輸水隧道掘進(jìn)機刀盤的設(shè)計研究及應(yīng)用

王秀全，王亞威，于慶增

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

全斷面巖石隧道掘進(jìn)機是一種大型隧道專用機械設(shè)備，其單純依靠硬巖滾刀刀具實現(xiàn)對掌子面滾壓破巖，能同時完成開挖、出渣、支護(hù)等作業(yè)，實現(xiàn)工廠化施工，配合長距離連續(xù)皮帶機技術(shù)，可以完成連續(xù)掘進(jìn)，大大提高隧道的開挖效率[1]。全斷面巖石隧道掘進(jìn)機廣泛應(yīng)用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電隧道工程[2]。但它的存在對地質(zhì)條件的依賴性大、設(shè)備型號一經(jīng)確定后，開挖斷面尺寸較難更改、一次性投資較大的劣勢。因此，設(shè)備選型是工程籌劃階段的一項重要工作。

全斷面巖石隧道掘進(jìn)機選型和結(jié)構(gòu)特點的選擇，主要根據(jù)工地現(xiàn)場地質(zhì)條件、施工環(huán)境、經(jīng)濟性、使用要求等因素確定。刀盤是掘進(jìn)機關(guān)鍵核心部件之一，具有開挖、穩(wěn)定掌子面、出渣等功能。刀盤對提高掘進(jìn)機破巖能力和掘進(jìn)效率，降低挖掘成本具有重要作用，是影響掘進(jìn)性能的決定性因素[3]。刀盤性能直接決定掘進(jìn)機主要功能的實現(xiàn)，刀盤設(shè)計的主要內(nèi)容包括刀具選擇、刀盤主要參數(shù)設(shè)計、刀具布置、刀盤盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計，與其他部件的接口設(shè)計[4]。因此，掌握刀盤設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)，對提高自主創(chuàng)新設(shè)計與制造能力，具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 工程概況

某抽水蓄能項目位于山東省，電站裝機容量1 800MW，利用電力負(fù)荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫發(fā)電的發(fā)電站。上層、中層、下層排水廊道施工均采用TBM 開挖，上層排水廊道長度926m，中層排水廊道長度639m，下層排水廊道839m，總長2.4km，開挖直徑3.53m。工程隧洞圍巖完整性好，II、III 類圍巖占比超過90%，RQD 值70%～80%；主要由石英二長巖、二長花崗巖組成，抗壓強度100～130MPa，石英含量50%～60%。

2 刀盤整體設(shè)計

根據(jù)工程地質(zhì)狀況和開挖直徑要求，刀盤必須具有高效破巖能力、盤體具有高強度，強耐磨的特點。采用整體式結(jié)構(gòu)形式，新刀開挖直徑3 530mm，盤體結(jié)構(gòu)鋼材選用Q355D，采用17 寸滾刀，布置中心滾刀6 把，正滾刀12 把，邊滾刀8 把，4 個渣口，6 個噴水孔。刀盤盤體采用箱體結(jié)構(gòu)焊接而成。刀具均采用背部安裝方式。

2.1 刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計

刀盤是鋼結(jié)構(gòu)焊接件，由前面板、弧板、大圓環(huán)、小圓環(huán)、錐板、背面板、背板、溜渣板、刀梁板、法蘭等焊接而成。

為了實現(xiàn)盤體結(jié)構(gòu)具有高強度和良好的韌性，選取具有較高強度、良好韌性，并具有良好焊接性的鋼材。前面板與刀箱、背面板焊接組成單元箱形結(jié)構(gòu)，具有良好的承載性能。刀盤盤體是大型焊接式箱形結(jié)構(gòu)，使刀盤整體具有較高剛度和強度，提高刀盤的疲勞壽命。

法蘭是刀盤與主驅(qū)動連接的關(guān)鍵零件，傳遞推進(jìn)系統(tǒng)所提供的推力，并驅(qū)動刀盤旋轉(zhuǎn)。法蘭的高可靠性直接影響刀盤受力情況的好壞，為提高法蘭的剛度和強度，法蘭采用鍛件，使法蘭在圓周方向上受力均勻，避免應(yīng)力集中。

在保證有效換刀空間的前提下，在邊刀刀座背部，設(shè)計支撐筋板，形成箱型結(jié)構(gòu)，增強刀座的承載能力，提高刀座的整體剛度和強度，延長刀座的使用壽命。

