薛 靜

(中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司， 湖南 長(zhǎng)沙 410100)

0 引言

隨著城市建設(shè)步伐的不斷加快，地下燃?xì)夤艿赖姆笤O(shè)、地下排污工程的建設(shè)、電力及水利等管網(wǎng)的搭建或改造也隨之越來(lái)越多。小直徑泥水平衡頂管機(jī)安全、可靠、施工效率高、對(duì)周邊環(huán)境影響小等優(yōu)勢(shì)更為突顯。相較于小直徑土壓平衡頂管機(jī)，小直徑泥水平衡頂管機(jī)通過(guò)泥漿環(huán)流排渣，受空間布局影響更小，適用性更廣，成為眾多工程項(xiàng)目施工方的熱門(mén)選擇。

刀盤(pán)作為頂管機(jī)的關(guān)鍵性部件，直接作用于隧洞掌子面。刀盤(pán)除刀具需要根據(jù)地質(zhì)進(jìn)行針對(duì)性配置，其刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式的選擇也尤為關(guān)鍵。針對(duì)復(fù)合地層，如遇“上軟下硬”地層，或“硬中夾軟”“軟中夾孤”等復(fù)雜地層，又或是整段區(qū)間前后地質(zhì)軟硬差異明顯，刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式是否滿足需求，直接影響到設(shè)備是否能確保開(kāi)挖面的穩(wěn)定、設(shè)備是否能正常運(yùn)行以及掘進(jìn)速度是否達(dá)到需求等。

針對(duì)上述問(wèn)題，前人在刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式、刀盤(pán)綜合性能評(píng)價(jià)等方面已開(kāi)展了一些研究。如： 韓旭等[1]、滕宏偉等[2]針對(duì)不同地層條件，對(duì)復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式以及區(qū)間掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了研究，且對(duì)盾構(gòu)刀盤(pán)與不同地層的適應(yīng)性進(jìn)行了評(píng)價(jià)； 聶瑞等[3]針對(duì)北京砂卵石地層，依據(jù)刀具磨損等壽命原則和阿基米德螺旋線方法確定刀具布置； 閆利鵬等[4]基于近似模型技術(shù)，對(duì)高強(qiáng)度盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化； 暨智勇[5]在保證刀盤(pán)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合工程要求的條件下，開(kāi)展了軟土常壓刀盤(pán)結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)，分析盤(pán)體結(jié)構(gòu)對(duì)渣土流動(dòng)性的影響，并基于靈活度分析方法對(duì)盤(pán)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化及評(píng)價(jià)； 夏毅敏等[6]從刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)性能、刀具布置性能、力學(xué)性能、經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性和環(huán)境適應(yīng)性等方面，通過(guò)模糊綜合評(píng)價(jià)和模糊優(yōu)劣解距離決策法建立了復(fù)合刀盤(pán)綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系； 肖京[7]采用模糊理論，形成了一套適用巖溶發(fā)育區(qū)復(fù)合地層中盾構(gòu)刀盤(pán)刀具選型的方法； 劉建琴等[8]從刀具破巖機(jī)制、刀盤(pán)布局設(shè)計(jì)及掘進(jìn)性能評(píng)價(jià)3方面提出了刀盤(pán)結(jié)構(gòu)性能評(píng)價(jià)研究需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

上述研究主要是針對(duì)常規(guī)或大直徑刀盤(pán)開(kāi)展的一系列研究，但有關(guān)小直徑刀盤(pán)相關(guān)結(jié)構(gòu)研究涉及較少。如： 李健[9]、李沖等[10]通過(guò)采用Ansys對(duì)小直徑軟土刀盤(pán)進(jìn)行靜力學(xué)結(jié)構(gòu)分析，優(yōu)化刀盤(pán)結(jié)構(gòu)薄弱部位，主要還是從強(qiáng)度方向開(kāi)展的單一分析； 潘振學(xué)等[11]對(duì)泥水平衡頂管機(jī)刀盤(pán)的推力和轉(zhuǎn)矩計(jì)算模型進(jìn)行了修正。目前還未有其他文獻(xiàn)對(duì)小直徑泥水盾構(gòu)或頂管上的刀盤(pán)從多維度開(kāi)展綜合性的研究。

