резцовая головка со спицами

Резцовая головка со спицами, показанная на рис. 6-26, подходит для работы с песком, гравием и мелкозернистыми песчаными и галечными образованиями. Преимущества и недостатки:

Рис. 6-25. Панельная резцовая головка

Рис. 6-26. Резцовая головка со спицами

1. Имеется всего несколько спиц с большим коэффициентом раскрытия от 70% до 75%, а за спицами находится стержень для перемешивания, обеспечивающий плавное поступление почвы и песка и помогающий предотвратить прилипание глины, которая склеивается и блокирует.

2. Поскольку блокировка панелей отсутствует, почва со шлаком напрямую попадает в резервуар для грунта с поверхности выемки, также отсутствует ослабление давления грунта, то есть давление грунта на поверхность выемки равно измеренному давлению грунта, поэтому можно эффективно держать под контролем оседание поверхности земли.

3. Нагрузка на резец небольшая, а срок службы большой.

4. Червячная фреза легко устанавливается (рис. 6-27), и ее можно использовать для проходки туннелей в выветриваемых породах, пластах с неравномерной твердостью или пластах из твердых пород.

5. Червячная фреза, как правило, рассчитана на взаимозаменяемость с рожковым резком для снятия фаски. Таким образом, червячная фреза в соответствии с геологическими потребностями может быть заменена рожковым резком для снятия фаски. Она более приспособлена к одному мягкому слою почвы, например, к песку и почве, чем панельная резцовая головка.

6. Установки на съемную панель спицы достаточно, для того чтобы превратить в панельная резцовая головка.

7. Режущий нож расположен послойно, что позволяет укрепить сплав режущего ножа, чтобы повысить его износостойкость и ударопрочность.

8. Износ резца резцовой головки велик, и улучшить качество почвы со шлаком сложнее.

В отличие от этого резцовая головка спицевого типа более приспособлена к одному слою мягкой почвы, такой как песок и почва, чем резцовая головка панельного типа. Поэтому для защиты от шлама обычно используется панельная резцовая головка. Щит грунтопригруза на землю может иметь панельный или спицевый тип в зависимости от различных почвенных условий.

(3) Комбинированная резцовая головка

Преимущества и недостатки комбинированной резцовой головки

1. Пласт мягкого грунта легко образует глинистую корку и блокирует кабину во время строительных работ. Поэтому рекомендуется использовать небольшую панель и резцовую головку со спицами (рис. 6-28), а также центральную опорную конструкцию колонны, чтобы уменьшить образование глиняной корки в центре.

Рис. 6-27. Резцовая головка со спицами и червячной фрезой

Рис. 6-28. Резцовая головка со спицами для малых панелей

2. Галечные образования легко изнашивают резцовую головку, особенно нелегко сломать гальку большого диаметра, поэтому целесообразно использовать комбинированную резцовую головку со спицами (рис. 6-29) и «дренажную комбинацию» с червячной фрезой для разрушения крупной гальки.

3. При строительстве в горных породах резцовой головки должен иметь высокую способность к разрушению горных пород, и следует использовать панельную комбинированную резцовую головку (рис. 6-30).

Рис. 6-29. Комбинированная резцовая головка со спицами

Рис. 6-30. Панельная комбинированная резцовая головка

2) Разделение по методу опоры резцовой головки (1) Метод поддержки центра Режущая головка с центральной опорой, показанная на рис. 6-31a, обычно используется для прямой щитовой проходки малого и среднего размера. Когда резцовая головка этого типа вращается, чтобы разрезать почву, почва в резервуаре для почвы имеет большое пространство для потока и большой диапазон прямого перемешивания, почва течет плавно, почва имеет хороший эффект перемешивания и возможность адгезии глины небольшое, а значит вероятность засорения невелика. Давление на забое при выемке грунта относительно стабильно, поэтому эффект туннелирования экрана лучше, а его характеристики по контролю оседания грунта улучшаются. Однако из-за небольшого пространства внутри машины трудно работать с крупными камнями и галькой.

Метод промежуточной поддержки, показанный на рис. 6-31b, имеет относительно сбалансированную конструкцию резцовой головки и в основном используется для щитовой проходки среднего и большого диаметра. При использовании щитов малого диаметра следует серьезно подумать о предотвращении налипания глиняных корок к центру. Благодаря наличию промежуточной поддержки защитный резервуар для грунта разделен на две части, при этом центральная часть занимает в резервуаре для грунта значительное пространство. Когда резцовая головка вращается и режет почву, почва за пределами центральной области течет плавно и легко перемешивается; поток почвы в центральной области слабый. Когда разрезаемый грунт относительно вязкий и накапливается в центральной области в течение длительного времени, он постепенно увеличивается и в конечном итоге образует глиняную корку, которая полностью теряет свою текучесть. Текучесть почвы во внутренней и внешней областях весьма различна, и трудно обеспечить эффект перемешивания почвы. Когда резцовая головка использует щит с промежуточной опорой для строительных работ в связном грунте (включая мелкодисперсный песок), если обработка не является хорошей, не всегда легко удовлетворить требованиям режущего эффекта перемешивания почвы в почвенной камере, и глинистые корки могут образовываться из-за прилипания и забивания, что приводит к плохой выемке грунта, повышенному сопротивлению и нестабильному контролю давления на поверхность выемки. Следовательно, эффект туннельной проходки подвергается влиянию, и это неблагоприятно для контроля проседания поверхности земли.