張照煌，柴超群，趙 宏

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 昌平 102206)

0 前言

全斷面巖石掘進機(Tunnel Boring Machine,TBM)是隧道專用的施工機械，被廣泛應用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電隧道等工程。刀盤是TBM的關鍵部件，具有開挖、穩(wěn)定掌子面、攪拌巖碴等功能。刀盤的結(jié)構(gòu)設計對提高TBM破巖能力和掘進效率、降低挖掘成本具有重要作用，是影響TBM掘進性能的決定性因素[1]。因此，掌握刀盤設計的關鍵技術，并且提高自主創(chuàng)新與制造能力，對推動我國TBM發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

TBM刀盤結(jié)構(gòu)設計的主要內(nèi)容有：刀盤盤體結(jié)構(gòu)設計、刀盤選型、刀具選擇、刀間距設計、刀具布置以及鏟斗、溜碴槽、支撐筋等重要構(gòu)件的設計與布置。刀盤結(jié)構(gòu)的設計需要針對具體工程的地質(zhì)條件和施工要求進行適應性設計。

雖然TBM刀盤結(jié)構(gòu)設計很重要，但國內(nèi)外對這一方面發(fā)表的論文比較少。本文針對全斷面巖石掘進機刀盤設計中的一些基本原則和設計方法進行了概述，旨在為相關從業(yè)人員提供一個有關TBM刀盤結(jié)構(gòu)設計的思路，并不斷豐富刀盤結(jié)構(gòu)設計的基礎研究理論。

1 刀盤設計步驟

1.1 刀盤直徑選擇

刀盤直徑的選擇是進行刀盤設計的第一步。當施工工程的地質(zhì)條件確定后，需要針對具體的施工要求和掘進隧道(洞)的實際用途選擇合適的刀盤直徑。一般而言，對于小型排污、輸水、鋪線等工程，刀盤直徑設計為3 m左右；對于城市地鐵隧道的施工，刀盤直徑設計為6 ～7 m；而對于大型的跨海、跨山鐵路隧道工程，刀盤直徑設計為8 m以上，如西安-安康鐵路秦嶺段采用的TB880E刀盤直徑為8.8 m。

由于采用TBM進行隧道掘進時，開挖截面的形狀大部分都是圓形的，則刀盤設計直徑(理論開挖直徑)與設計成洞后的隧道直徑的作用原理如圖1所示。

圖1 刀盤掘進直徑

開挖直徑與成洞直徑的計算關系式為

D=D0+2(h0+h)

(1)

式中，D為刀盤的設計直徑；D0為成洞后的直徑；h0為管片厚度，h0通常為30 cm；h為注漿厚度，當D=3～8 m時，h=6～15 cm。

在實際的施工作業(yè)時，由于不可避免的要受到掘進誤差、巖體變形、盤體磨損等因素的影響，因此在進行刀盤直徑的實際設計時，要充分探測好地質(zhì)條件和預估好可能出現(xiàn)的風險誤差，必要時留出適當?shù)氖┕び嗔俊?/p>

1.2 刀盤外形

刀盤外形的選擇是進行刀盤設計的第二步。TBM的刀盤按其外形可以分為平面刀盤、錐面刀盤和球面刀盤3種，如圖2所示。顧名思義，球面刀盤的外形類似球形，采用球面設計的刀盤在掘進過程中有良好的的穩(wěn)定性、定向性、穿透性，但無法適應不良地質(zhì)；錐面刀盤的大錐角可以充分形成破巖自由面，若施工沿線存在橋墩、堅硬圍巖等特殊地質(zhì)時采用錐面刀盤可加快破巖效率，但對地質(zhì)的適應性比較差；平面刀盤相對于球面刀盤和錐面刀盤，在掘進過程中接觸的破巖面積小，因而所受的巖石阻力也比較小，減少了對巖石的擾動，能有效避免人為不良地質(zhì)災害的出現(xiàn)，并且平面刀盤對不良地質(zhì)，如砂礫層、塊狀圍巖有較好的適應性[2]。