本文依托引綽濟(jì)遼輸水工程項(xiàng)目，針對(duì)工程中的重難點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)頂管機(jī)刀盤(pán)關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)展逐一的適應(yīng)性研究，通過(guò)綜合對(duì)比分析，選擇地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、綜合性能好、功能全面的頂管機(jī)刀盤(pán)。

1 依托工程介紹

1.1 工程概況

引綽濟(jì)遼輸水工程項(xiàng)目，選用泥水頂管機(jī)進(jìn)行施工，開(kāi)挖直徑為4 400 mm，掘進(jìn)距離約950 m。主要穿越地質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化/全風(fēng)化/中風(fēng)化的凝灰?guī)r、泥礫和全風(fēng)化的花崗巖。隧道縱剖面如圖1所示。隧道穿越地層比例如圖2所示。巖土層主要參數(shù)如表1所示。

圖1 隧道縱剖面圖Fig. 1 Geological profile of the tunnel

圖2 隧道穿越地層比例圖Fig. 2 Proportions of strata that tunnel crosses

表1 巖土層主要參數(shù)值Table 1 Main parameters of rocks and soil

1.2 刀盤(pán)設(shè)計(jì)重難點(diǎn)分析

本項(xiàng)目主要面臨單頂頂進(jìn)距離長(zhǎng)、穿越地質(zhì)多變且兩級(jí)差異明顯、受限于結(jié)構(gòu)空間卻又需滿足多功能要求等難題。要使刀盤(pán)的選型設(shè)計(jì)滿足地質(zhì)適應(yīng)性的最大化，主要存在的技術(shù)難點(diǎn)如下。

1)地質(zhì)多變。頂管機(jī)在始發(fā)端與接收端，均穿越中風(fēng)化凝灰?guī)r，強(qiáng)度接近100 MPa。為了滿足破巖要求，刀盤(pán)上滾刀所需的刀間距小，刀具數(shù)量多，對(duì)應(yīng)的刀盤(pán)開(kāi)口率將會(huì)較??；頂管機(jī)頂進(jìn)的中間大部分區(qū)域?yàn)閺?qiáng)風(fēng)化或全風(fēng)化凝灰?guī)r和全風(fēng)化花崗巖，遇水黏性強(qiáng)，易糊刀盤(pán)，需要大開(kāi)口，尤其中心部分開(kāi)口率要求大，這與硬巖穿越段滾刀的布置空間產(chǎn)生了巨大矛盾。

2)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高。隨著頂管的往前頂進(jìn)，開(kāi)挖斷面巖層軟硬不一、上軟下硬等情況非常嚴(yán)重，刀盤(pán)開(kāi)挖過(guò)程中，刀盤(pán)整體受力條件差，對(duì)刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高。

3)二次破碎難度大。常規(guī)地鐵泥水平衡盾構(gòu)及大直徑穿江過(guò)河泥水平衡設(shè)備通常配置鄂式碎石機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)二次破碎[12-13]；但在小直徑泥水平衡設(shè)備上找到足夠的空間布置此機(jī)構(gòu)難度大，且受空間局限，如碎石機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障，維修人員難以進(jìn)入對(duì)其實(shí)施清理或維修。刀盤(pán)作為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件與巖塊直接作用部件，是否可通過(guò)刀盤(pán)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)巖塊的二次破碎，成為解決問(wèn)題的一個(gè)突破口。

2 刀盤(pán)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 多梯度二次周邊錐破機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

鑒于常規(guī)泥水平衡盾構(gòu)配置顎式碎石機(jī)對(duì)巖塊進(jìn)行二次破碎，其裝置通過(guò)油缸驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、需求空間大等特點(diǎn)，在小直徑泥水平衡盾構(gòu)或頂管機(jī)上空間布置難以保證。結(jié)合碎石裝置機(jī)械能破碎的5大原理，即擠壓破碎、劈裂破碎、折斷破碎、研磨破碎和沖擊破碎，設(shè)計(jì)出一種多梯度二次周邊錐破機(jī)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 多梯度二次周邊錐破機(jī)構(gòu)Fig. 3 Multi-gradient secondary peripheral cone crushing mechanism

