РЕЗЮМЕ:

Абразивный характер ледниковой геологии обычно приводит к резке тоннельной буровой машиной (ТБМ). потребности в проверке и замене инструментов, которые могут потребовать гипербарических вмешательств и являются фактором стоимости и риска.
Корреляционный анализ инженерно-геологических условий, параметров работы ТПМ и измерений износа инструмента проверенный способ получить представление о поведении системы износа. В этой статье представлены результаты различных исследований ТБМ. едет в Сиэтле и Ванкувере, Британская Колумбия мегаполиса на производительность дисковых фрез и рыхлителей орудия в ледниковых и межледниковых отложениях. Авторы дают рекомендации по конфигурации режущей головки, стратегии управления инструментами и использование технологии мониторинга.

ПРЕДМЕТ ВВЕДЕНИЕ

Износ инструмента ТБМ представляет собой сложное поведение системы. взаимодействующие компоненты системы включают недра характеристики (гранулометрический состав, крупные компоненты, относительная плотность, минералогия, угловатость зерен и т. д.), характеристики инструмента (тип инструмента, инструментальные материалы, конструкция режущей головки и т. д.), земляные работы
процесс (тип TBM с использованием шламового метода или метод баланса давления (EPB), последний с вариантами подходов к кондиционированию почвы), способ ТПМ эксплуатируется (скорость проходки инструмента, упор, режущая головка скорость вращения и т. д.) и условия окружающей среды (гидростатический напор, температура, соленость и др.). Термин «ледниковая геология» охватывает большое
разнообразные отложения, начиная от мелкозернистых озерных и морских отложений до крупнозернистых талых вод (замыв) отложений до контакта со льдом и до отложений с широким диапазоном размеров зерна, включая булыжники и валуны (рис. 1 и 2). Границы этих отложения обычно сильно изменчивы и прерывисты. Отложения, перекрытые ледниками, часто очень плотный или жесткий. В целом известно, что ледниковая геология быть высокоабразивным. Несколько геотехнических лабораторий существуют тесты с целью количественной оценки абразивности почвы (содержание кварца по данным рентгеновской дифракции, Миллер числовой тест на абразивность шлама, NTNU/SINTEF Испытание на истирание почвы (SAT™) и др.); Однако, все эти тесты охватывают лишь ограниченное количество почв характеристики, которые считаются причинными факторами Износ инструмента ТБМ. Хотя эти тесты ценны для предоставление контрактных базовых описаний достаточная основа для надежного прогнозирования износа инструмента. 

Рисунок. Раскопки, обнажающие ледниковые отложения в район Сиэтла

Еще один способ получить представление о системе поведение износа инструмента ТПМ представляет собой корреляционный анализ данные, предоставленные прошлыми проектами TBM. В столи чном районы Сиэтла и Ванкувера, Британская Колумбия над
за последнее десятилетие многочисленные приводы ТБМ с герметичным забоем завершены в ледниковой геологии (табл. 1). Эта база данных охватывает ТБМ EPB и Slurry, конструкции с широким диапазоном коэффициентов открывания, режущие головки с дисковыми ножами и рыхлителями инструменты в качестве основных режущих инструментов, а также полный спектр различных ледниковых и межледниковых отложений.
В этой статье анализируются наборы данных проектов, перечисленных в таблице 1 сопоставлены данные об износе инструмента, данные о грунте, конструкция режущей головки, выбор инструмента и работа с ТБМ. Корреляционный анализ направлен на получение информации в общеприменимые механизмы износа, независимые из которых конкретный проект обеспечил данные. Статья завершается некоторыми полезными рекомендациями. для будущего планирования проекта, дизайна и исполнение.

КОРРЕЛЯЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ЛЕДНИКОВЫХ ГЕОЛОГИЯ ПРОЕКТЫ ТБМ

График совокупного износа различных инструментов позиции на длине продвижения ТБМ - разброс графиков, отражающий различия в длина пути перемещения в зависимости от положения инструмента радиус на ножевой головке — уже видны изменения
в градиентах графиков (рис. 3). Выбранный примеры показывают, что изменения градиента

Рис. Керн глины, переуплотненной ледником. матрица с более грубыми компонентами с острыми краями

