無刀盤土壓平衡盾構(gòu)概念性設(shè)計

李建斌，王 鍇

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

0 引言

目前，國內(nèi)外既有土壓平衡盾構(gòu)均采用刀盤-刀具切削系統(tǒng)。根據(jù)地質(zhì)條件和工程條件的需要，在刀盤上安裝有滾刀、切刀、刮刀等各種刀具。刀具隨著刀盤的運動而運動，本身不做主動自轉(zhuǎn)。由于刀盤的運動速率很低（每min幾轉(zhuǎn)），因而刀具的切削線速度也很低，這就制約了切削效率的提高。同時，由于刀具在刀盤上所處的位置不同，各個刀具的切削線速度存在很大差異，因而使用壽命也存在很大差異。文獻［1-4］對開挖異形斷面隧道的全斷面盾構(gòu)的刀盤驅(qū)動機構(gòu)進行了分析，需要復(fù)雜的運動學機構(gòu)或隨動系統(tǒng)的支撐才能實現(xiàn)異形斷面的開挖。文獻［5-10］提供了采用懸臂式掘進機實現(xiàn)異形斷面開挖的方法，但施工效率低，且不具備穩(wěn)定開挖面的功能，在軟弱地層中容易造成開挖面坍塌現(xiàn)象。

針對目前采用刀盤-刀具的土壓平衡盾構(gòu)存在的缺陷，吸納懸臂式掘進機的優(yōu)點，創(chuàng)新一種無刀盤土壓平衡盾構(gòu)，既能實現(xiàn)異形斷面的開挖，又具備穩(wěn)定開挖面的功能，同時由于不設(shè)置刀盤，每個刀具能獨立主動自轉(zhuǎn)，提高了切削線速度，從而提高了切削效率且刀具的使用壽命均衡。

1 功能設(shè)計

1.1 切削效率高

刀具的切削效率與刀具的線速度緊密相關(guān)。以直徑為4 m的有刀盤單圓盾構(gòu)為例，其適中轉(zhuǎn)速為3 r/min，那么安裝在刀盤上的刀具的平均切削線速度為0.314 m/s。而采用無刀盤且刀具獨立主動自轉(zhuǎn)的方式，切削刀具的適中轉(zhuǎn)速為30 r/min，切削刀具的回轉(zhuǎn)半徑若設(shè)為400 mm，則截齒的切削線速度可達1.256 m/s，為前者的4倍，可大大提高刀具的切削效率。

1.2 刀具壽命均衡

對于有刀盤盾構(gòu)，由于布置在刀盤上的各個刀具的徑向位置不同，因而各個刀具隨刀盤轉(zhuǎn)動所經(jīng)歷的路徑長度也不同，勢必造成刀具的磨損速度也不相同。靠近刀盤外圈的刀具磨損快，靠近刀盤內(nèi)圈的刀具磨損慢，這樣會增加換刀的次數(shù)，影響施工效率。

而無刀盤盾構(gòu)，采用每個刀具獨立主動自轉(zhuǎn)的方式，全部刀具主動自轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速相同，因而所有刀具的切削線速度也基本相同，使用壽命非常接近，這樣可實現(xiàn)批量式整體換刀，大大節(jié)省換刀時間，提高盾構(gòu)掘進效率。

1.3 無需滾動糾偏

對于有刀盤盾構(gòu)，由于刀盤的轉(zhuǎn)動慣量很大，有可能使盾體沿刀盤旋轉(zhuǎn)反方向滾動。為了糾正這種滾動偏差，只有使刀盤反轉(zhuǎn)。如此反復(fù)進行刀盤的正反轉(zhuǎn)操作，雖然可以穩(wěn)定盾構(gòu)的掘進方向，但存在著一定的操控難度。若掌握不好，會使掘進方向出現(xiàn)較大偏差。

采用相鄰刀軸反向旋轉(zhuǎn)的方式，可以平衡不同刀軸刀具之間的旋轉(zhuǎn)慣性力，避免出現(xiàn)盾體滾動，因此無需進行滾動糾偏。

1.4 適用于各種隧道斷面

對于有刀盤盾構(gòu)，最為適應(yīng)的是圓形斷面。對于矩形、橢圓形等異形斷面，則必須通過復(fù)雜的曲柄連桿機構(gòu)、擺動機構(gòu)或仿形機構(gòu)來控制刀具的切削軌跡。而對于無刀盤矩陣式布刀的盾構(gòu)，只需改變矩陣排列的形式，即可適應(yīng)各種復(fù)雜形狀的隧道斷面。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