刀盤(pán)支腿通過(guò)法蘭延伸至刀盤(pán)外周處與刀盤(pán)本體連接，且在支腿底部設(shè)置一定厚度的破碎耐磨板。前盾隔板前部沿軸線方向布置破碎錐板，破碎錐板與破碎錐板之間通過(guò)破碎筋板連接。前盾底部區(qū)域的破碎錐板上設(shè)計(jì)錐形過(guò)渣孔，破碎錐板、破碎筋板的傾角與刀盤(pán)支腿上的破碎耐磨板傾角保持一致。多梯度二次周邊錐破機(jī)構(gòu)(刀盤(pán)相關(guān)結(jié)構(gòu))如圖4所示。多梯度二次周邊錐破機(jī)構(gòu)(前盾相關(guān)結(jié)構(gòu))如圖5所示。

圖4 多梯度二次周邊錐破機(jī)構(gòu)(刀盤(pán)相關(guān)結(jié)構(gòu))Fig. 4 Cutterhead structure of multi-gradient secondary peripheral cone crushing mechanism

圖5 多梯度二次周邊錐破機(jī)構(gòu)(前盾相關(guān)結(jié)構(gòu))Fig. 5 Front shield structure of multi-gradient secondary peripheral cone crushing mechanism

巖石通過(guò)刀盤(pán)滾刀擠壓破碎后進(jìn)入泥水艙，巖粒形狀各異、大小不均。為了降低大粒徑巖塊破碎時(shí)沖擊、剪切等作用力發(fā)生突變，給刀盤(pán)、驅(qū)動(dòng)等帶來(lái)大沖擊的風(fēng)險(xiǎn)；減少大粒徑巖塊進(jìn)入泥漿管引發(fā)堵塞排漿管和排漿泵過(guò)載的可能性，又兼顧降低破巖能耗，保證破碎效率等，采用多梯度分級(jí)破碎形式，刀盤(pán)支腿上的破碎耐磨板與破碎錐板、破碎耐磨板與破碎筋板之間設(shè)置不同的間隙，形成不同梯度間隙最終實(shí)現(xiàn)對(duì)不同大小巖塊的分級(jí)破碎，如圖6所示。

(a) 不同刀盤(pán)支腿破碎耐磨板與破碎筋板間隙

(b) 刀盤(pán)支腿1的破碎耐磨板與破碎錐板間隙

(c) 刀盤(pán)支腿2的破碎耐磨板與破碎錐板間隙

(d) 破碎筋板與破碎錐板間隙圖6 多梯度分級(jí)破碎間隙示意圖Fig. 6 Diagram of multi-gradient graded crushing clearance

通過(guò)式(1)建立刀盤(pán)支腿上的破碎耐磨板與破碎錐板、破碎耐磨板與破碎筋板三者間隙與過(guò)渣孔之間的關(guān)系。

(1)

式中：Lm為刀盤(pán)支腿上破碎耐磨板與破碎筋板之間的間隙大小，m為支腿的編號(hào)；Kn為破碎錐板與刀盤(pán)支腿上破碎耐磨板之間的間隙大小，n為不同厚度破碎錐板的編號(hào)；Xn為破碎錐板和破碎筋板之間的間隙大小;φ為錐式過(guò)渣孔的小徑，其值小于排漿管道直徑。

排漿管可通過(guò)最大粒徑為65 mm，共設(shè)置了10、20、30、50、60 mm共5個(gè)梯度間隙，以確保巖渣分級(jí)破碎順利通過(guò)破碎錐板上設(shè)置的過(guò)渣孔。支腿與前盾錐板展平示意如圖7所示。

圖7 支腿與前盾錐板展平示意圖(單位： mm)Fig. 7 Flat drawing of outrigger and front shield cone plate (unit: mm)

2.2 多適應(yīng)性刀盤(pán)主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)

多梯度二次周邊錐破機(jī)構(gòu)的增加，影響刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、刀具布置等。針對(duì)此工程地質(zhì)情況，為實(shí)現(xiàn)高效開(kāi)挖，設(shè)計(jì)2種刀盤(pán)，通過(guò)從刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核分析、刀具的布置及刀具對(duì)刀盤(pán)力學(xué)性能的影響等方面進(jìn)行綜合對(duì)比，使刀盤(pán)地質(zhì)適應(yīng)性實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。