синхронный и что скорость износа инструмента линейная сечения, при их нормировании на траекторию перемещения инструмента длина, очень похожи. Это свидетельствует о том, что инструмент износ является устойчивым и непрерывным процессом, хотя при изменение скорости по длине продвижения ТБМ через различные типы почвы. В этом случае износ можно интерпретировать как вызванное изменчивостью почвы
характеристики абразивности, за счет изменения эксплуатационных характеристик ТБМ параметры или их комбинация. За нормирование износа инструмента W (мм) по пути перемещения длина L (мм) нормированный параметр износа NWP используется, который является безразмерным и определяется как NWP = (108 ? Вт)/л. Помещая его в контексте с конкретным потребление энергии ТБМ (т.е. произведение крутящий момент и вращение режущей головки по отношению к вынутой объем почвы), а также среднюю абразивность почвы типов грунта, вырытых между двумя инструментами места измерения износа обеспечивают слабую корреляцию (Рисунок 4). Эта корреляция, по-видимому, подтверждает применимость дескрипторов абразивности почвы, таких как как значения SAT™ для количественной оценки износа инструмента (Gwildis
и др., 2010). В этом конкретном примере проекта суспензия ТБМ с режущими головками с высоким коэффициентом раскрытия и в качестве основных режущих инструментов использовались дисковые фрезы. Во время двух проездов были встречены валуны.

Наблюдение фрагментов скалы в добыче казалось указывают на то, что дисковые резцы выкапывали валуны механизм дробления камней, пока они удерживались на месте очень плотной или твердой почвенной матрицей ледниковые переконсолидированные отложения. В одном случае Сообщается, что скалывание камней продолжалось до тех пор, пока направление вращения ножевого вала было изменено на оператор ТБМ и валун сместились, в этот момент вмешательство для ручного удаления оставшийся валун стал необходим. Результаты рисунков 3 и 4 не удалось воспроизвести. при проходке ТБМ через переуплотненные ледником межледниковые, а затем и ледниковые отложения, где

Рис. Расположение заменяемых инструментов ТБМ по положения режущей головки

ТБМ ЭПБ с режущей головкой, оснащенной рыхлителем Типовые инструменты в качестве основных режущих инструментов использовались. Применение той же методологии, что и раньше, не показывают гармоничный и непрерывный износ инструмента, который привело бы к симметричному рисунку износа над поверхностью ножевого вала (рассматривается смены инструмента) (рис. 5). И нет никаких соотношений тренды, наблюдаемые на диаграмме нормализованного износ выше средней удельной энергии режущей головки дескрипторы расхода и средней абразивности почвы (Рисунок 6) (Shinouda et al., 2011). Становится очевидным, что в этом случае применяется механизм износа и что абразивность почвы как количественно определяется указанными дескрипторами абразивности почвы ранее не является движущим фактором.

Сравнение интервалы смены инструмента и средний нормированный износ ставки с результатами отслеживания грубой составляющей осколков в навозной жиже ТБМ по каждому кольцу указывает на корреляция при сравнении с конкретными энергопотребления нет (рис. 7 и 8). Этот поиск в сочетании с несимметричным инструментом рисунок износа в области режущих кромок ножевого вала к ударным повреждениям, нанесенным орудиями-рыхлителями при встрече с крупными компонентами (валуны, булыжники) как доминирующий фактор в этом специфическом поведение системы износа.

В годы после публикации этих ранние результаты (Гвилдис и др., 2010, Шиноуда и др.,
2011) было установлено несколько дополнительных приводов ТБМ. завершены в аналогичных инженерно-геологических условиях, для какие соответствующие наборы данных были собраны для дальнейшего корреляционный анализ (табл. 1). Все эти проекты включать проходку тоннелей ниже уровня грунтовых вод которые были раскопаны в переуплотненных ледниками, ледниковые и межледниковые отложения. Во всех случаях геотехн. условия были описаны в контракте Геотехнический базовый отчет (GBR), в котором очень изменчивые геологические единицы в группы почв с схожие геотехнические характеристики и проходка туннелей поведение и использование таких терминов, как Tunnel Soil Group или Единица инженерного грунта. Хотя определяется на основе геотехническим критериям, эти группы грунтов тем не менее являются прямым отражением геологической среды на момент отложения. Озерный и морской отложения откладывались в низкоэнергетических средах в результате образуются в основном мелкозернистые почвенные материалы. Талые (заборные) залежи высокоскоростных реки обычно состоят из песка и гравия. В широкий диапазон размеров зерен, часто пылеватый и мелкопесчаный матрица с большим количеством более грубых компонентов которые распределены неравномерно и включают единичные или локально скопившиеся (вложенные) булыжники и валуны. В связи с геологическими процессами, связанными с ледниковыми продвигается и отступает, валуны имеют тенденцию накапливаться на границах тилловых единиц до вышележащих или базовые депозиты (до контактов). В следующих геотехнические условия вдоль проходки туннеля классифицируются с использованием упрощенной терминологии на кассовых контактов.