圖2 不同刀盤外形

在實際施工中對刀盤的外形進行選擇時，考慮到平面刀盤制造方便，地質(zhì)適應性強，刀盤推力的利用效率高，因而被廣泛地使用，如中鐵382號、241號等。此外，在考慮到破巖掘進過程中的巖碴滑落，球面刀盤和錐面刀盤存在嚴重的多次破碎，目前球面刀盤和錐面刀盤已被制造商淘汰，不再在施工中應用。

1.3 刀盤面板

早前TBM的刀盤主要是由厚鋼板焊接而成，其具有加工周期短、制造成本低、加工方式靈活的優(yōu)點，但是由于焊接應力和焊接缺陷的影響，使得刀盤整體強度和剛度不均勻，在沖擊載荷的作用下刀盤形變不一致，焊接處更易產(chǎn)生開裂，嚴重時可致刀盤報廢。

目前，針對全斷面巖石掘進機在掘進時沖擊載荷大的特點，其刀盤面板一般采用厚度270 mm的鋼件鍛造，刀盤法蘭采用300 mm的厚板鍛造加工，結(jié)構(gòu)為箱型面板式設計(見圖3)，這種刀盤整體強度高，剛度高，刀具布置范圍廣，在掘進中的抗沖擊振動性能好。此外，為了方便刀盤的生產(chǎn)制造及運輸，可將大直徑刀盤面板分塊，分塊形式有中心對分、偏心對分、中方五分、中六角七分等形式，然后在施工現(xiàn)場用高強度螺栓連接后再進行焊接，使其形成一塊完整的刀盤。需要注意的是，采用分塊焊接的刀盤在經(jīng)過精加工后，所有鋼板和焊縫部位均需要進行無損探傷，確保無任何缺陷，以降低后續(xù)作業(yè)過程中出現(xiàn)問題的可能性。

圖3 刀盤面板加工圖

長期以來，國內(nèi)外學者對全斷面巖石掘進機刀盤面板的設計，評價工作進行了大量的研究。孫統(tǒng)輝[3]從降低制造成本，提高刀盤面板性能的角度出發(fā)，對傳統(tǒng)的面板自由鍛工藝進行創(chuàng)新，提高了產(chǎn)品質(zhì)量；張照煌以彈性力學理論中的彈性薄板變形微分方程為基礎，提出了設計曲面刀盤的概念[4]，并通過科學的理論發(fā)現(xiàn)要使刀盤撓度值盡可能小，面板厚度值應不小于0.25 m，最好大于0.35 m[5]，以及在刀盤面板材料一定的條件下，其固有振動頻率與刀盤面板厚度成正比例關系[6]。由以上可知，現(xiàn)有學者對刀盤面板的研究多為針對某一實際的工程地質(zhì)，提出的解決問題的方案太單一，不具備通用性，此外刀盤面板在地質(zhì)適應性設計方面缺少完整的理論依據(jù)，經(jīng)驗數(shù)據(jù)及可靠的實驗數(shù)據(jù)，在很大程度上還依賴于工程經(jīng)驗。因此，今后刀盤面板設計的理論研究可從以下方面出發(fā)：

(1)數(shù)值模擬，實驗研究從建立更符合實際的刀盤模型為出發(fā)點，在此基礎上進行相關的理論研究；

(2)運用拓撲理論優(yōu)化面板上各結(jié)構(gòu)之間的制約關系，使各結(jié)構(gòu)在合理安裝設計的同時也能起到對刀盤性能提高的作用。

1.4 刀具選擇

1.4.1 滾刀尺寸

盤形滾刀是全斷面巖石掘進機實現(xiàn)破巖掘進的關鍵部件，根據(jù)不同的地質(zhì)條件選擇合適的刀具是刀盤結(jié)構(gòu)設計的關鍵任務。Rostami[7]對于破巖過程中刀具的選擇和應用趨勢進行了深入的研究。在全斷面巖石掘進機上，一般使用直徑為432 mm(17 in)等截面(CCS)盤形滾刀作為最基礎的選擇；在非常堅硬的巖石上，為了盡量減少刀具更換的需要，應該選用較大的483 mm(19 in)的盤形滾刀；在刀盤直徑大于10.5 m的掘進機上，應該使用大于500 mm(20 in)的盤形滾刀[8,9]；對于較小尺寸的刀盤，一般選用較小尺寸的滾刀，例如150 mm、300 mm、365 mm的滾刀。盤形滾刀尺寸和刀盤直徑的關系如下表1所示。

