Ключевые технологии и приемы использования щитовых проходческих комплексов при сооружении туннелей - читать онлайн

Данный раздел включает в себя 5 глав: «Система проходческих щитов и ключевые компоненты», «Защитовой комплекс и вспомогательное оборудование», «Система удаленного управления данными», «Производство и сборка проходческого щита», «Обновление проходческого щита». В данном разделе дается описание функций оборудования проходческих щитов, принципы работы, конструкция, основные пункты конструкции, ключевые технологии и тенденции развития, технология изготовления, заводская сборка и наладка оборудования. Это поможет специалистам, работающим с проходческими щитами системному пониманию устройства проходческих щитов, технологии производства и обновления оборудования. Это может быть важным руководством и справочным материалом по использованию и управлению оборудованием проходческих щитов.

Глава 6. Система проходческих щитов и ключевые компоненты

Глава 7. Защитовой комплекс и вспомогательное оборудование

Глава 8. Система удаленного управления данными

Глава 9. Производство и сборка проходческого щита

Глава 10. Обновление проходческого щита

ГЛАВА 6. СИСТЕМА ПРОХОДЧЕСКИХ ЩИТОВ И КЛЮЧЕВЫЕ КОМПОНЕНТЫ

Проходческие щиты являются эффективным средством для проходки туннеля, имеют большое значение при сооружении железнодорожных и автомобильных туннелей, городского метро, коммуникационных туннелей, подземных переходов, штрека угольной шахты, подводящих туннелей и других инженерных объектов. Развитие технологий проходческих щитов в Китае за более 60 лет прошла этапы рассвета, инновации и превосходства и сформировала комплексную техническую систему. В настоящее время в Китае уже реализован полный цикл производства проходческих щитов, но существует определенное отставание ключевых компонентов и системы от международных современных передовых технологий. В данной главе приводиться описание системы проходческих щитов и восьми ключевых компонентов с точки зрения функций основных систем, основных технических аспектов, тенденции развития и передовые технологии проходческих щитов.

6.1. РЕЗЦЫ РЕЗЦОВОЙ ГОЛОВКИ

6.1.1. Виды и формы резцов

Резцы, используемые в проходческих щитах, в основном делятся на дробящие и вспомогательные резцы. Название дробящих резцов главным образом связано с их механическим действием на породы. Они подразделяются на три вида: вращающиеся фрезы (шарошки), скалывающие (пластинчатые резцы), прорезывающие (стержневые). Вспомогательные резцы названы по их основной функции: зачищающие или расширяющие резцы. Все виды представлены на рис. 6-1.

Рис. 6-1. Виды резцов проходческих щитов

В настоящее время в Китае существует путаница в названиях резцов. Особенно часто путают скалывающие и зачищающие. Скалывающие резцы выполняют функцию основного резца для дробления породы. Зачищающие резцы выравнивают поверхность забоя и не рассчитаны на активное бурение. Поэтому в ходе работы проходческого щита предъявляются строгие требования к замене дробящих резцов, несоблюдение чего может привести к заклиниванию щита.

Также существует много названий для стержневых резцов, обычно связанных с его формой: ракушка, квадратный. Основной функцией стержневых резцов является разрезание породы на отдельные куски, что создает более благоприятные условия для работы скалывающих резцов. Его основной принцип работы заключается в использовании бокового удара резцов, создаваемого при вращении вместе с резцовой головкой, для дробления или разрезания породы.

1) Вращающиеся фрезы

(1) Виды вращающихся фрез

Вращающиеся фрезы по форме режущей кромки разделяются на зубчатые и дисковые. Среди зубчатых вращающихся фрез выделяют два вида: со сферическими зубьями и клиновидными (рис. 6-2).