Проект тематического исследования 1 включает ТБМ EPB с инструменты рыхлительного типа в качестве основных режущих инструментов дополнены дисковыми фрезами в калибровочных положениях, а также скребки. Трасса тоннеля была вырыта в глине. и до. Существенные различия в скорости износа инструмента были зафиксированы при осмотре инструмента на уровне 80%, 93%, и 95% длины привода. График измерений износа на расстоянии перемещения инструмента указывает на низкое степени износа на первой контрольной остановке и значительно после этого увеличивается скорость износа (рис. 9). Заговор износ, нормированный на расстояние перемещения инструмента, как среднее значение NWP по длине привода обеспечивает более четкая картина этого износа (рис. 10). Визуализация длины продвижения через два грунта ед. по графику коэффициента распределения пахотной глины где «1» указывает на полное лицо кассы, а «0» указывает на полная поверхность глины обеспечивает геотехническую контексте и идентифицирует разделы привода через геологический контакт. Связь между износом инструмента темпов и разрезов геологического контакта не указывает на контакт в качестве основного вкладчика в значительный скорость износа увеличивается. Чаще всего это происходит в полном лицо до ближе к концу диска. Сообщается о потере функция кондиционирования почвы в этом разделе будет указывают на отсутствие связанных смягчающих эффектов (Hedayatzadeh et al., 2017) и, следовательно, должны рассматривается как потенциальный фактор. Проект тематического исследования 2 также включает EPB. ТБМ. Над рассматриваемым участком выравнивания тоннеля в этой статье режущая головка TBM была почти оснащен исключительно инструментами рыхлителя в качестве основного режущие инструменты, а также скребки. Туннель участок был раскопан сначала в основном в глине, а затем путем пересыпания слоев песка и тилла. Заговор удельное энергопотребление и крутящий момент режущей головки на длине прохода ТБМ видны зоны со значительным
снижение значений при переходе между участках глины и песка/вспашки и внутри последнего (Рисунок 11). Графики показывают колебания, но в целом постоянный удельный расход энергии при крутящий момент, колеблющийся синхронно, имеет восходящий наклон линия тренда. Измерения износа инструмента нормализованы для длины перемещения инструмента укажите, как правило, низкий инструмент скорость износа в глине и значительно увеличенный инструмент скорость износа при обработке песка/вспашки (рис. 12). Последнее шоу широкий диапазон вариаций, указывающий в дополнение к постоянный износ от абразивности почвы к другому износу механизмы как причинные факторы. Наличие кассы контакты на участках между контрольными остановками где самые высокие нормированные значения износа были определенные точки на повреждение от удара валуна как вероятное объяснение. Это объяснение также соответствует с наблюдением, что самая высокая нормализованная значения износа определялись в дистальных положениях инструмента (расположение на больших радиусах режущей головки от центр) на плоской торцевой поверхности ножевого вала, там, где скорость движения и сила удара высоки в сравнение с другими позициями инструмента. Проект тематического исследования 3 включает ТБМ EPB чья режущая головка была обработана с использованием различных инструментов конфигурации дисковых фрез и инструментов типа рыхлителя в качестве основных режущих инструментов в дополнение к скребкам. типы инструментов в отдельных позициях инструментов были изменены по мере продвижения ТБМ через смешанные забойные условия состоящий из переслаивающихся слоев тиля и песков а позже полное лицо песка. В начале движения применялись исключительно орудия рыхлительного типа; Однако, тип инструмента вскоре был изменен на дисковые фрезы, в то время как ТБМ продвигалась в забойных условиях с частыми до контактов и, как следствие, повышенная вероятность валунные встречи. Тип инструмента был изменен обратно к орудиям рыхлителя при продвижении ТБМ преимущественно по сплошному забою песков (переслоистой с илом и гравием) (рис. 13). Построение среднее значение всех измерений износа инструмента и наблюдений за каждую инспекционную остановку на протяжении всего пути — в случаях несимметричного износа инструмента максимальная степень потери материала на инструменте учитываются – показывает пески и пашни по сравнению с полнозабойными секциями в ледниковых песках. (Рисунок 14).