表1 盤形滾刀直徑和刀盤直徑的關系

通過表1可以知道：隨著刀盤直徑的增加，其上安裝的盤形滾刀的直徑也在增加。目前工程上普遍應用的是增大了直徑的盤形滾刀，即通過增大盤形滾刀直徑來提高其耐磨容量，從而促進了盤形滾刀直徑的大型化發(fā)展。另外，在盤形滾刀尺寸的選擇時也要考慮到考慮以下幾個因素：

(1)刀具的承載能力。盤形滾刀的直徑不同，其承載能力也不相同，盤形滾刀直徑與其承載能力間的關系見表2所示。

表2 滾刀直徑及承載能力

(2)刀具所需的破巖力。對于相同硬度的巖石，盤形滾刀所需破巖力隨著滾刀尺寸的增加而增加。

(3)滾刀的最大轉(zhuǎn)速。滾刀的最大轉(zhuǎn)速受刀盤轉(zhuǎn)速影響，而刀盤的轉(zhuǎn)速隨著刀盤直徑的增大而減小。

1.4.2 滾刀刀刃

盤形滾刀按其在刀盤上分布的位置和作用不同劃分為中心滾刀、正滾刀、過渡滾刀和邊滾刀；按其刀刃的多少，可分為單刃滾刀、雙刃滾刀和三刃滾刀[10]，如圖4所示。全斷面巖石掘進機一般采用單刃盤形滾刀和雙刃盤形滾刀進行破巖，單刃的破巖及抗沖擊載荷性能好，能適應巖石強度30～350 MPa，因此除中心滾刀外多選擇單刃滾刀設計，而中心滾刀則可以采用多刃設計。此外，盤形滾刀的刀刃角一般設計為60°、75°、90°、120°或平刃等多種。如果作業(yè)的巖石硬度很高，則用刀刃角較大的盤形滾刀，反之巖石條件較軟的情況下用刀刃角較小的盤形滾刀。而在更軟的巖層中，刀刃角小的盤形滾刀很容易陷入里面而使掘進效率降低，此時如果使用刀刃角較大或者平刃的盤形滾刀，破巖效果會更好。另外，為了降低掘進過程中滾刀的磨損，也可將滾刀刃寬適當增加，但這樣設計同時也會將切削力增加，進而引起刀盤扭矩的增加，因此，在實際施工時要根據(jù)工程地質(zhì)狀況進行設計。

圖4 盤形滾刀類型

1.5 刀間距

在滾刀選擇好以后，進行刀間距的設計，這關系到掘進機的掘進效率、破巖能力、機械能耗。過小的刀間距會形成粉碎狀巖渣，開挖效率低，機械能耗大，過大的刀間距又達不到破巖效果，因而就需要尋求最優(yōu)刀間距。最優(yōu)滾刀間距的設計取決于巖石類型，巖石物理力學屬性和巖石節(jié)理分布等因素[1]。在給定地質(zhì)條件后，需要對TBM的推力、扭矩和功率等設計參數(shù)進行詳細討論，為此，許多學者針對破巖力進行了不同理論研究，提出了各種不同的公式和模型，比較著名的有伊萬斯(Evans)預測公式[11]、秋三藤三郎預測公式[12]、羅克斯巴勒(F.F.Roxborough)預測公式[13]、科羅拉多礦業(yè)學院預測公式[14]以及張照煌等建立的滾刀破巖垂直力計算公式[15]等。目前，滾刀破巖力最常用的估算公式是“科羅拉多礦業(yè)學院(CSM)模型”，該模型對破巖力的估算如下：

(2)

式(2)所計算的力可以用來確定刀盤在滾刀承載能力范圍內(nèi)對巖石的的最大貫入度，從而計算出S/P的值，常作為刀間距設計的參考因素，其隨巖石脆性的增大而增大，隨破巖深度的變化而略有變化。巖石單軸強度和S/P關系如表3所示。