Рис. 6-2. Зубчатые и дисковые вращающиеся фрезы: a) зубчатые; b) дисковые

По количеству дисков на оси дисковые вращающиеся фрезы разделяются на три вида: одно-, двух- и многодисковые. Двухдисковые вращающиеся фрезы обычно используют при работе в породе выветренного песчаника и глинистых грунтах, однодисковые – для более твердых пород (рис. 6-3).

Рис. 6-3. Вращающиеся фрезы с разным количеством дисков: a) однодисковые, b) двухдисковые и c) трехдисковые

По материалу кромки дисковые вращающиеся фрезы подразделяются на износостойкие, из стандартной стали, из сверхпрочной стали, с пластинами из твердых сплавов и другие. Кроме того, их применение зависит от типа пласта:

1. Износостойкие: подходят для проходки плотных пластов прочностью 40 МПа, гравелистых, песчаных, запесоченных глинистых и других пластов прочностью 80 – 100 МПа;

2. Из стандартной стали: подходят для проходки гравелистых пород прочностью 50 – 150 МПа, мраморных, песчаных и известняковых пластов;

3. Из сверхпрочной стали: подходят для проходки твердых пород прочностью 120 – 250 МПа, высокоабразивногй породы прочностью 80 – 150 МПа, например, гранита, диорита, порфира, серпентина и базальта;

4. С пластинами из твердых сплавов: подходят для проходки гранитной, базальтовой, порфировой, кварцитовой и других пластов прочностью 150 – 250 МПа.

(2) Форма сечения кромки резцов

На рис. 6-4 показаны различные формы сечения кромки дисковых вращающихся фрез, начиная от самых первых заостренных клиновидных форм (угол при вершине резца составляет 60°, 75°, 90° и 120°) и притупленных клиновидных форм (с аналогичной величиной угла) до близких к кромке постоянного сечения (угол при вершине резца θ0 < 20°, в том числе зауженная с плоским острием, зауженная с закругленным острием и широкая со сферическим острием), зазубренных, сварных и многих других форм. По сравнению с клиновидными формами вращающихся фрезы с кромками постоянного сечения (Constant cross section (CCS)) обладают хорошим соотношением частоты замены резцов, их стоимостью и глубиной врезания, а также подходящей шириной, что обеспечивает сохранение эффективной резки при возникновении абразивного износа.

2) Скалывающие резцы

(1) Функция скалывающих резцов

Рис. 6-4. Схематическое изображение клиновидной кромки: a) заостренная клиновидная; b) притупленная клиновидная; c) зауженная с плоским острием, d) зауженная с закругленным острием и e) широкая со сферическим острием

(2) Конструктивное оформление резка Резак состоят из твердосплавного лезвия и тела резка. В том числе твердосплавное лезвие впаяно к телу резка. В зависимости от способа пайки лезвия могут делиться на адгезионный тип и вставной тип.

На рис. 6-5 показан резак с припаянным лезвием сверху тела резка. Во время резки вся площадь острия погружается в грунт. Такой вид резка подходит для пласта из глинистой, пылеватой, алевритовой породы. Применение скалывающего резка, усиленного соответствующей формой кромки, значительно повышает его ударопрочность. Такие резки все чаще используют в галечном пласте.

Рис. 6-5. Резак адгезионный и вставной: a) пайка сверху; b) в прорези

При пайке лезвия в прорези лезвие помещают в паз тела резка и припаивают, оставляя снаружи только режущую часть лезвия (рис. 6-5). Такие лезвия трудно вырвать, и они обладают высокой ударопрочностью. Их можно применять в галечном пласте.

На рис. 6-6 показаны разные виды крепления резка к резцовой головке: болтовое, шпоночное и сварное соединения.

Рис. 6-6. Способы крепления резка в проходческих щитах: a) болтовое; b) шпоночное; c) сварное

1. Болтовое соединение. Крепление резка к резцовой головке с помощью болта. Такое крепление легко заменить, но требуется принять меры для предотвращения ослабления и износа болтов, а также создать условия для замены в процессе проходки.

