[00116634]高磨蚀深埋地层刀具磨损研究

1 课题来源与背景 课题来源于中铁隧道局科技创新计划。盘形滚刀作为全断面岩石掘进机（TBM）的核心破岩工具,滚刀磨损已成为TBM施工过程中不可避免的施工关键问题之一。工程实践表明,高强度硬岩TBM刀具的检查、更换与维修等作业的时间约占掘进施工总时间的三分之一,而刀具的费用约占掘进施工费用的三分之一,因此刀具的磨损预测已成为TBM施工的一大难题。因此,开展盾构及TBM岩机作用磨蚀机理研究,并提出高磨蚀地层刀具磨损预测模型,实现对TBM隧道滚刀磨损预测、刀具设计、工期成本预测等提供相关技术数据具有重要意义。 2 技术原理及性能指标 （1）通过滚刀磨损形式和磨损机理分析研究,提出了滚刀磨损敏感指标体系,建立了基于岩石磨损性与滚刀材料磨损速率的滚刀磨损预测模型,形成了一种基于实验方法的滚刀磨损预测新理论。 （2）通过岩石特性实验、室内岩石磨蚀性能实验、滚刀材料磨损实验及现场工程试验数据分析,建立了室内滚刀材料磨损速率与现场滚刀磨损量的定量关系,形成了可指导现场施工的刀具定量磨损预测方法。 （3）研制了一种滚刀磨损预测实验平台,通过轴向载荷、位移伺服精准控制,实现了滚刀材料磨损量的快速精准实验测量。 3 技术的创造性与先进性 项目方从地层赋存条件研究入手,针对高磨蚀性地层,开展高磨蚀地层岩机作用机理研究;研制了国内首台室内滚刀磨损小尺寸实验平台,通过理论研究与试验验证相结合,建立了室内滚刀材料磨损速率与现场滚刀磨损量的定量关系,创新了一套滚刀磨损预测实验方法,建立了一种滚刀磨损预测模型。成果技术创新性为原理性创新;该成果申请并授权发明专利4件,实用新型专利2件,发表论文10篇（包括外文会议论文1篇）;科技成果实现了滚刀磨损量的快速精准实验测量,完善了滚刀磨损与岩石磨蚀的实验方法,形成了可指导现场施工的刀具定量磨损预测方法,为滚刀磨损预测,刀具更换时机及其成本预测等提供技术支撑。成果技术先进性为全面领先行业水平。 4 技术的成熟程度、适用范围和安全性 该科技成果综合技术水平为国际领先技术水平,针对复合地层深埋条件下刀具,能够快速获取磨损参考数据,建立精准预测模型,适应性经验证无风险和局限;该科技成果在多个项目中进行了应用验证,有效提高了刀具选用及更换效率,降低了施工成本,实施效果与应用潜力巨大。 5 应用情况及存在的问题 研究成果具有创新性、先进性和实用性,已在已在中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司、中铁隧道股份有限公司、中信重工机械股份有限公司等单位推广应用。中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司应用滚刀磨损实验平台及磨损预测模型,提高了刀具更换效率,降低了刀具使用成本。中铁隧道股份有限公司应用滚刀磨损预测实验方法及刀具使用管理技术,先后对辽西北供水、引红济石、引汉济渭、引松供水等工程TBM刀具消耗进行了准确预测,对国内外11个厂家的滚刀的耐磨性和稳定性进行了评价,优选出了性能不低于国外刀具的国产刀具。中信重工机械股份有限公司应用滚刀磨损实验方法及滚刀磨损预测技术开展了新型滚刀的研制,节约了滚刀研制的成本。 但是,该科技成果在使用过程中也存在一些可以解决的问题。具体为,由于我国幅员广阔,各地工程地质条件差异较大,对盾构TBM刀具适应性不尽相同,需要利用滚刀磨损实验平台继续深入研究滚刀磨损机理。