引綽濟遼輸水工程頂管機刀盤關鍵技術研究

薛 靜

(中國鐵建重工集團股份有限公司， 湖南 長沙 410100)

0 引言

隨著城市建設步伐的不斷加快，地下燃氣管道的敷設、地下排污工程的建設、電力及水利等管網(wǎng)的搭建或改造也隨之越來越多。小直徑泥水平衡頂管機安全、可靠、施工效率高、對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)勢更為突顯。相較于小直徑土壓平衡頂管機，小直徑泥水平衡頂管機通過泥漿環(huán)流排渣，受空間布局影響更小，適用性更廣，成為眾多工程項目施工方的熱門選擇。

刀盤作為頂管機的關鍵性部件，直接作用于隧洞掌子面。刀盤除刀具需要根據(jù)地質進行針對性配置，其刀盤結構形式的選擇也尤為關鍵。針對復合地層，如遇“上軟下硬”地層，或“硬中夾軟”“軟中夾孤”等復雜地層，又或是整段區(qū)間前后地質軟硬差異明顯，刀盤結構形式是否滿足需求，直接影響到設備是否能確保開挖面的穩(wěn)定、設備是否能正常運行以及掘進速度是否達到需求等。

針對上述問題，前人在刀盤結構形式、刀盤綜合性能評價等方面已開展了一些研究。如： 韓旭等[1]、滕宏偉等[2]針對不同地層條件，對復合式土壓平衡盾構刀盤結構形式以及區(qū)間掘進參數(shù)進行了研究，且對盾構刀盤與不同地層的適應性進行了評價； 聶瑞等[3]針對北京砂卵石地層，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，對高強度盾構刀盤結構進行優(yōu)化； 暨智勇[5]在保證刀盤結構強度符合工程要求的條件下，開展了軟土常壓刀盤結構特征設計，分析盤體結構對渣土流動性的影響，并基于靈活度分析方法對盤體結構進行了優(yōu)化及評價； 夏毅敏等[6]從刀盤的結構性能、刀具布置性能、力學性能、經濟性、安全可靠性和環(huán)境適應性等方面，通過模糊綜合評價和模糊優(yōu)劣解距離決策法建立了復合刀盤綜合性能評價指標體系； 肖京[7]采用模糊理論，形成了一套適用巖溶發(fā)育區(qū)復合地層中盾構刀盤刀具選型的方法； 劉建琴等[8]從刀具破巖機制、刀盤布局設計及掘進性能評價3方面提出了刀盤結構性能評價研究需要解決的關鍵問題。

上述研究主要是針對常規(guī)或大直徑刀盤開展的一系列研究，但有關小直徑刀盤相關結構研究涉及較少。如： 李健[9]、李沖等[10]通過采用Ansys對小直徑軟土刀盤進行靜力學結構分析，優(yōu)化刀盤結構薄弱部位，主要還是從強度方向開展的單一分析； 潘振學等[11]對泥水平衡頂管機刀盤的推力和轉矩計算模型進行了修正。目前還未有其他文獻對小直徑泥水盾構或頂管上的刀盤從多維度開展綜合性的研究。

本文依托引綽濟遼輸水工程項目，針對工程中的重難點問題，對頂管機刀盤關鍵技術開展逐一的適應性研究，通過綜合對比分析，選擇地質適應性強、綜合性能好、功能全面的頂管機刀盤。

1 依托工程介紹

1.1 工程概況

引綽濟遼輸水工程項目，選用泥水頂管機進行施工，開挖直徑為4 400 mm，掘進距離約950 m。主要穿越地質為強風化/全風化/中風化的凝灰?guī)r、泥礫和全風化的花崗巖。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 刀盤設計重難點分析

本項目主要面臨單頂頂進距離長、穿越地質多變且兩級差異明顯、受限于結構空間卻又需滿足多功能要求等難題。要使刀盤的選型設計滿足地質適應性的最大化，主要存在的技術難點如下。

1)地質多變。頂管機在始發(fā)端與接收端，均穿越中風化凝灰?guī)r，強度接近100 MPa。為了滿足破巖要求，刀盤上滾刀所需的刀間距小，刀具數(shù)量多，對應的刀盤開口率將會較?。豁敼軝C頂進的中間大部分區(qū)域為強風化或全風化凝灰?guī)r和全風化花崗巖，遇水黏性強，易糊刀盤，需要大開口，尤其中心部分開口率要求大，這與硬巖穿越段滾刀的布置空間產生了巨大矛盾。

2)結構強度要求高。隨著頂管的往前頂進，開挖斷面巖層軟硬不一、上軟下硬等情況非常嚴重，刀盤開挖過程中，刀盤整體受力條件差，對刀盤的結構強度要求高。

3)二次破碎難度大。常規(guī)地鐵泥水平衡盾構及大直徑穿江過河泥水平衡設備通常配置鄂式碎石機構實現(xiàn)二次破碎[12-13]；但在小直徑泥水平衡設備上找到足夠的空間布置此機構難度大，且受空間局限，如碎石機構出現(xiàn)故障，維修人員難以進入對其實施清理或維修。刀盤作為旋轉運動部件與巖塊直接作用部件，是否可通過刀盤的運動實現(xiàn)對巖塊的二次破碎，成為解決問題的一個突破口。

