淺談TBM刀盤的進出渣設計

翟國強，張玉鋒

ZHAI Guo-Qiang,ZHANG Yu-Feng

（中鐵裝備制造有限公司，河南 鄭州 450016）

TBM是集開挖掘進、渣土轉運、通風除塵、襯砌施工等有序工作于一體的高集成隧道施工設備。針對TBM 的研究，國內還處在探索試制階段，TBM 刀盤作為主機重要部件成為研制的關鍵。TBM 刀盤目前多為平面型，該設計有利于保持掌子面的穩(wěn)定，減少破碎石渣與滾刀發(fā)生卡恰和二次磨損。刀盤整體開口率主要集中在刮渣位置，渣土的流動性與刮渣板的設計有關。刮渣板的容渣量和流動通道是提高TBM 刀盤掘進效率的重要一環(huán)。本文主要探索TBM 刀盤進出渣的設計理論，為進一步的刀盤設計和施工提供理論支持。

1 TBM刀盤進出渣設計

TBM 刀盤是利用盤型滾刀的剪切和擠壓破碎巖石的原理來完成硬巖隧道的開挖掘進工作。伴隨刀盤旋轉和推進，滾刀貫入巖石，巖石破裂，形成的裂紋擴展連通，使得石渣從巖體剝落下來。由于刀盤平面與掌子面的間隙，剝落的石渣集中在刀盤的前下部。石渣進入到刀盤的內部，經(jīng)集渣斗轉運到主機皮帶機上，再連續(xù)轉運到后配套皮帶機上，最終通過連續(xù)皮帶機或礦車運出洞外。在這里我們做出如下的假設來驗證計算。

1）刀盤純轉動 刀盤實際的運動軌跡為螺旋線，文中簡化計算了刀盤轉動1 周所完成進出渣量的設計。目的是建立開挖與轉運石渣量等式理論模型。

2）刀圈的貫入度一致 滾刀的貫入度設計是綜合地質參數(shù)和機器性能參數(shù)而確定的，一般為2～20mm/r。計算中需考慮工程地質圍巖等級，巖石的平均單軸抗壓強度。目前工程中多使用19英寸的準等厚刀圈，來保持刀圈與巖石的接觸面積在磨損期內為常值，無需增大推力或減小掘進速度，保持貫入度的一致。

1.1 開挖石渣量計算

在刀盤轉動一周的情況下，破碎的石渣量為

A=πD2/4，D為刀盤開挖直徑；

式中 Vk——開挖石渣量；

A——掌子面面積；

h——刀圈的貫入度。

1.2 掌子面堆渣高度

假設破碎的石渣在重力作用下全部剝落堆積到掌子面的下部，圖1 陰影部分即為開挖石渣的堆積模擬狀態(tài)。刀盤轉動一周時，該處堆積的石渣量與開挖量相等，即

式中 Vp——破碎石渣堆積的體積；

H——刀具距離刀盤面板的高度；

圖1 堆渣模擬圖

S——石渣堆積的面積。

可見破碎堆積的石渣在進入到刀盤的內部時，會對圖1 陰影部分的滾刀造成二次磨損，合理快速的出渣通道能有效的減少刀盤和刀具的磨損，減少換刀維護時間，提高掘進效率。

1.3 刮渣板的布置形式

雙向刮渣板設計可以減小盾體發(fā)生翻轉的可能性，增強主機的穩(wěn)定性。刮渣組沿著周向均勻布置，有利于出渣均勻性和刀盤的受力平衡。如圖2 所示。刮渣板磨損的快慢與破碎的石渣量、巖石的磨礪性、距離破巖面的間隙、刀圈磨損的速度等有關。如圖3 所示為設計刮渣板形式，采用螺栓連接，由10 塊刮渣板連接而成。

圖2 刀盤刮渣組設計圖

圖3 刮渣板設計圖

1.4 渣板后的容渣量設計

TBM 掘進施工中，刮渣板一方面要滿足運出石渣的要求，另一方面需考慮更換維護的方便。容渣量設計應充分考慮石渣量、刀盤結構、施工效率等因素。石渣在刮渣板后成自然堆放狀態(tài)。在刀盤轉動1 周時，完成完整的刮渣、出渣的刮渣組數(shù)量為刮渣組設計數(shù)量的一半，故刮渣板的容渣量應滿足

