Проектирование и оценка эффективности нового материала фрезерного кольца на основе механизмов разрушения породы при проходке ЩС

Почему улучшенные режущие элементы для тоннелей важны

Современные города зависят от тоннелей для метро, коммунальных сетей и дорог. Глубоко под землей эти тоннели прорезают массивные щитовые машины, которые вдавливают вращающиеся стальные диски в породу. В неоднородных породах с чередованием прочного песчаника и более мягкого мулистого сланца эти режущие диски быстро изнашиваются, что заставляет бригады часто останавливаться для замены. В этом исследовании объясняется, как и почему эти диски выходят из строя, и предлагается новый материал для фрезерных колец, который служит дольше и делает проходку безопаснее, быстрее и дешевле.

Как прокладывают тоннели через слоистые породы

Авторы сосредоточились на участке метро в Чунцине, Китай, где тоннель проходит через толстые, неравномерные слои песчаника и мулистого сланца. ЩС использует круговые стальные диски, называемые фрезерными кольцами, которые прижимаются к забою с огромной силой. По мере продвижения машины каждый диск одновременно вдавливается и катится, дробя и откусывая породу. В изучаемом районе песчаник особенно прочен и абразивен, что приводит к быстрому износу режущих кромок, частым изменениям геометрии диска и большим простоям на обслуживание и замену.

Наблюдение за разрушением породы в компьютере

Чтобы понять, что происходит на стыке стали и камня, исследователи создали детальную виртуальную модель диска ЩС, вдавливающегося и катящегося по блокам песчаника и мулистого сланца. С помощью передового конечно-элементного ПО они смоделировали, как накапливаются напряжения, как возникают трещины в зоне контакта и как они распространяются по породе. Симуляции показали сильную концентрацию напряжений прямо под кромкой режущего элемента, с внутренними трещинами, формирующими V-образную зону повреждения, которая растет и в итоге вызывает отхождение кусков породы. В обоих типах породы вертикальная нормальная сила оказалась главным фактором разрушения, тогда как сила качения играла меньшую, но все же важную вспомогательную роль.

Сравнение разных форм режущих дисков

Команда затем сравнила три распространённых конструкции дисков: кольца с гладкой кромкой, однорядные вставные резцы с одной полосой твёрдых зубьев и двурядные вставные резцы с двумя рядами. Гладкие диски, которые более равномерно распределяют контакт, обеспечивали более стабильные силы и медленное развитие трещин, особенно в более мягком мулистом сланце. Вставные резцы, рассчитанные на очень твёрдую абразивную породу, фокусировали нагрузку в маленьких зонах контакта. Это создавало интенсивные локальные напряжения, более быстрое распространение трещин и более резкое, скачкообразное фрагментирование породы. Однорядные вставки демонстрировали сильные, сильно флуктуирующие силы, когда каждый зуб многократно вгрызался в породу и выходил из неё. Двурядные вставки усиливали этот эффект, порождая ещё более высокие пиковые силы и более сложные сети трещин, но при этом давая большую проникающую способность в твёрдом песчанике.

Проектирование более прочной стали изнутри

Вооружённые этими выводами, исследователи обратились к самому материалу режущего элемента. Они взяли обычно используемую инструментальную сталь для горячей обработки и изменили её химический состав, чтобы лучше сбалансировать твёрдость (для стойкости к износу) и вязкость (чтобы избежать хрупкого разрушения). Небольшим увеличением содержания углерода и аккуратной настройкой легирующих элементов, таких как хром, молибден и ванадий, они получили несколько образцов стали, которые затем ковали и термически обрабатывали в виде полноразмерных фрезерных колец. Лабораторные испытания показали, что два из этих вариантов сочетали высокую твёрдость с превосходной ударной вязкостью, что делает их многообещающей базой для тяжёлых режущих элементов.

Бронирование поверхности против шлифования породой

Поскольку наружная кромка кольца испытывает самые суровые условия, командa дополнительно упрочнила её специальным покрытием. Они использовали плазменную наплавку, чтобы расплавить и соединить никелевый сплав с очень твердыми керамическими частицами на поверхности кольца, создавая толстую износостойкую корку. В ротационных испытаниях на износ короткие цилиндрические образцы, вырезанные из этих наплавленных колец, прижимали к песчаннику и граниту под нагрузкой. Новоразработанный материал стабильно терял наименьшую массу и демонстрировал наиболее гладкие, наименее повреждённые поверхности при оптическом и электронном микроскопическом осмотре. Измерения профилометром подтвердили, что его износные борозды были примерно вдвое мельче, чем у традиционных материалов, что указывает на существенно большую стойкость к шлифованию зернами породы.

Испытание новых фрез в реальных тоннелях

Наконец, новые фрезы были установлены на рабочем ЩС в другом проекте метро в Чунцине, где также встречались прочный песчаник и песчанистый мулистый сланец. За сотни метров проходки улучшенные диски не показали аномальных трещин или неравномерного износа. По сравнению со стандартными фрезами, использованными в похожих грунтовых условиях, новая конструкция снизила скорость износа примерно на одну пятую и сократила число замен режущих элементов примерно на 28%. Меньшее количество замен означало меньше остановок, более плавный темп проходки и меньшие затраты на обслуживание.

Что это значит для будущих подземных проектов

Эта работа связывает детальную физику разрушения породы с практическим проектированием инструментов. Показывая, как именно накапливаются напряжения и распространяются трещины при разных формах режущих элементов, и адаптируя химический состав стали и поверхностные покрытия к этим условиям, авторы создали фрезерные кольца, которые служат дольше в требовательных слоистых породах. Для неспециалистов главный вывод прост: более продуманная конструкция в небольшой зоне контакта между сталью и камнем может привести к более безопасному, надёжному и экономичному строительству тоннелей под нашими городами.

Цитирование: 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

Ключевые слова: щелепробивная машина, резание породы, износ инструмента, песчаник сланец, усовершенствованная сталь