Более пристальный взгляд на дисковые фрезы показывает в большинстве случаев высоких значений измерения износа, которые износ несимметричный из-за плоскостопия повреждение режущего кольца или инструмента настолько значительно, что возможно плоскостопие на ранних стадиях повреждения уже не наблюдается. Построение дискового резака данные об износе по радиусу режущей кромки позиции инструмента показывает тенденцию к более высокому износу на внутренних позициях инструмента, тенденция, которая становится еще более выраженной если данные об износе нормированы для пути перемещения инструмента длина (рис. 15). Идентификация этих позиций инструментов где произошло повреждение инструмента или плоские пятна отражает картину распределения износа инструмента, т.к. показано в качестве примера для одной из контрольных остановок (Рисунок 16). Плоскостность дисковых фрез – явление где резак теряет свою функцию вращения что приводит к кольцу, а затем и ко всему инструмент, чтобы испытать материальные потери только на той стороне, которая соприкасается с забоем туннеля. В прошлом это явление было связано в основном с мелкозернистой  почвы и высокие силы сцепления (клейкость потенциал). Наблюдая это явление преимущественно зернистые почвы предполагают другие причинные факторы объяснить потерю функциональности инструмента. Наблюдаемое явление особенно интересно по сравнению с симметричным износом инструмента записано для описанной операции ТБМ с шламом ранее (рис. 3 и 4), где плоские пятна и записи повреждения инструмента были редкими событиями, несмотря на значительные разделы этого диска, включающие мелкозернистые ледниковые почвы. Дальнейшие исследования могут быть направлены на взаимодействие работы ТБМ ЭПБ, кондиционирования грунта, и производительность инструмента. Сбор производительности инструмента данных путем непрерывной регистрации данных, вероятно, дают ценную базу данных для этого исследования.

Рисунок. Пример размещения дисковой фрезы повреждение инструмента и плоские пятна на режущей головке

ОБЩИЕ ТЕНДЕНЦИИ

Проекты тематических исследований, представленные здесь, в целом подтверждают, что мелкозернистые ледниковые и межледниковые отложения вызывают значительно меньший износ инструмента по та же длина пути перемещения инструмента, что и у крупнозернистой независимо от удельной энергии, необходимой для копать эти типы почвы. Эта тенденция относится к навозной жиже ТБМ, а также ТБМ EPB, использующие дисковые фрезы или инструменты типа рыхлителя в качестве основных режущих инструментов. Эта общая тенденция согласуется с результатами процедуры лабораторных испытаний на абразивность почвы, такие как Число Миллера и SAT™, по крайней мере качественно. Если распределение износа инструмента по поверхности режущая головка симметрична, имеется увеличенный вероятность того, что некоторые корреляции между абразивностью почвы дескрипторы, эксплуатационные параметры ТБМ, и измерения износа инструмента, нормализованные для инструмента можно найти длину пути перемещения (рис. 4). Примеры для симметричного износа инструмента приведены на рис. 3, где шламовая ТБМ оборудована дисковыми фрезами раскопал различные типы ледниковых почв, в том числе валунные условия без значительных повреждения инструмента, а на Рисунке 17, где ТБМ EPB  оснащенный рыхлителями, прорыл туннель разрез через забойные условия, в которых преобладают флювиогляциальные пески и гравий. Где были усовершенствованы ТБМ EPB гляциальные почвы, включающие тиллевые и тиллевые контакты, последние часто представляет среду осадконакопления с повышенной вероятностью накопления валунов и булыжников, несимметричный износ инструмента наблюдались раздачи. Объяснение неправильного закономерности износа инструментов рыхлительного типа при ударе повреждения валунами и последующим ускоренным грунтом истирание кажется вероятным во многих случаях (рис. 5, 7, 8, 12). Там, где используются орудия рыхлителя, валуны встречающиеся в забое туннеля, разбиваются на более мелкие штук ударными силами. Возможно, применимость работы этого механизма ограничен размером валуна столкнулась лицом к лицу. Когда дисковые фрезы используется, валун может быть выкопан путем дробления камня аналогично применению дисковых фрез в твердых породах. Это требует, чтобы валун не был смещен с его почвенная матрица в процессе земляных работ. Ледниково переконсолидированные почвы, валуны, как правило, предполагается, что они встроены в почвенную матрицу достаточной сила, чтобы оказать сопротивление тому, чтобы быть легко смещен. Однако при несимметричном износе и распределение повреждений дисковых фрез на ножевой головке наблюдается, это говорит о другом раскопе механизм, чем дробление камней. Кроме того, высокий количество поврежденных инструментов в позициях радиуса близко к центру ножевого вала также указывает на факторы за пределами риска ударной нагрузки и выхода из строя подшипника из-за встречи с валунами (рис. 18).