式中 Vg——刮渣板的容渣量；

Sg——刮渣板后的石渣面積；

Hg——刮渣板的高度；

n——刮渣組的數(shù)量。

1.5 刀盤容渣設計

進入刀盤的石渣，除停留在刮渣板的容渣區(qū)，還增加了刀盤存渣的設計來保證石渣的進入量。結合刮渣板布置形式和刀盤結構設計的刀盤存渣區(qū)域如圖4 所示。

圖4 刀盤容渣設計圖

1.6 刀盤背面的出渣設計

石渣通過刮渣板進入刀盤內部，集中在刀盤的存渣區(qū)和溜渣板上，隨著刀盤的轉動，石渣由于重力和慣性的作用向集渣斗移動，最后經(jīng)集渣斗轉運到主機皮帶上，從而運出洞外。

進入刀盤的石渣能否順利的運出，需要考慮的因素有：刀盤轉速、推進的速度、溜渣板的設計、集渣斗的設計等。如圖5 所示，假設石渣隨刀盤均勻轉動，TBM 刀盤使用工況，工作狀態(tài)的常規(guī)轉速為8～9rpm 刀盤的振動極小，石渣在溜渣板上順利流下的的條件是

根據(jù)受力分析有

式中 ω——刀盤的轉速；

a——刀盤轉動時石渣開始下滑的角度值；

G——石渣所受的重力；

圖5 石渣受力圖

μ——石渣與金屬材料鋼之間的摩擦系數(shù)；

f——摩擦力；

F——支持力；

r——溜渣板的長度。

2 案例分析驗證

以甘肅引洮供水施工中TBM 刀盤進出渣設計為例進行分析驗證，其中：刀盤開挖直徑D為5.75m，刀圈的貫入度h為0.01m,刀具距離刀盤面板的高度H為0.17m,刀盤設計有6 個刮渣組，刮渣板投影面積Sg為0.46m2，刀盤的轉速為5～12rpm，石渣與金屬材料鋼之間的摩擦系數(shù)μ為0.4。驗證計算如下。

刀盤轉動一周的開挖量

陰影部分的面積

由圖1 所示幾何關系

經(jīng)推導，計算得掌子面堆渣高度L=0.65m，要求刮渣板設計高度應大于堆渣高度，案例中刮渣板的設計高度為0.775m，滿足設計要求。

刮渣板后的容渣量

刀盤容渣量

刀盤轉動一周的總出渣量

V總=Vg+Vd=0.207+0.075=0.282m3

可見V總>Vk，能夠滿足刀盤旋轉出渣要求。

3 存在的問題及未來研究的方向

文中TBM 刀盤進出渣的設計計算，希望對提高刀盤結構的設計水平、改善刀盤的掘進效率、減少刀具的磨損等提供支持。但是由于文中對石渣的簡化和刀盤推進影響的忽略，設計計算有待進一步的深入研究。

1）不同地質所挖掘石渣的特性和流動狀態(tài)，如何進入到刀盤內部以及石渣與刀盤接觸區(qū)域的堆積狀態(tài)等問題，還只是定性的分析，沒有有效的理論指導。

2）刀盤的實際運動軌跡為螺旋線，而文中的假設分析為均勻的圓周。石渣在兩種軌跡下的進入量和流動性的區(qū)別，都是值得深入研究的課題。

4 結 論

隨著我國水利水電和國防事業(yè)的發(fā)展，大中型的全斷面硬巖掘進機的研制和需求，成為亟待解決的問題。通過參考和分析國內成功的TBM刀盤案例，總結出了TBM 刀盤進出渣設計計算的方法，取得了以下的結論。

1）以某一工程案例為背景，對提供的刀盤的刮渣板和溜槽的設計方案進行理論的校核和驗證，提出刮渣板的設計長度應大于刀盤開挖的堆渣高度值。

2）刮渣板的數(shù)量和存渣區(qū)域空間設計是滿足刀盤高效掘進的重要組成。

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