Принцип замены резцов для ТПМК

1. Высокотемпературные резцы

В процессе проходки тоннелепроходческим механизированным комплексом (ТПМК) дисковый резец выделяет фрикционное тепло из-за трения о породу. Это вызывает повышение его внутренней температуры, что приводит к температурным градиентам и неравномерному тепловому расширению. Непрерывное давление качения резца на породу создаёт знакопеременные внутренние термические напряжения и деформации. Это с высокой вероятностью приводит к усталостному повреждению резца, вызывая разрушение режущего кольца. В то же время микротрещины, образующиеся в поверхностном слое режущего кольца под действием знакопеременных термических напряжений и деформаций, также ускоряют износ режущего кольца. Кроме того, по мере повышения температуры значительно снижаются характеристики внутренних компонентов, таких как подшипники и уплотнения. Это вызывает снижение вязкости смазочного масла, что может привести к отказу смазки, снижению несущей способности резца и сокращению срока его службы. Термостойкость высокотемпературных резцов в первую очередь зависит от высокотемпературных возможностей внутренних плавающих уплотнений и смазочных сред внутри резца.

2. Резцы, устойчивые к высокому давлению воды

В связи с масштабным освоением подземного пространства в последние годы объемы работ по проходке тоннелей щитовым методом постепенно увеличиваются, особенно это касается подводных тоннелей через реки и морские заливы. В настоящее время при проходке тоннелей щитовым методом в условиях больших глубин и высокого давления воды, таких как тоннель Шицзыян, тоннель через реку Янцзы на улице Саньян в Ухане, тоннель через залив Шаньтоу и тоннель Мавань, максимальное давление воды превышает 10 бар. Допустимый перепад давления для обычных дисковых шарошек составляет 3 бара. При работе в условиях высокого давления воды необходимо использовать шарошки, устойчивые к высокому давлению. Основное требование к шарошкам, пригодным для эксплуатации в условиях высокого давления воды, — высокая стабильность герметизации шарошки при внешнем высоком давлении для обеспечения нормальной работы. Ключевая задача — прорыв в технологии герметизации дисковых шарошек в условиях высокого давления воды.

2.1 Принцип работы дисковых резцов для высокого давления воды

В центре вала резца создается полость, которая сообщается с внутренней частью дискового резца. Одновременно внутри полости устанавливается подвижный поршень. Когда дисковый резец работает в условиях высокого давления воды, внутреннее давление резца изменяется путем регулирования объема внутреннего воздуха. Это обеспечивает динамическое равновесие с давлением окружающей среды забоя, гарантируя стабильность вращения резца при работе. Согласно PVT-свойствам (давление-объем-температура) газов, путем регулирования внутреннего объема резца достигается требуемое внутреннее давление дискового резца. Это гарантирует, что перепад давления между внутренней и внешней сторонами резца не превышает предела перепада давления, который выдерживает уплотнение. При установке дискового резца данного типа обычно требуется, чтобы внутренняя полость резца была полностью заполнена смазочным маслом.

2.2 Типы дисковых резцов для высокого давления воды

Высоконапорные дисковые шарошки в основном бывают двух типов: с подвижным поршнем и с надувной камерой. Тип с подвижным поршнем позволяет достичь максимального внутреннего давления 6 бар. В сочетании со способностью плавающего уплотнения выдерживать безопасный перепад давления 3 бар, этот тип высоконапорной дискововой шарошки может соответствовать требованиям окружающей среды для условий проходки до 9 бар.

2.3 Chamber Opening under Pressure Technology in High Water Pressure-Highly Permeable Strata

В щитовых тоннелях, пересекающих реки и моря, при остановке щитового проходческого комплекса он часто находится в сложных грунтах с высоким давлением воды (>0,5 МПа) и высокой проницаемостью (коэффициент проницаемости >10⁻² см/с). Такие грунты не обладают условиями для выполнения работ по вскрытию камеры при атмосферном давлении. Поэтому невозможно избежать работ по вмешательству внутри камеры под давлением. Замена резцов под давлением сопряжена с высокими рисками, медленным прогрессом и создаёт значительную угрозу для здоровья персонала. Работы по вмешательству в камеру под давлением можно разделить на два типа: обычные работы с сжатым воздухом и работы методом насыщенного погружения под давлением. Первый подходит для условий с небольшой глубиной, относительно низким давлением и короткой продолжительностью работ. Второй подходит для условий с большой глубиной, высоким давлением воздуха и длительной продолжительностью работ.

2.3.1 Conventional Compressed Air Chamber Interventions under Pressure

Нанкинский тоннель через реку Янцзы является типичным ранним проектом в Китае, в котором применялась технология вскрытия кессонной камеры и замены резцов под давлением с использованием обычного сжатого воздуха. Когда щит достиг глубины 53,25 м под руслом реки, произошёл сильный износ ножевого диска и резцов, что сделало дальнейшую проходку невозможной. Для обеспечения газонепроницаемости пласта при работах со сжатым воздухом в проекте сначала обеспечили проникновение большого количества чистого бентонитового раствора низкой плотности и низкой вязкости в забой. Затем раствор внутри камеры давления был заменён смешанным раствором бентонита и глины для образования плотной газонепроницаемой глинистой корки. После образования глинистой корки уровень раствора был понижен на 3 м и заменён сжатым воздухом. Перед заменой резцов операторы входили в шлюзовую камеру для прохождения процесса повышения давления, после чего выполняли работы по замене резцов внутри растворной камеры. Эффективное время работы за одну смену составляло от 45 до 60 минут, а производительность труда — примерно 50%.

Кроме того, профилактика и лечение декомпрессионной болезни (баротравмы/кессонной болезни) у операторов в условиях повышенного давления является ещё одной ключевой проблемой данной технологии. Поскольку замена ножей через открытие камеры под давлением требует, чтобы операторы проходили процесс повышения давления (обычно 10–20 мин) при каждой задаче, они также должны проходить процесс декомпрессии (обычно 2–3 ч) внутри шлюза для персонала перед выходом после завершения осмотра и замены ножевой головки и ножей. Частое прохождение процессов повышения и понижения давления легко приводит к возникновению симптомов декомпрессии у операторов. Поэтому обычная технология открытия камеры с сжатым воздухом и замены ножей не вполне подходит для операций по замене ножей с большим объёмом работ.

2.3.2 Saturation Diving Chamber Interventions under Pressure

Замена резцов методом насыщенного погружения требует наличия на щитовой машине специального оборудования, такого как насыщенная гипербарическая жилая камера и шлюз для передачи персонала (шаттл). В период замены резцов операторам необходимо пройти только один процесс повышения давления. Они отдыхают и ожидают в гипербарической жилой камере и выполняют работы перед забоем резцовой головки. После завершения работ им также необходимо пройти только один процесс декомпрессии для возвращения к атмосферному давлению. Поэтому по сравнению с обычной заменой резцов с использованием сжатого воздуха замена резцов методом насыщенного погружения применима к пластам с более высоким давлением воды и грунта. В то же время отпадает необходимость в многократных повышениях и понижениях давления, что значительно повышает эффективность работы. При использовании насыщенного погружения для операций по замене резцов одна рабочая смена может длиться до 6-8 часов. Эффективность работы в 8-10 раз выше, чем при обычных операциях под давлением. Кроме того, насыщенная камера может вмещать персонал в течение примерно 3 недель, что эффективно снижает вероятность возникновения декомпрессионной болезни.