2.2.1 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.2.1.1 輻板式刀盤(pán)結(jié)構(gòu)

采用“主輻臂+小面板”的輻板式刀盤(pán)結(jié)構(gòu)，由不同板厚尺寸的鋼板拼焊而成。刀盤(pán)整體開(kāi)口率可達(dá)35%，滿足在巖層中避免大石塊進(jìn)入泥水艙、在泥礫層中有效保持掌子面穩(wěn)定的需求。刀盤(pán)中心區(qū)域(即： 直徑2 m范圍內(nèi)，陰影部分為開(kāi)口區(qū)域)開(kāi)口率約為35%，如圖8(a)所示。此設(shè)計(jì)可有效降低黏性地層中“結(jié)泥餅”可能性。

圖8 輻板式刀盤(pán)圖Fig. 8 Spoke-plate cutterhead

采用8支腿均勻分布，傳遞推力和轉(zhuǎn)矩。受刀具布置、刀具更換所需空間等因素的影響，各支腿結(jié)構(gòu)形式、尺寸大小不一。如圖8 (b)所示，紫色區(qū)域?yàn)橹扰c刀盤(pán)本體連接位置及大小。作為多梯度二次周邊錐破機(jī)構(gòu)的主動(dòng)破碎部件，其中6個(gè)支腿(1#—6#)延伸至刀盤(pán)周邊區(qū)域，與前盾處破碎錐板、破碎筋板組合實(shí)現(xiàn)二次破巖；另2個(gè)支腿(7#—8#)主要起支撐作用，連接于刀盤(pán)中心區(qū)域，有效保證中心區(qū)域的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.2.1.2 面板式刀盤(pán)結(jié)構(gòu)

采用整體面板式刀盤(pán)結(jié)構(gòu)，刀盤(pán)整體開(kāi)口率為28%，且刀盤(pán)中心區(qū)域(直徑2 m范圍內(nèi))開(kāi)口率為15%，如圖9(a)所示。中心滾刀、正面滾刀無(wú)獨(dú)立刀座，直接在厚面板上加工成型，節(jié)省了刀具布置空間。通過(guò)減小刀間距、增加刀具數(shù)量或增大刀具尺寸等方式，在硬巖或極硬巖地質(zhì)的長(zhǎng)距離開(kāi)挖時(shí)具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖9 面板式刀盤(pán)圖Fig. 9 Face-plate cutterhead

采用8支腿支撐方式。受刀具布置、刀具更換所需空間等因素的影響，各支腿分布位置并非均勻分布，各支腿結(jié)構(gòu)形式、尺寸大小根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。如圖9 (b)所示，紫色區(qū)域?yàn)橹扰c刀盤(pán)本體連接位置及大小。為了保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度且滿足附近刀具所需拆裝空間，4#支腿考慮采用“Y”形支腿形式。6個(gè)支腿(1#—6#)實(shí)現(xiàn)二次破巖，2個(gè)支腿(7#—8#)保障中心區(qū)域結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.2.1.3 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

為了確保刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足工程工況，采用有限元法對(duì)2種不同結(jié)構(gòu)形式的刀盤(pán)進(jìn)行靜力學(xué)分析。每個(gè)刀具均施加250 kN載荷，刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)額定轉(zhuǎn)矩為2 257 kN·m，施加于刀盤(pán)的大圓環(huán)外周，全約束刀盤(pán)法蘭背面。輻板式刀盤(pán)Von Mises云圖和變形云圖如圖10所示。面板式刀盤(pán)Von Mises云圖和變形云圖如圖11所示。

(a) Von Mises云圖(單位： MPa) (b) 變形云圖(單位： mm)圖10 輻板式刀盤(pán)Von Mises云圖和變形云圖Fig. 10 Von Mises and deformation nephograms of spoke-plate cutterhead

(a) Von Mises云圖(單位： MPa) (b) 變形云圖(單位： mm)圖11 面板式刀盤(pán)Von Mises云圖和變形云圖Fig. 11 Von Mises and deformation nephograms of face-plate cutterhead