表3 巖石單軸強度和S/P關系

針對大多數(shù)工程情況和實際設計，S/P值及刀間距選擇符合以下設計原則：

(1)對于硬巖地質(zhì)條件，為了避免在高強度巖石中形成隆起，S/P比值為10～20；

(2)對于軟巖地層，刀間距一般為65 ～90 mm[16]；

(3)在較脆的巖石(如砂巖和石灰?guī)r)中，最優(yōu)刀間距可高達110 mm。

此外，比能(Specific Energy,SE)即滾刀切削單位體積巖石所需消耗的能量，也常作為刀間距設計的關鍵評價標準。國內(nèi)外研究人員已對刀盤比能及性能預測進行了許多理論探討和試驗研究[17-19]，得出類似規(guī)律：刀間距與比能成“U”形曲線，該曲線的最小值即為最優(yōu)刀間距。因此，在對滾刀的間距設計時，需要針對不同地質(zhì)類型，統(tǒng)籌考慮掘進效率和破巖能力的關系，充分協(xié)調(diào)好刀間距、比能、貫入度之間的關系，以此得出最優(yōu)刀間距。

1.6 滾刀數(shù)量

在對刀盤直徑和滾刀間距進行設計后，就可以確定滾刀數(shù)量，因為滾刀數(shù)量的確定受到刀盤直徑和刀間距的制約。針對星型刀盤設計，滾刀數(shù)量的確定可按式(3)計算：

(3)

式中，N為滾刀數(shù)量；D為刀盤設計直徑；S為刀間距；n是徑向線數(shù)量；Z為中心滾刀數(shù)量；T為邊滾刀數(shù)量。

對于螺旋線型和隨機型刀盤的數(shù)量設計公式在已有的文獻中尚未看到，因此針對這兩種刀盤數(shù)量設計提出可行的理論計算公式是亟待解決的問題。

1.7 刀具布置

近年來，TBM被用于更加復雜的地質(zhì)條件和受到更苛刻的約束，這使刀盤布局設計變得更為困難也更加重要。刀具布置是刀盤布局中最核心的部分，這關系TBM效率、刀具和刀盤大軸承壽命，是降低掘進成本的關鍵技術之一。

目前，全斷面巖石掘進機刀盤上盤形滾刀的布置形式主要有螺旋線型、星型(米字型)和隨機型3種，如圖5所示。螺旋線型布置方式的特點是盤形滾刀都布置在以刀盤圓心為原點的螺旋線上，可以根據(jù)刀盤半徑、角間距的變化研發(fā)出雙螺旋線、多螺旋線設計；星型布置方式是所有盤形滾刀都在一個以刀盤圓心為基準點，滾刀分別放置在與基準線成120°、90°、60°、45°……角的線上；隨機型布置是根據(jù)每把盤形滾刀的破巖面積相同，不同區(qū)域內(nèi)盤形滾刀密度相似進行隨機布置。

圖5 滾刀布置方式

國內(nèi)外有關TBM刀具布置研究文獻發(fā)表較少，但很多學者對盤形滾刀的布置仍然做出了較深入研究。由眾多學者的研究可知：極角和極徑是刀具布置中最重要的兩個參數(shù)，在刀具布置時應該首先確定極角，再根據(jù)極角確定極徑，這樣就能準確設計每一把滾刀位置。此外，刀具布置應遵循以下原則：

(1)滾刀應在刀盤上均勻分布，盡量保持刀盤對稱；

(2)避免刀具在刀盤任何區(qū)域的應力集中，以此避免偏心力和偏心力矩；

(3)各滾刀之間不相干涉，符合最佳刀間距設計；

(4)不同滾刀的破巖量應盡可能相同，使?jié)L刀壽命相近。

現(xiàn)在，對于刀具布置尚未形成完整統(tǒng)一的理論。因為刀具布置設計不僅需要滿足幾何約束和力學平衡約束，還涉及巖體力學、機械設計學、計算機應用技術等多個學科知識，需要綜合考慮地質(zhì)圍巖屬性，刀盤/刀具與巖體相互作用關系模型，在多約束條件下設計求解。而刀具布置也正在朝著這方面發(fā)展，利用大數(shù)據(jù)技術、機器學習等前沿理論對刀盤結(jié)構(gòu)設計進行拓撲結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及對刀具布置進行協(xié)同優(yōu)化正成為下一個研究的熱點。