2. Шпоночное соединение. Крепление резка к резцовой головке с помощью цилиндрической шпонки. Его особенностью является вращение резка вокруг шпонки. При вращении резцовой головки во время резки грунта противоположное вращение резка отделять забой, что позволяет избежать абразивного износа. Кроме того, его удобно заменять. Однако требуется принять меры для предотвращения ослабления и износа шпонки, а также создать условия для замены в процессе проходки.

3. Сварное соединение. Крепление резка к резцовой головке с помощью сварки. Такое соединение отличается прочностью и стойкостью к отрыву, но резак сложно заменять. Однако при проходке в глинистой, пылеватой, алевритовой породах еще не возникало необходимости промежуточной замены таких резков.

(3) Проектирование износостойкой конструкции

Для повышения общей износостойкости резка обычно используют два уровня резцов из карбида вольфрама. В резке участвует главный и вспомогательный резак, отличающиеся по высоте (рис. 6-7). Принцип работы заключается в том, что когда абразивный износ главного резка превысит 20 мм, начинает работать вспомогательный резак. Таким образом увеличивается срок службы резка. Кроме того, на резцах возможна установка двух рядов зубьев из карбида вольфрама.

Рис. 6-7. Схематичное изображение главного и вспомогательного резка проходческого щита

Рис. 6-8. Резак в виде бараньих рогов

Существуют также другие формы резков, применяемых для определенных пород. Например, для высоковязких пород. При трудности разрушения породы вращающимися фрезами могут применять резки в виде бараньих рогов (рис. 6-8).

3) Стержневые резцы

(1) Функции

В галечной и других рассыпчатых пластах отсутствует связующая сила, и величины крутящего момента на вращающиеся фрезы и поддерживающей силы для дробления породы недостаточно. Таким образом, вращающиеся фрезы не могут разрушить породы. В таком случае используют стрежневые резки. Установка стержневых резцов обычно производится с задней части на определенных местах лучей резцовой головки с вылетом дальше резков. Стержневые резцы прорезают узкие щели и разрыхляют плотный пласт перед резками (особенно при работе в твердых пластах). Таким образом, повышается эффективность работы резков в гравийных и других твердых пластах. Кроме того, импульсная сила от скоростного вращения стержневых резцов с резцовой головкой оказывает «ударное» дробящее действие на гравийные, галечные и валунные породы, тем самым продлевая срок службы резков.

(2) Форма конструкции

Существует три основных формы стержневых резцов: раковиновидная (рис. 6-9) и квадратная (рис. 6-10). В проходческих щитах японского производства и немецкой компании Herrenknecht чаще используются раковиновидные стержневые резцы. Канадский производитель Lovat Inc и французский NFM в основном используют стержневые резцы квадратной формы. Следует учитывать, что крутящий момент при приведении в движение резцовой головки должен быть больше, чем сумма всех сил трения, которые возникают при вращении резцовой головки, его деталей и при резке грунта. Таким образом, если при щитовой проходке в галечном пласте скорость вращения резцовой головки или крутящий момент снижаются, стержневые резцы только играет роль рыхлителя и не могут эффективно дробить гравий.

Рис. 6-9. Раковиновидные стержневые резцы

Рис. 6-10. Стержневые резцы квадратной формы

(3) Проектирование износостойкой конструкции

Стержневые резцы проектируются с учетом двухстороннего вращения резцовой головки. Как правило, стержневые резцы припаиваются к резцовой головке. В стержневых резцах также могут использовать два уровня износостойкости, а также два ряда зубьев из карбида вольфрама.

4) Скребок

(1) Функции

Скребок уберет грунт по краям забоя, предотвращая его оседание, а также сохраняют величину диаметра работы резцовой головки и предотвращают износ его внешних краев. Установка скребка обычно производится с задней части на внешнем крае резцовой головки. Их замену можно производить в землеприемном отсеке.