2種刀盤(pán)的最大Von Mises為224.2 MPa，小于刀盤(pán)所用材料Q345的屈服許用應(yīng)力值(254 MPa)，滿足強(qiáng)度要求。刀盤(pán)的最大變形量為1.11 mm，相較于刀盤(pán)直徑(4 400 mm)，其變形量在3‰以下，均符合設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)對(duì)2種類(lèi)型刀盤(pán)進(jìn)行對(duì)比，相較于輻板式刀盤(pán)，面板式刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度有明顯優(yōu)勢(shì)，更適應(yīng)于地質(zhì)復(fù)雜、巖石更強(qiáng)的工程。

2.2.2 刀具配置

2.2.2.1 刀具選型

頂管機(jī)在復(fù)合地層或巖石地層掘進(jìn)，主要通過(guò)滾刀進(jìn)行滾壓破巖。因此，滾刀布置是頂管機(jī)刀盤(pán)設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵內(nèi)容。針對(duì)不同地質(zhì)條件，不同的刀具布置方式，會(huì)產(chǎn)生不同的刀盤(pán)破巖效果，影響刀盤(pán)刀具的使用壽命。為了更方便地對(duì)2種刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行對(duì)比分析，選用相同刀具配置，滾刀直徑為38.1 cm(15 英寸)。刀盤(pán)刀具配置如表2所示。

表2 刀盤(pán)刀具配置表Table 2 Cutter configuration of cutterhead

2.2.2.2 刀具布置形式

受刀盤(pán)的開(kāi)挖直徑、刀具拆裝所需的空間、刀具承載大小等初始條件限制，輻板式刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式中，刀具采用“十”字形布置方式，如圖12(a)所示。面板式刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式，刀具的安裝座在面板上直接機(jī)加而成，可減小空間占用。因此，刀具布置較為靈活，可采用類(lèi)“米”字形布置方式，如圖12 (b)所示。類(lèi)“米”字形布置方式采用相同安裝尺寸、結(jié)構(gòu)形式的刀具，相較于“十”字形布置方式，刀間距可以更小，刀盤(pán)上可布置的刀具數(shù)量也可更多。

(a) 輻板式刀盤(pán) (b) 面板式刀盤(pán)圖12 刀具布置圖Fig. 12 Cutter layout

2.2.2.3 刀具對(duì)刀盤(pán)產(chǎn)生的徑向不平衡力

刀盤(pán)徑向不平衡力的存在會(huì)使刀盤(pán)產(chǎn)生偏心與振動(dòng)，對(duì)刀盤(pán)的掘進(jìn)方向有不利影響。設(shè)備頂進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)并不與掌子面直接接觸，而是通過(guò)滾刀對(duì)巖石進(jìn)行擠壓破碎，刀盤(pán)所受到的有效力為滾刀沿刀盤(pán)Z軸方向的合力，刀盤(pán)延X(jué)、Y軸所受的分力即為徑向不平衡力[14-15]。2種不同刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式、不同刀具類(lèi)型布置下，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)1周，沿X、Y軸方向的徑向不平衡力如圖13所示。

圖13 2種刀盤(pán)X、Y方向不平衡力Fig. 13 Unbalanced force along X and Y directions of two kinds of cutterhead

由圖13可以看出：

1)輻板式刀盤(pán)“十字形”滾刀布置方式，正面滾刀產(chǎn)生的徑向不平衡力較中心滾刀和邊緣滾刀更為顯著。面板式刀盤(pán)類(lèi)“米字形”滾刀布置方式，正面滾刀、邊緣滾刀均產(chǎn)生較大的徑向不平衡力。

2)輻板式刀盤(pán)的“十字形”滾刀布置方式產(chǎn)生的總徑向不平衡力約為31 kN，面板式刀盤(pán)的類(lèi)“米字形”刀盤(pán)布置方式產(chǎn)生的總徑向不平衡力約為23 kN，數(shù)值是單把滾刀(額定承載力為250 kN)承載的9%～13%。由此說(shuō)明這2種結(jié)構(gòu)形式的刀盤(pán)、刀具產(chǎn)生的徑向不平衡力都較小，對(duì)刀盤(pán)整體性能影響小。