以適用于矩形斷面隧道的無刀盤土壓平衡盾構(gòu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計為例，說明以上功能是如何實現(xiàn)的。

圖1和圖2為矩形無刀盤土壓平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖，主要由切削系統(tǒng)、滑移機構(gòu)、渣土輸送系統(tǒng)、土壓平衡系統(tǒng)、護盾系統(tǒng)、推進系統(tǒng)及空氣保壓系統(tǒng)等組成。

切削系統(tǒng)由截齒1、刀具2、刀具傳動軸3、分動箱4、減速機5和驅(qū)動電機6組成。驅(qū)動電機（或液壓馬達）通過減速機、分動箱、傳動軸將動力傳遞給刀具。刀具實現(xiàn)自轉(zhuǎn)，同時隨盾體一起沿掘進方向移動，切削巖土。分動箱將驅(qū)動電機的動力分配給多個刀具。分動箱為一分四結(jié)構(gòu)，即1個驅(qū)動馬達可同時驅(qū)動4個切削刀具旋轉(zhuǎn)。也可根據(jù)設(shè)計的需要選用1個驅(qū)動馬達同時驅(qū)動2，3，5個或其他數(shù)量的切削刀具旋轉(zhuǎn)。在截齒對隧道開挖面進行切削的過程中，由于地層被擾動，可能會出現(xiàn)坍塌，因此必須采取措施，對開挖面進行支護。矩形無刀盤土壓平衡盾構(gòu)是通過土壓平衡系統(tǒng)對掌子面進行支護。土壓平衡系統(tǒng)由土壓平衡艙9、前盾20、固定隔板19和移動隔板18等部分組成。調(diào)節(jié)切削刀具的切削速度和渣土輸送機11的排渣速度，可使土艙內(nèi)保存一定數(shù)量的渣土，渣土存量的大小取決于切削速度和排渣速度的配合。存量渣土起到傳力介質(zhì)的作用，通過它將推進油缸25的推力向前傳遞到開挖面上，以平衡盾構(gòu)前方的水土壓力，起到防止坍塌的作用。渣土輸送系統(tǒng)由螺旋集渣器10、渣土輸送機11、渣土輸送驅(qū)動馬達12和渣土輸送減速機13組成。集渣器用于收集刀具切削下來的渣土，通過渣土輸送機將渣土從土壓平衡艙輸送到中盾后部料艙，由主運輸皮帶機輸送到洞外。渣土輸送機由電機通過減速機驅(qū)動。

圖1 矩形無刀盤土壓平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure of rectangular non-cutterhead EPB shield

圖2 矩形無刀盤土壓平衡盾構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure of rectangular non-cutterhead EPB shield

當切削到一定距離后，截齒損耗嚴重，當截齒磨損量超限時，必須更換截齒?；茩C構(gòu)和空氣保壓系統(tǒng)就是為更換截齒而設(shè)計的裝置?；茩C構(gòu)由拖拉油缸14、滑軌15和滑動支架16等組成。空氣保壓系統(tǒng)由人行閘門7，氣壓過渡艙8、中盾隔板22和止回閥23組成。更換截齒時，首先將土壓平衡艙內(nèi)的渣土排空，然后松掉緊固螺栓17，使土壓平衡艙活動隔板18與固定隔板19及前盾20的連接脫開，通過拖拉油缸14的回縮，帶動滑動支架16和上半部分的驅(qū)動裝置以及刀具沿滑軌15向后移動一定的距離，現(xiàn)場作業(yè)人員即可從活動隔板18和固定隔板19之間的空隙進入到土壓平衡艙9內(nèi)對截齒進行更換。為了保護換刀作業(yè)人員的安全，在中盾隔板上設(shè)有止回閥23。根據(jù)開挖面的地質(zhì)情況，通過止回閥向中盾隔板22前方的密閉空間注入0～300 kPa的壓縮空氣，用來平衡開挖面的水土壓力，防止坍塌。為了防止換刀、維修作業(yè)人員患氣壓病，不允許直接從高壓環(huán)境進入大氣環(huán)境，必須經(jīng)過氣壓過渡艙8的過渡。