2 刀盤關鍵技術研究

2.1 多梯度二次周邊錐破機構設計技術

鑒于常規(guī)泥水平衡盾構配置顎式碎石機對巖塊進行二次破碎，其裝置通過油缸驅動，結構復雜、需求空間大等特點，在小直徑泥水平衡盾構或頂管機上空間布置難以保證。結合碎石裝置機械能破碎的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，設計出一種多梯度二次周邊錐破機構，如圖3所示。

圖3 多梯度二次周邊錐破機構Fig. 3 Multi-gradient secondary peripheral cone crushing mechanism

刀盤支腿通過法蘭延伸至刀盤外周處與刀盤本體連接，且在支腿底部設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破碎筋板連接。前盾底部區(qū)域的破碎錐板上設計錐形過渣孔，破碎錐板、破碎筋板的傾角與刀盤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構(刀盤相關結構)如圖4所示。多梯度二次周邊錐破機構(前盾相關結構)如圖5所示。

圖4 多梯度二次周邊錐破機構(刀盤相關結構)Fig. 4 Cutterhead structure of multi-gradient secondary peripheral cone crushing mechanism

圖5 多梯度二次周邊錐破機構(前盾相關結構)Fig. 5 Front shield structure of multi-gradient secondary peripheral cone crushing mechanism

巖石通過刀盤滾刀擠壓破碎后進入泥水艙，巖粒形狀各異、大小不均。為了降低大粒徑巖塊破碎時沖擊、剪切等作用力發(fā)生突變，給刀盤、驅動等帶來大沖擊的風險；減少大粒徑巖塊進入泥漿管引發(fā)堵塞排漿管和排漿泵過載的可能性，又兼顧降低破巖能耗，保證破碎效率等，采用多梯度分級破碎形式，刀盤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置不同的間隙，形成不同梯度間隙最終實現(xiàn)對不同大小巖塊的分級破碎，如圖6所示。

(a) 不同刀盤支腿破碎耐磨板與破碎筋板間隙

(b) 刀盤支腿1的破碎耐磨板與破碎錐板間隙

(c) 刀盤支腿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 多梯度分級破碎間隙示意圖Fig. 6 Diagram of multi-gradient graded crushing clearance

通過式(1)建立刀盤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渣孔之間的關系。

(1)

式中：Lm為刀盤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；Kn為破碎錐板與刀盤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；Xn為破碎錐板和破碎筋板之間的間隙大小;φ為錐式過渣孔的小徑，其值小于排漿管道直徑。

排漿管可通過最大粒徑為65 mm，共設置了10、20、30、50、60 mm共5個梯度間隙，以確保巖渣分級破碎順利通過破碎錐板上設置的過渣孔。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 多適應性刀盤主體結構設計技術

多梯度二次周邊錐破機構的增加，影響刀盤的結構設計、刀具布置等。針對此工程地質情況，為實現(xiàn)高效開挖，設計2種刀盤，通過從刀盤的結構設計及強度校核分析、刀具的布置及刀具對刀盤力學性能的影響等方面進行綜合對比，使刀盤地質適應性實現(xiàn)最優(yōu)化。

2.2.1 刀盤結構設計

2.2.1.1 輻板式刀盤結構

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

圖8 輻板式刀盤圖Fig. 8 Spoke-plate cutterhead

采用8支腿均勻分布，傳遞推力和轉矩。受刀具布置、刀具更換所需空間等因素的影響，各支腿結構形式、尺寸大小不一。如圖8 (b)所示，紫色區(qū)域為支腿與刀盤本體連接位置及大小。作為多梯度二次周邊錐破機構的主動破碎部件，其中6個支腿(1#—6#)延伸至刀盤周邊區(qū)域，與前盾處破碎錐板、破碎筋板組合實現(xiàn)二次破巖；另2個支腿(7#—8#)主要起支撐作用，連接于刀盤中心區(qū)域，有效保證中心區(qū)域的刀盤結構強度。

2.2.1.2 面板式刀盤結構

采用整體面板式刀盤結構，刀盤整體開口率為28%，且刀盤中心區(qū)域(直徑2 m范圍內)開口率為15%，如圖9(a)所示。中心滾刀、正面滾刀無獨立刀座，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的長距離開挖時具有明顯優(yōu)勢。

圖9 面板式刀盤圖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，各支腿結構形式、尺寸大小根據(jù)實際情況進行調整。如圖9 (b)所示，紫色區(qū)域為支腿與刀盤本體連接位置及大小。為了保證結構強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個支腿(1#—6#)實現(xiàn)二次破巖，2個支腿(7#—8#)保障中心區(qū)域結構強度。