2 刀盤其它結(jié)構(gòu)設計

全斷面巖石掘進機的刀盤設計除主要布置刀具外，還須合理布置刮碴鏟斗、噴水孔、溜碴槽、支撐筋、排碴開口、人孔通道等。刀盤上各結(jié)構(gòu)的合理布局是優(yōu)化刀盤結(jié)構(gòu)設計和掘進機性能的最重要因素。

2.1 鏟斗

TBM上鏟斗的數(shù)量、尺寸和布置也是刀盤結(jié)構(gòu)設計中的重要內(nèi)容，鏟斗位置如圖6。鏟斗數(shù)量和尺寸的選擇應該與預計的破巖量成正比，并且隨著刀盤在巖石中貫入度的增加而增加。當鏟斗的數(shù)量被確定以后，應該使其均勻的布置在刀盤面板上，這是為了確保從刀盤底部收集的巖碴塊的體積是均勻的。

圖6 鏟斗位置

通常情況下，鏟斗的布置一般將較長的鏟斗放置在常規(guī)鏟斗之間(每隔兩個或三個鏟斗)；為刀盤能高效出渣，鏟斗的數(shù)量設計原則為：在堅硬巖石中如果使用小型刀盤應將數(shù)量選擇為4個，中型刀盤數(shù)量應為6～8個，大型刀盤通常為12個。

2.2 刀盤主軸承

TBM在進行掘進作業(yè)時承受著復雜的力及力矩，而主軸承作為支撐掘進機刀盤的主要承載部件，承擔著掘進機運轉(zhuǎn)過程中的主要載荷，是刀盤驅(qū)動系統(tǒng)的關鍵部件。由于主軸承的加工及安裝精度高、制作難度大，在施工過程中不可維修，因此在對掘進機主軸承的結(jié)構(gòu)設計時，一般要求主軸承的使用壽命要與刀盤壽命相當[20]。

硬巖掘進機的主軸承座位于刀盤后面，主軸承一般采用大直徑、高承載力、長壽命的三軸式設計，軸承內(nèi)圈帶有內(nèi)齒圈，如圖7所示。雙軸承支座驅(qū)動小齒輪與內(nèi)齒圈嚙合，支撐穩(wěn)固的驅(qū)動齒輪可以最大限度地減小齒輪磨損，而主軸承與大齒圈設計壽命應該超過1.5萬小時。目前，國內(nèi)外對于TBM主軸承的力學性能分析還沒有較系統(tǒng)的辦法。

圖7 刀盤與主軸承的連接

2.3 滾刀座

早期的滾刀座為懸臂加工設計，刀座與刀盤面板不是統(tǒng)一整體，在刀盤旋鈕力矩的作用下容易產(chǎn)生焊接疲勞發(fā)生脫落，影響正常的掘進施工。

現(xiàn)有的滾刀座多為直接焊接在刀盤面板上，按其在刀盤面板上位置的不同分為“凸置式”和“凹置式(也叫背裝式)”，如圖8、9所示。凸置式是將盤形滾刀座直接焊接或用螺栓聯(lián)接在刀盤前表面，這種結(jié)構(gòu)設計不僅容易加速刀座磨損，也容易造成刀座與刀盤間的焊縫或聯(lián)接螺栓斷裂，因而已被淘汰。凹置式是將滾刀座安裝在刀盤面板前表面以下，對盤形滾刀及滾刀座起到保護作用，而且刀具磨損后易于更換，具有很高的安全性。因此，現(xiàn)有的刀盤滾刀座設計均采用凹置式結(jié)構(gòu)。

圖8 凸置式滾刀座

圖9 凹置式滾刀座

在進行滾刀座設計時，應充分考慮到刀座的強度和剛度的要求，避免因過載而造成的破裂，甚至從刀盤上脫落。因此，為了提高滾刀座的耐用性，可在刀盤鑄造時直接將滾刀座和刀盤面板鑄造為一體，這樣可以大大增強刀座的使用壽命。目前，“凹置式”滾刀座的設計發(fā)展方向：

