Projektowanie i ocena wydajności nowego materiału na pierścienie skrawające w oparciu o mechanizmy łamania skał przez TBM

Dlaczego lepsze skrawacze tunelowe są ważne

Nowoczesne miasta polegają na tunelach dla metra, infrastruktury i dróg. Głęboko pod ziemią tunele wykrawają masywne tarcze drążące (TBM), które wciskają obracające się stalowe dyski w skałę. W terenie mieszanym z na przemian występującym twardym piaskowcem i miększym mułowcem te dyski tnące mogą szybko się zużywać, zmuszając załogi do częstych postojów na wymiany. W badaniu wyjaśniono, jak i dlaczego te dyski zawodzą oraz przedstawiono nowy materiał na pierścienie skrawające, który trwa dłużej i utrzymuje drążenie tuneli bezpieczniejszym, szybszym i tańszym.

Jak tunele są wykrawane przez warstwową skałę

Autorzy koncentrują się na odcinku metra w Chongqing w Chinach, gdzie tunel przebiega przez grube, nieregularne warstwy piaskowca i mułowca. TBM używa okrągłych stalowych dysków, zwanych pierścieniami skrawającymi, dociskanych z ogromną siłą do ściany skalnej. W miarę postępu maszyny każdy dysk zarówno się wciska, jak i toczy, miażdżąc i odpryskując skałę. W badanym rejonie piaskowiec jest szczególnie twardy i abrazyjny, co prowadzi do szybkiego zużycia skrawaczy, częstych zmian geometrii krawędzi dysku i większej liczby postojów na konserwację i wymianę.

Obserwacja pękania skał na komputerze

Aby zrozumieć, co dzieje się na styku stali i kamienia, badacze zbudowali szczegółowy model wirtualny dysku TBM wciskanego i toczącego się po blokach piaskowca i mułowca. Przy użyciu zaawansowanego oprogramowania MES symulowali, jak narastają naprężenia, jak pęknięcia rozpoczynają się w punkcie kontaktu i jak rozprzestrzeniają się przez skałę. Symulacje wykazały silne skupienie naprężeń tuż pod krawędzią skrawacza, z wewnętrznymi pęknięciami tworzącymi V-kształtną strefę uszkodzeń, która rośnie i ostatecznie powoduje odpadanie fragmentów skały. W obu typach skał to siła pionowa, normalna, okazała się głównym czynnikiem łamania skały, podczas gdy siła toczenia odgrywała mniejszą, lecz wciąż istotną rolę wspierającą.

Porównanie różnych kształtów skrawaczy

Zespół porównał następnie trzy powszechne konstrukcje dysków: pierścienie o gładkiej krawędzi, skrawacze z pojedynczymi wkładkami z jednym rzędem twardych zębów oraz skrawacze z podwójną krawędzią z dwoma rzędami. Gładkie dyski, które rozkładają kontakt bardziej równomiernie, generowały stabilniejsze siły i wolniejszy wzrost pęknięć, szczególnie w miększym mułowcu. Skrawacze z wkładkami, zaprojektowane do bardzo twardej, abrazyjnej skały, koncentrowały obciążenie na małych obszarach kontaktu. To powodowało intensywne lokalne naprężenia, szybsze rozprzestrzenianie pęknięć i bardziej nagłe, skokowe fragmentowanie skały. Wkładki o pojedynczej krawędzi wykazywały silne, wysoce zmienne siły, gdy każdy ząb wielokrotnie wgryzał się w skałę i z niej wychodził. Wkładki z podwójną krawędzią wzmacniały ten efekt, generując jeszcze wyższe szczytowe siły i bardziej złożone sieci pęknięć, ale też większą zdolność kruszenia skały w twardym piaskowcu.

Projektowanie twardszej stali od środka

Wyposażeni w te obserwacje, badacze zwrócili się do samego materiału pierścienia. Wyszli od powszechnie stosowanej stali narzędziowej do obróbki na gorąco i zmodyfikowali jej chemię, aby lepiej wyważyć twardość (dla odporności na ścieranie) i wytrzymałość udarową (aby unikać kruchego pęknięcia). Nieznacznie zwiększając zawartość węgla i ostro dobierając pierwiastki stopowe takie jak chrom, molibden i wanad, wytworzyli kilka wariantów stopów, a następnie wykuli i poddali je obróbce cieplnej, tworząc pierścienie skrawające w pełnym rozmiarze. Testy laboratoryjne wykazały, że dwa z tych wariantów łączyły wysoką twardość z przewyższającą udarnością, czyniąc je obiecującymi materiałami bazowymi dla ciężkich skrawaczy.

Opancerzanie powierzchni przeciw ścieraniu skał

Ponieważ zewnętrzna krawędź pierścienia jest narażona na najtrudniejsze warunki, zespół dodatkowo wzmocnił ją specjalną powłoką. Zastosowali natrysk plazmowy, aby stopić i związać z powierzchnią pierścienia stop na bazie niklu zmieszany z bardzo twardymi cząstkami ceramicznymi, tworząc grubą, odporną na ścieranie powłokę. W testach ścierania obrotowego krótkie cylindryczne próbki wycięte z tych powlekanych pierścieni były dociskane do piaskowca i granitu pod obciążeniem. Nowo opracowany materiał konsekwentnie tracił najmniej masy i wykazywał najgładsze, najmniej uszkodzone powierzchnie zarówno przy inspekcji optycznej, jak i w mikroskopii elektronowej. Pomiary profilometrem potwierdziły, że jego bruzdy zużycia były około dwa razy płytsze niż w materiałach konwencjonalnych, co wskazuje na znacznie wyższą odporność na ścieranie przez cząstki skalne.

Przetestowanie nowych skrawaczy w rzeczywistych tunelach

W końcu nowe skrawacze zamontowano na pracującym TBM w innym projekcie metra w Chongqing, który również przecinał mocny piaskowiec i piaszczysty mułowiec. Na przestrzeni setek metrów drążenia ulepszone dyski nie wykazały nieprawidłowych pęknięć ani nierównomiernego zużycia. W porównaniu ze standardowymi skrawaczami stosowanymi w podobnych warunkach gruntowych, nowy projekt zmniejszył tempo zużycia o około jedną piątą i zredukował liczbę wymian skrawaczy o około 28%. Mniej wymian narzędzi oznaczało mniej postojów, płynniejszy postęp drążenia i niższe koszty konserwacji.

Co to oznacza dla przyszłych projektów podziemnych

Praca łączy szczegółową fizykę łamania skał z praktycznym projektowaniem narzędzi. Pokazując dokładnie, jak narastają naprężenia i jak rozprzestrzeniają się pęknięcia przy różnych kształtach skrawaczy, oraz dostosowując chemię stali i powłoki powierzchniowe do tych warunków, autorzy stworzyli pierścienie skrawające, które dłużej wytrzymują w wymagającej, warstwowej skale. Dla osób niebędących specjalistami wniosek jest prosty: inteligentniejszy projekt w niewielkiej strefie kontaktu między stalą a kamieniem może przekładać się na bezpieczniejsze, bardziej niezawodne i bardziej ekonomiczne budowanie tuneli pod naszymi miastami.

Cytowanie: Zhong, Z., Yang, Z., Li, X. et al. Design and performance evaluation of a novel cutter-ring material based on TBM rock-breaking mechanisms. Sci Rep 16, 8110 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38954-1

Słowa kluczowe: tarcza drążąca tunel, cięcie skał, zużycie narzędzia, piaskowiec mułowiec, stopy zaawansowane