При строительстве тоннелей многие бригады допускают типичную ошибку при подборе оснастки: считают, что чем выше твёрдость резца, тем дольше он служит. Однако данный принцип совершенно не работает при проходке тоннелей в сплошных песчано-грунтовых и слабых породах. Практика полевых работ подтверждает: при бурении в мягких грунтах и песках резцам не требуется предельная твёрдость, именно комплексная вязкость становится ключевым фактором снижения затрат и повышения производительности. Слепое стремление к высокой твёрдости делает резцы жёсткими, но хрупкими — они часто скалываются и ломаются по хвостовику, в результате расход расходных материалов многократно возрастает.
01 Почему высокотвёрдые резцы не подходят для тоннелей в мягких породах?
Высокотвёрдые резцы необходимы для работы в твёрдых породах: за счёт высокой твёрдости они выдерживают интенсивный абразивный износ и высокое сопротивление резанию. В то же время слабые породы — сплошные песчано-грунтовые массивы, пылеватые глины, песчано-галечниковые слои — имеют рыхлую структуру, слабую сцепляемость и не содержат твёрдых каменных включений. Их абразивная активность крайне низкая, стандартные качественные резцы практически не изнашиваются, поэтому преимущество высокой твёрдости остаётся невостребованным.
При этом скрытые эксплуатационные риски максимально проявляют недостатки высокотвёрдых резцов. Мягкие породы имеют неоднородную структуру, часто содержат плотные грунтовые комки и отдельные гальки. В процессе проходки режущий диск постоянно вибрирует, нагрузки нестабильны. Дополнительное влияние просачивания и обводнённости пород создаёт постоянные переменные ударные нагрузки на резцы. По физике материала чем выше твёрдость сплава, тем ниже его вязкость и выше хрупкость. Высокотвёрдые резцы жертвуют ударопрочностью и усталостной прочностью ради износостойкости, поэтому чаще всего выходят из строя из-за скалывания твердосплавных наконечников и излома корпуса — это основная причина повышенного расхода резцов при проходке в мягких породах.
02 Истинная причина выхода резцов из строя в мягких породах: недостаток вязкости важнее недостатка твёрдости
В тоннелях по твёрдым породам резцы изнашиваются преимущественно естественным путём. В слабых песчано-грунтовых породах более 90 % поломок резцов связаны с конструкционными повреждениями из-за недостаточной вязкости. Выделяют два основных типа дефектов:
Первое — скалывание и отслоение твердосплавных наконечников. Высокотвёрдые сплавы обладают повышенной хрупкостью, не гасят мгновенные ударные нагрузки и постоянную вибрацию при проходке, поэтому легко растрескиваются и отпадают при контакте с отдельными твёрдыми включениями.
Второе — изгиб и излом корпуса резца. Проходка в мягких породах осуществляется путём непрерывного сжимающего резания, резцы постоянно испытывают переменные напряжения. При недостаточной вязкости в корпусе накапливаются усталостные повреждения, что в итоге приводит к деформации и поломке.
Высоковязкие резцы, адаптированные под мягкие породы, производятся по оптимизированному составу сплава с регулировкой зернистости. За счёт умеренного снижения твёрдости значительно повышаются показатели сопротивления изгибу, ударопрочности и усталостной прочности. Лёгкая упругая деформация гасит ударные нагрузки, обеспечивает стабильную работу в сложных условиях мягких пород и резко снижает частоту поломок.
03 Ключевой принцип: при проходке в мягких породах вязкость важнее твёрдости
Твёрдость и вязкость твёрдого сплава являются взаимозависимыми характеристиками. Мелкозернистые высокотвёрдые сплавы максимально устойчивы к абразивному износу, но обладают высокой хрупкостью и подходят исключительно для твёрдых пород. Оптимизация состава с умеренным снижением твёрдости значительно повышает структурную стабильность сплава. В мягких породах отсутствуют интенсивные абразивные нагрузки, достаточно базовой износостойкости для стабильной работы. Главными испытаниями становятся частая вибрация и переменные удары, поэтому средняя твёрдость в сочетании с высокой вязкостью является оптимальным решением для резцов при проходке в мягких породах.
04 Практическое руководство по подбору и эксплуатации резцов для тоннелей в мягких породах
1. Основы подбора: откажитесь от стремления к сверхвысокой твёрдости. Предпочитайте специализированные резцы для мягких пород с пределом прочности на изгиб от 2200 МПа и сбалансированными характеристиками твёрдости и вязкости. Основное внимание уделяйте составу твёрдого сплава и качеству термообработки, гарантирующим вязкость и стабильность корпуса.
2. Конструктивная адаптация: выбирайте резцы с заострённой конусной формой и удлинённым корпусом с увеличенным шагом резания. Такая конструкция снижает сопротивление резанию, ускоряет удаление шлама, предотвращает залипание грунта и проскальзывание, снижая нагрузку на резцы.
3. Соблюдение технологии работ: не допускайте работы на высокой скорости и форсированного внедрения. Поддерживайте равномерный режим проходки, минимизируйте частые пуски, остановки и резкие перепады скорости режущего диска. Это снижает усталостные нагрузки на резцы и продлевает их срок службы.
Заключение
При выборе расходных материалов для тоннельного строительства адаптация под условия всегда важнее формальных технических показателей. Для твёрдых пород ключевым параметром является твёрдость, для мягких — вязкость. При работе в слабых песчано-грунтовых породах ориентация на вязкость и стабильность резцов позволяет полностью исключить поломки в виде скалывания наконечников и излома хвостовиков, сократить простои оборудования на замену оснастки, оптимизировать расход материалов и повысить производительность работ. Это наиболее экономически эффективный подход на стройплощадках.
Мы публикуем только практические рекомендации по подбору расходных материалов для тоннельной проходки, помогая предприятиям снижать затраты и повышать эффективность! Если вам нужен индивидуальный подбор высоковязких резцов для мягких пород, оставляйте заявку для консультации.