2.2 刀座刀具設(shè)計

滾刀非線性布置，能夠使刀具載荷傳遞均勻，避免出現(xiàn)較大應(yīng)力突變，有利于延長刀盤使用壽命。刀盤振動相對較小，有利于降低刀具消耗。

在刀座焊接到盤體后，對刀座進(jìn)行整體精加工，避免由于焊接產(chǎn)生應(yīng)力變形，造成刀具與刀座配合精度降低，從而提高刀座和刀具的使用壽命。

單刃滾刀和中心滾刀，均采用背部安裝結(jié)構(gòu)形式，楔塊拉緊固定，具有穩(wěn)定可靠，方便拆卸和更換刀具的優(yōu)點。

2.3 刀間距設(shè)計

根據(jù)工程地質(zhì)狀況和類似工程的成功應(yīng)用案例，按照高效破巖和最小刀具損耗的原則，經(jīng)過計算，共布置26 把滾刀，中心刀刀間距84mm，正滾刀刀間距75mm。

2.4 刮渣裝置設(shè)計

進(jìn)渣口是剝落下來的巖石的輸出通道。在刀盤盤體周邊上共設(shè)計4 個進(jìn)渣口（圖1），確保具有足夠的出渣能力，有效避免由于渣石堆積造成對盤體和刀具的二次磨損。進(jìn)渣口處焊接有刮渣座，并通過螺栓連接刮渣板，刮渣板具有良好的耐磨性，磨損后可以方便更換。進(jìn)渣口前面焊接有格柵板，用來限制大粒徑巖石進(jìn)入進(jìn)渣口。

圖1 進(jìn)渣口結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 耐磨保護(hù)設(shè)計

在確保刀盤盤體具有較高強度和良好韌性的前提下，為了提高盤體的使用壽命，需要對盤體表面焊接耐磨保護(hù)層，避免巖石直接與盤體接觸，對盤體造成磨損。

在刀盤前面板、圓弧過渡板、大圓環(huán)、小圓環(huán)、圓錐板、進(jìn)渣口、噴水裝置防護(hù)塊等位置，均需進(jìn)行耐磨保護(hù)設(shè)計，用來保護(hù)盤體結(jié)構(gòu)（圖2）。耐磨保護(hù)材料要滿足耐磨沖擊要求和良好可焊接性要求。對邊刀座凸出盤體部分堆焊耐磨保護(hù)焊層，避免巖石直接磨損刀座。在刀盤旋轉(zhuǎn)方向上的滾刀前方，焊接刀具保護(hù)塊，減小渣石對滾刀的二次磨損和沖擊。

圖2 耐磨保護(hù)裝置示意圖

2.6 降溫除塵設(shè)計

在刀盤面板上設(shè)置6 個噴水口，能夠覆蓋刀盤的整個開挖面，起到?jīng)_刷掌子面粉塵和冷卻刀具的功能，從而延長刀具使用壽命，凈化刀盤區(qū)域的工作環(huán)境。噴水裝置采用背部安裝結(jié)構(gòu)形式，噴水套筒能夠從刀盤背面板抽出，方便現(xiàn)場檢修和更換。

3 強度校核

刀盤是掘進(jìn)機關(guān)鍵核心部件，其可靠性就顯得尤為重要，因此需要對刀盤盤體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強度校核。按照方案設(shè)計，創(chuàng)建的刀盤盤體三維模型，按照模型網(wǎng)格劃分的規(guī)則，對刀盤盤體模型進(jìn)行局部簡化。對盤體模型整體施加扭矩和推力，約束刀盤法蘭連接面的全部自由度作為位移邊界條件。

盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計所用鋼材為Q355D，材料的許用應(yīng)力為295MPa，經(jīng)計算，盤體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)和變形量，均滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

項目已于2020 年9 月實現(xiàn)全隧貫通，經(jīng)現(xiàn)場查看，刀盤盤體結(jié)構(gòu)良好，沒有出現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)的異常損壞情況，甚至在掘進(jìn)過程中，巖石抗壓強度達(dá)到近200MPa，也能夠?qū)崿F(xiàn)安全掘進(jìn)。

根據(jù)本工程項目刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)用情況，結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域工程項目成功應(yīng)用案例，對刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計總結(jié)如下。

破巖和出渣是刀盤的主要功能，刀具選型和布置是關(guān)鍵，直接影響掘進(jìn)機破巖效率。綜合考慮刀具和出渣口布置，使破巖和出渣能力相匹配。盤體結(jié)構(gòu)的設(shè)計強度是刀盤高可靠性、高強度、高耐久性的基本保障。耐磨防護(hù)設(shè)計和噴水裝置是實現(xiàn)高效持久開挖的必要輔助功能。