盾構(gòu)沿掘進方向移動依靠護盾系統(tǒng)和推進系統(tǒng)來完成。護盾系統(tǒng)由前盾20、中盾21和尾盾24組成，護盾系統(tǒng)對開挖面實施臨時防護，用于保護內(nèi)部設(shè)備和鋪設(shè)管片。推進系統(tǒng)由推進油缸和襯砌管片組成。推進油缸作用在襯砌管片上，由于襯砌管片通過漿液的凝固與隧道洞壁固結(jié)在一起，因此它所提供的支反力可以迫使推進油缸帶動整個護盾系統(tǒng)向前推進，同時帶動切削刀具實現(xiàn)縱向進給運動。

切削刀具2在與前盾垂直的橫截面上的投影呈矩陣式排列（見圖3），圖3中的實線圓為切削刀具2的正投影，雙點劃線圓1為截齒的最大半徑切削軌跡。從圖3可以看出，切削刀具2的切削軌跡基本上可以覆蓋隧道的整個開挖斷面。相鄰刀具之間的小盲區(qū)中的土體，可在刀具的擾動與土壓艙隔板的擠壓下自然坍塌。盾構(gòu)除可以制造成矩形外，還可制造成圓形、多邊形、橢圓形等各種形狀，用于開挖各種斷面形狀的隧道。無刀盤土壓平衡盾構(gòu)的切削刀具無需刀盤的支承，所有刀具均由動力傳動裝置直接驅(qū)動，實現(xiàn)獨立主動自轉(zhuǎn)。

圖3 無刀盤矩形盾構(gòu)的布刀示意圖Fig.3 Layout of cutting tools of rectangular non-cutterhead EPB shield

3 設(shè)備結(jié)構(gòu)及特點分析

無刀盤土壓平衡盾構(gòu)，是在分析常規(guī)土壓平衡盾構(gòu)存在缺陷的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新和工藝上的改進形成的一種概念性設(shè)計，主要有以下特點：

1）將常規(guī)土壓平衡盾構(gòu)的整體式大刀盤切削，分解成局部的小刀具獨立運動和切削。從而避免了刀具由于受刀盤直徑的影響，刀具切削速度急劇變化，導致刀具磨損不均的情況。同時可提高刀具的轉(zhuǎn)速，從而提高盾構(gòu)整體的切削效率。

2）各刀具任意組合，可根據(jù)客戶需要切割任意形狀的斷面。

3）各刀具獨立運動，相鄰刀具旋轉(zhuǎn)方向相反，相互抵消了不同刀軸刀具之間的旋轉(zhuǎn)慣性力，避免了常規(guī)土壓平衡盾構(gòu)盾體受刀盤切削力的影響出現(xiàn)反方向滾動的問題。

4 結(jié)論與討論

無刀盤土壓平衡盾構(gòu)，是針對軟巖地質(zhì)條件而設(shè)計的一種新型盾構(gòu)概念性設(shè)計，具有切削效率高，刀具磨損均勻，整機轉(zhuǎn)動慣量小、可切削任意斷面等優(yōu)點，改變了傳統(tǒng)的土壓平衡盾構(gòu)的切削方式和結(jié)構(gòu)形式，它克服了傳統(tǒng)土壓平衡盾構(gòu)刀具切削效率低、磨損不均勻、刀盤轉(zhuǎn)動慣量大等不足。但同時也存在一些技術(shù)難題：

1）每個刀具獨立運轉(zhuǎn)，雖然易于提高切削速度，但整個切削刀具的傳動系統(tǒng)較復(fù)雜，傳動系統(tǒng)的高可靠性是設(shè)備良好運行的基礎(chǔ)。

2）每個刀具具有獨立的集渣系統(tǒng)，集渣系統(tǒng)與刀具的傳動系統(tǒng)占用較多的設(shè)備空間，為設(shè)備檢修造成一定的困難。

3）各刀具之間存在一定的切割盲區(qū)，且隨著刀具直徑的增加，切割盲區(qū)尺寸增大。這使無刀盤土壓平衡盾構(gòu)在地質(zhì)適應(yīng)性上受到一定的制約。

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