2.2.2.4 刀具對(duì)刀盤(pán)產(chǎn)生的傾覆力矩

傾覆力矩的存在，可引起刀盤(pán)延通過(guò)刀盤(pán)中心且垂直于Z軸方向的任意軸線發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這將導(dǎo)致刀盤(pán)和主軸承受力不均，同時(shí)會(huì)加劇對(duì)部分滾刀的磨損，還會(huì)對(duì)挖掘性能和刀盤(pán)壽命產(chǎn)生不利影響。2種不同刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式、不同刀具類(lèi)型布置下，刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)1周，沿X、Y方向的傾覆力矩的大小如圖14所示。

圖14 2種刀盤(pán)X、Y方向傾覆力矩Fig. 14 Overturning moments along X and Y directions of two kinds of cutterhead

由圖14可以看出：

1)2種刀盤(pán)形式，正面滾刀、邊緣滾刀產(chǎn)生的傾覆力矩均較為顯著。

2)輻板式刀盤(pán)的“十字形”滾刀布置方式產(chǎn)生的最大總傾覆力矩約為220 kN·m，面板式刀盤(pán)的類(lèi)“米字形”刀盤(pán)布置方式產(chǎn)生的最大總傾覆力矩約為166 kN·m。總體而言，相較于刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩不足10%，滿足設(shè)計(jì)需求。

2.2.3 其他

除了從刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和刀具布置2方面進(jìn)行對(duì)比分析，刀盤(pán)的其他因素如刀盤(pán)制造精度、成本、周期、后期的維護(hù)改制等也是刀盤(pán)選型不可或缺的評(píng)判依據(jù)。

輻板式刀盤(pán)采用拼焊形式，多人同步作業(yè)，縮短制造周期，且維修改造可實(shí)施性更強(qiáng)。通過(guò)對(duì)上述2種刀盤(pán)多因素的對(duì)比分析，結(jié)合本項(xiàng)目的工程地質(zhì)情況，本工程最終確定選取輻板式刀盤(pán)結(jié)構(gòu)形式。

2.3 可調(diào)節(jié)開(kāi)口技術(shù)

針對(duì)工程區(qū)間地質(zhì)差異性大，中間大部分區(qū)域?yàn)閺?qiáng)風(fēng)化或全風(fēng)化凝灰?guī)r和全風(fēng)化花崗巖，遇水黏性強(qiáng)，易糊刀盤(pán)；始發(fā)、出口兩端為硬巖，需要考慮減少大塊巖渣進(jìn)入刀盤(pán)背部泥水艙，降低二次錐破的負(fù)擔(dān)。為了解決上述問(wèn)題，需考慮采取刀盤(pán)開(kāi)口可調(diào)方式實(shí)現(xiàn)。在始發(fā)、出口兩端，增加刀盤(pán)面板面積，限制大粒徑巖渣進(jìn)入刀盤(pán)背部；在中間區(qū)域，增大刀盤(pán)開(kāi)口，降低刀盤(pán)“結(jié)泥餅”的可能性。本文提出可調(diào)節(jié)開(kāi)口的針對(duì)性設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖15(a))，刀盤(pán)設(shè)置6處可調(diào)節(jié)開(kāi)口部位，通過(guò)拆、裝調(diào)節(jié)開(kāi)口支撐座實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)支撐面積的變化。

(a) 刀盤(pán)處可調(diào)節(jié)開(kāi)口部位 (b) 調(diào)節(jié)開(kāi)口支撐座圖15 可調(diào)節(jié)開(kāi)口設(shè)計(jì)示意圖Fig. 15 Diagram of adjustable opening

調(diào)節(jié)開(kāi)口支撐座由3部分組成(見(jiàn)圖15 (b))，包括調(diào)節(jié)板、連接板和支撐板。連接板上帶通孔，螺栓可通過(guò)其通孔將調(diào)節(jié)開(kāi)口支撐座與刀盤(pán)體連接。

本工程中，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)口支撐座的增設(shè)，刀盤(pán)的開(kāi)口率變化可達(dá)5%左右。針對(duì)實(shí)際工程中的地質(zhì)變化，快速實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)開(kāi)口的調(diào)整，以適應(yīng)掘進(jìn)需求。