(2) Форма

Для повышения износостойкости резцовой головки и обеспечения сохранения соответствующего диаметра забоя при проходке нескольких тысяч метров на кромке скребка располагают сплошной ряд зубьев из карбида вольфрама и двойной ряд штырей из карбида вольфрама. Непосредственно для скребка достаточно наличие одного сплошного ряда зубьев из карбида вольфрама, так как такие скребки режут только край забоя, тогда как резки работают по всей его ширине. На рис. 6-11 изображены различные формы скребков.

Рис. 6-11. Различные формы скребков

5) Копировальные резцы Копировальные резцы устанавливают на внешнем крае резцовой головки (рис. 6-12). Оператор проходческого щита может контролировать глубину и место врезания копировальных резцов в грунт (т. е. избыточную проходку) с помощью датчиков вращения резцовой головки, а также управлять гидравлическим цилиндром с помощью программируемого контроллера. Например, при необходимости поворота щитовой проходки и забоя влево вытягивают левые копировальные резцы, что дает возможность разрывать под углом до 45° относительно горизонтального диаметра.

Рис. 6-12. Фотографии копировальных резцов

6) «Рыбий хвост»

Устанавливается в центре резцовой головки проходческого щита. Используется при работе с галечным или прочным глинистым пластом. Резец «рыбий хвост» выступает дальше скребка на 200 – 300 мм. Такой резец предварительно разрывает породу перед центральной частью резцовой головки, улучшает подвижность грунтовую массу, предотвращает образование глинистой корки, уменьшает трение зачищающих резцов и снижает абразивный износ. Как правило, длина резца составляет 1200 – 1500 мм, высота – 400 – 500 мм. Резец «рыбий хвост» не располагают на одной плоскости с другими резцами. Он первым разрезает грунт и разрыхляет первичный пласт. Корневая часть резца конусообразная, что позволяет лучше проворачивать срезанную грунтовую массу. Таким образом, обеспечивается резка грунтовую массу в центральной части и улучшается подвижность срезанной грунтовой массы (рис. 6-13).

Рис. 6-13. Резец «рыбий хвост»

6.1.2. Механизм разрушения породы резцами и причины выхода из строя

1) Червячная фреза

(1) Кинетические характеристики

Дробление породы червячными фрезами является самыми эффективным способом. Он обладает следующими кинетическими характеристиками (рис. 6-14): вращаясь, червячная фреза движется вокруг центральной оси резцовой головки и вокруг своей оси. Если предположить, что при дроблении породы червячная фреза только перекатывается (без скольжения) с определенной глубиной врезания, тогда движение становиться плоским. Траектория движения любой частицы на окружности кромки резца представлена на рис. 6-14b.

Рис. 6-14. Траектория пространственного движения червячных фрез при поворотном дроблении породы червячными фрезами: a) траектория движения; b) траектория движения кромки резца

2) Механизм разрушения породы

Под сильным напором резцовой головки установленные на него червячные фрезы давят на поверхность породы. Когда контактное напряжение фрезы и породы превышает одноосное сопротивление породы, червячная фреза разрушает породу и образует под острием плотные частицы каменной муки. Кроме того, под действием крутящего момента червячные фрезы образуют на поверхности забоя борозды. При дальнейшем углублении борозды на поверхности породы увеличиваются трещины. Когда предел прочности на разрыв породы превышен, трещины между смежными бороздами соединяются, порода расслаивается и откалывается большими кусками (рис. 6-15). Таким образом, дробление породы червячной фрезой основано на производимом вращением ударном и режущем действии.

Стоит отметить, что червячные фрезы не могут дробить валунные и гравийные породы, за исключением скальной породы на поверхности забоя. При разрушении породы червячными фрезами главным параметром является сила напора резцовой головки, которая определяет крутящий момент и другие параметры. Однако при определении мощности дробления основным параметром является значение крутящего момента.

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.