(1)通用型。刀盤在掘進過程中會遇到不同地質(zhì)地層，針對不同地質(zhì)條件實現(xiàn)同一刀座可應對滾刀不同尺寸、類型快速更換的需要。

(2)一體化?，F(xiàn)有的刀座結(jié)構(gòu)多為焊接式設計，與刀盤聯(lián)合為一體，不可調(diào)整，讓滾刀座“從靜到動”可以方便進行角度，位置的調(diào)整以應對不同破巖力，扭矩等掘進參數(shù)的要求。

(3)人性化?！翱觳鹂煅b”結(jié)構(gòu)的設計，可以方便地使人工快速實現(xiàn)對不良滾刀的更換，節(jié)省作業(yè)時間。

2.4 溜碴板

溜碴板作為TBM刀盤的支撐結(jié)構(gòu)，不但關系到刀盤的出碴性能，而且也會對刀盤的剛度和強度造成一定影響。在刀盤的工作過程中，溜碴板主要作用是將鏟入刀盤中的巖碴運送到皮帶輸送機上，然后巖碴將隨皮帶輸送機達到洞外，因此如果溜碴板的設計不能滿足實際施工要求，將會使巖碴在刀盤內(nèi)部發(fā)生堆積，造成刀盤內(nèi)部部件的磨損破壞。

目前，李大平[21]利用ABAQUS建立數(shù)值仿真模型對刀盤溜碴板結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設計；虞詩強[22]對單一直徑刀盤情況下，不同出碴槽的布置方式對出碴流動性的影響進行了分析；聶曉東[23]提出了一種通過修改溜碴板有效長度來改進出碴性能的方法。

綜上可知，溜碴板設計的關鍵要求為：(1)保證刀盤的剛度和強度；(2)提高溜碴板的出碴性能(溜碴板數(shù)量、合理布置等)。因此，對溜碴板結(jié)構(gòu)進行改進，其布置方式和不同地質(zhì)特性下巖碴的流動性及出碴機理進行深入探究將是以后研究的方向。

2.5 支撐筋

在全斷面巖石掘進機工作時，由于為了使巖碴增加順暢排出，在相鄰碴板布置時通常會存在較大的距離，這樣的布置方法將會導致刀盤的強度和剛度較弱，因此為了維持刀盤面板有較高的剛度和強度，降低刀盤振動和變形，會在刀盤后面板上焊接上支撐筋。支撐筋按其分布位置不同主要有分瓣支撐筋和周邊支撐筋，分瓣支撐筋位于刀盤后面板的徑向線上，而周邊支撐筋位于刀盤外圍，如圖10所示。目前，能查閱到的有關支撐筋設計的文獻很少，國內(nèi)外學者在刀盤結(jié)構(gòu)設計中對于支撐筋的研究仍處于起步階段。

圖10 刀盤支撐筋結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

總結(jié)了刀盤結(jié)構(gòu)設計中重要結(jié)構(gòu)部件的設計和布置，并分別介紹了各結(jié)構(gòu)的研究成果，但是由于刀盤結(jié)構(gòu)設計的復雜性，目前的研究理論仍然不是很成熟。隨著掘進機被越來越廣泛的使用，面臨的地質(zhì)條件更嚴苛，還需要更深入的研究刀盤結(jié)構(gòu)設計的關鍵技術。

(1)刀盤的結(jié)構(gòu)設計要充分考慮刀盤與巖土的相互作用機理，只有將地質(zhì)條件搞清楚，才能“因地制宜”協(xié)調(diào)好刀盤設計參數(shù)。

(2)現(xiàn)有刀盤結(jié)構(gòu)多為針對某一特定地質(zhì)，如何建立龐大的設計參數(shù)數(shù)據(jù)庫，推導出更實用的刀盤/滾刀受力計算公式，促進刀盤設計向一體化、通用化、智能化發(fā)展仍然是個亟待解決的難題。