3 工程應(yīng)用效果

引綽濟(jì)遼輸水工程項(xiàng)目正在正常開(kāi)挖施工中，日進(jìn)尺約10 m。設(shè)備實(shí)物如圖16所示。設(shè)備掘進(jìn)情況如圖17所示。通過(guò)滾刀的一次破碎和刀盤(pán)的多梯度周邊二次錐破的共同作用，設(shè)備出渣順暢，未出現(xiàn)排漿管堵塞、排漿泵過(guò)載等問(wèn)題。設(shè)備出渣如圖18所示。

圖16 設(shè)備實(shí)物圖Fig. 16 Equipment photograph

(a) 設(shè)備進(jìn)洞掘進(jìn)時(shí)情況 (b) 隧洞成形情況圖17 設(shè)備掘進(jìn)情況Fig. 17 Equipment tunneling photographs

圖18 設(shè)備出渣圖Fig. 18 Muck

完成始發(fā)段硬巖區(qū)間段150 m距離掘進(jìn)后，開(kāi)艙查刀，全盤(pán)滾刀除1把刀具稍有卷邊，其他均正常磨損，磨損量為2～3 mm。滾刀檢測(cè)情況如圖19所示。因硬巖段頂進(jìn)振動(dòng)大，出現(xiàn)刀具連接螺栓松動(dòng)情況，洞內(nèi)復(fù)緊，后續(xù)需加強(qiáng)檢查。后續(xù)進(jìn)入中間段掘進(jìn)時(shí)，根據(jù)情況，可拆卸調(diào)節(jié)開(kāi)口支撐座，增大開(kāi)口率，降低糊刀盤(pán)的風(fēng)險(xiǎn)。

(a) S6—S8中心滾刀 (b) S12正面滾刀 (c) S21邊緣滾刀圖19 滾刀檢測(cè)情況Fig. 19 Disc cutters inspection

總體而言，本設(shè)備在掘進(jìn)中運(yùn)行穩(wěn)定，刀盤(pán)對(duì)工程地質(zhì)具有良好的適應(yīng)性，滿足施工要求。

4 結(jié)論與建議

1)多梯度二次周邊錐破機(jī)構(gòu)針對(duì)小直徑頂管機(jī)具有更廣的適應(yīng)性，采用多級(jí)破碎方式，既降低能耗，又可兼顧滿足破碎效率。

2)輻板式刀盤(pán)結(jié)構(gòu)中心區(qū)域開(kāi)口率大，不易結(jié)泥餅；受刀具整體結(jié)構(gòu)尺寸限制，刀具布置的刀間距較大，更適合于對(duì)開(kāi)口率要求高的復(fù)合軟巖或是上軟下硬等地層；面板式刀盤(pán)采用整體鍛件厚板加工，刀具布置更為靈活，且刀具布置可選擇更小的刀間距，從力學(xué)角度分析，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更強(qiáng)，更適應(yīng)于硬巖或極硬巖地質(zhì)。

3)為了減少設(shè)備在硬巖、極硬巖地層掘進(jìn)中刀盤(pán)由于周期性的不平衡力和傾覆力矩作用而引起刀盤(pán)產(chǎn)生較大的振動(dòng)、刀盤(pán)的偏心姿態(tài)難以控制甚至卡機(jī)等問(wèn)題發(fā)生，滾刀布置時(shí)，可優(yōu)先考慮采用類(lèi)“米字形”方式。

4)針對(duì)工程地質(zhì)差異性大，掌子面不穩(wěn)定的軟土、泥礫地層，可考慮調(diào)節(jié)開(kāi)口式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可調(diào)節(jié)范圍大，操作簡(jiǎn)單。

總之，刀盤(pán)選型，并非單一要素所能決定。需以工程地質(zhì)為基礎(chǔ)，遵循技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)合理的原則，綜合考慮刀盤(pán)的刀具布置、載荷特征、價(jià)格、設(shè)備的重復(fù)再利用等因素，才能匹配更具適應(yīng)性的刀盤(pán)，滿足項(xiàng)目需求。

本文主要依托實(shí)際工程項(xiàng)目進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，解決工程問(wèn)題。下一步，將針對(duì)各關(guān)鍵性技術(shù)開(kāi)展多目標(biāo)優(yōu)化建模分析等，進(jìn)行更深入的理論性研究。