СООБРАЖЕНИЯ ПО ФРЕЗЕЧНОЙ ГОЛОВКЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ ИНСТРУМЕНТАМИ ПЛАНИРОВАНИЕ

Конструкция режущей головки и выбор инструмента при проходке туннеля Подрядчик должен учитывать требования спецификации проекта и геотехническая базовая линия Отчет (Великобритания). GBR контрактно определяет состояние недр путем предоставления геотехнических исходных данных. В дополнение к дистрибуции и инжинирингу характеристики геотехнических и геологических единиц, базовые показатели особой важности включают абразивность почвы дескрипторы, липкость почвы, количество валунов, размер, сила и распределение, границы единиц, такие как до контактов, прочность матрицы по отношению к легкость вытеснения валунов, а также базовые линии для булыжники. Последнее, хотя и имеет меньшее значение. для конструкции режущей головки, кажется, трудно поддается количественной оценке. Один из способов сделать это — использовать булыжник. Объемный коэффициент (CVR), для которого эмпирические отношения

Рис. Режущая головка с симметричным инструментом характер износа
(инструменты рыхлителя)

Для определения коэффициента открытия как основного параметр для конструкции режущей головки, базовые линии валунов являются фокусом. Выбор между высоким коэффициентом открытия по сравнению с более закрытыми ножевыми головками уравновешивает уязвимость относительно удара валуна по сравнению с уменьшением навоза поток и повышенный крутящий момент (Nishimura и Konda 2016).
В ледниково-переуплотненном грунте скребки используются для транспортировки выкопанного материала к отверстиям, но не в качестве основных режущих инструментов.

Основными режущими инструментами являются либо дисковые фрезы, либо рыхлители инструменты или их комбинация, причем инструменты одетые по определенным радиусам и расстояниям, с или без пересекающиеся пути движения.
Оба этих основных инструмента типы копают землю и имеют дело с валунами иначе. Механизм для выкапывания валунов является ударным дроблением для инструментов типа рыхлителя и щебня (как в анфас скалы) для дисковых фрез, при по крайней мере теоретически. Как представлено в этой статье, оба типы инструментов показали эффективную производительность земляных работ в ледниковой геологии, но, похоже, имеют ограничения в определенных условиях эксплуатации, что приводит к высокой скоростью износа и несимметричным распределением износа инструмента над зоной ножевого вала.

Сохранение работоспособности инструмента по мере его износа вниз имеет решающее значение для эффективного и, в конечном счете, успешного Наступление ТБМ. Это требует регулярного осмотра и замена прекращается из-за текущего отсутствия надежных моделей прогнозирования износа инструмента. Пока ТБМ большого диаметра могут иметь первичные инструменты с  индивидуальные замки для инструментов и доступ к атмосфере через спицы режущей головки для обычных диаметров земляных работ
от 5 до 8 м (от 15 до 25 футов) гипербарических вмешательств или безопасные убежища могут потребоваться для проведения инструментальные инспекции под уровнем грунтовых вод и в нестабильных забойных условиях. Представленный кейс высокой степени повреждения дисковых фрез при применении EPB в зернистых почвах приводит к вопросу о том, как дополнять график проверок сверх обычных процедуры отслеживания состояния забоя и ТБМ эксплуатационные параметры.

Рис. Режущая головка с несимметричным инструментом характер износа
(дисковые фрезы)

Рис. Трехмерное изображение корпуса дискового резака с ящиком для инструментов

Рисунок. Корпус дискового резака с инструментом коробка (скорость вращения и температура)

Авторы статьи предлагают рассмотреть непрерывный контроль работоспособности дисковог