2.2.1.3 刀盤結構強度分析

為了確保刀盤的結構強度滿足工程工況，采用有限元法對2種不同結構形式的刀盤進行靜力學分析。每個刀具均施加250 kN載荷，刀盤驅動額定轉矩為2 257 kN·m，施加于刀盤的大圓環(huán)外周，全約束刀盤法蘭背面。輻板式刀盤Von Mises云圖和變形云圖如圖10所示。面板式刀盤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Von Mises云圖和變形云圖Fig. 11 Von Mises and deformation nephograms of face-plate cutterhead

2種刀盤的最大Von Mises為224.2 MPa，小于刀盤所用材料Q345的屈服許用應力值(254 MPa)，滿足強度要求。刀盤的最大變形量為1.11 mm，相較于刀盤直徑(4 400 mm)，其變形量在3‰以下，均符合設計要求。

通過對2種類型刀盤進行對比，相較于輻板式刀盤，面板式刀盤的結構強度有明顯優(yōu)勢，更適應于地質復雜、巖石更強的工程。

2.2.2 刀具配置

2.2.2.1 刀具選型

頂管機在復合地層或巖石地層掘進，主要通過滾刀進行滾壓破巖。因此，滾刀布置是頂管機刀盤設計的一個關鍵內容。針對不同地質條件，不同的刀具布置方式，會產生不同的刀盤破巖效果，影響刀盤刀具的使用壽命。為了更方便地對2種刀盤結構形式進行對比分析，選用相同刀具配置，滾刀直徑為38.1 cm(15 英寸)。刀盤刀具配置如表2所示。

表2 刀盤刀具配置表Table 2 Cutter configuration of cutterhead

2.2.2.2 刀具布置形式

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

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

2.2.2.3 刀具對刀盤產生的徑向不平衡力

刀盤徑向不平衡力的存在會使刀盤產生偏心與振動，對刀盤的掘進方向有不利影響。設備頂進過程中刀盤并不與掌子面直接接觸，而是通過滾刀對巖石進行擠壓破碎，刀盤所受到的有效力為滾刀沿刀盤Z軸方向的合力，刀盤延X、Y軸所受的分力即為徑向不平衡力[14-15]。2種不同刀盤結構形式、不同刀具類型布置下，刀盤旋轉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“十字形”滾刀布置方式，正面滾刀產生的徑向不平衡力較中心滾刀和邊緣滾刀更為顯著。面板式刀盤類“米字形”滾刀布置方式，正面滾刀、邊緣滾刀均產生較大的徑向不平衡力。

2)輻板式刀盤的“十字形”滾刀布置方式產生的總徑向不平衡力約為31 kN，面板式刀盤的類“米字形”刀盤布置方式產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%。由此說明這2種結構形式的刀盤、刀具產生的徑向不平衡力都較小，對刀盤整體性能影響小。

2.2.2.4 刀具對刀盤產生的傾覆力矩

傾覆力矩的存在，可引起刀盤延通過刀盤中心且垂直于Z軸方向的任意軸線發(fā)生偏轉，這將導致刀盤和主軸承受力不均，同時會加劇對部分滾刀的磨損，還會對挖掘性能和刀盤壽命產生不利影響。2種不同刀盤結構形式、不同刀具類型布置下，刀盤旋轉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種刀盤形式，正面滾刀、邊緣滾刀產生的傾覆力矩均較為顯著。

2)輻板式刀盤的“十字形”滾刀布置方式產生的最大總傾覆力矩約為220 kN·m，面板式刀盤的類“米字形”刀盤布置方式產生的最大總傾覆力矩約為166 kN·m?？傮w而言，相較于刀盤旋轉轉矩不足10%，滿足設計需求。

2.2.3 其他

除了從刀盤結構設計和刀具布置2方面進行對比分析，刀盤的其他因素如刀盤制造精度、成本、周期、后期的維護改制等也是刀盤選型不可或缺的評判依據(jù)。

輻板式刀盤采用拼焊形式，多人同步作業(yè)，縮短制造周期，且維修改造可實施性更強。通過對上述2種刀盤多因素的對比分析，結合本項目的工程地質情況，本工程最終確定選取輻板式刀盤結構形式。

2.3 可調節(jié)開口技術

針對工程區(qū)間地質差異性大，中間大部分區(qū)域為強風化或全風化凝灰?guī)r和全風化花崗巖，遇水黏性強，易糊刀盤；始發(fā)、出口兩端為硬巖，需要考慮減少大塊巖渣進入刀盤背部泥水艙，降低二次錐破的負擔。為了解決上述問題，需考慮采取刀盤開口可調方式實現(xiàn)。在始發(fā)、出口兩端，增加刀盤面板面積，限制大粒徑巖渣進入刀盤背部；在中間區(qū)域，增大刀盤開口，降低刀盤“結泥餅”的可能性。本文提出可調節(jié)開口的針對性設計(見圖15(a))，刀盤設置6處可調節(jié)開口部位，通過拆、裝調節(jié)開口支撐座實現(xiàn)刀盤支撐面積的變化。

(a) 刀盤處可調節(jié)開口部位 (b) 調節(jié)開口支撐座圖15 可調節(jié)開口設計示意圖Fig. 15 Diagram of adjustable opening

調節(jié)開口支撐座由3部分組成(見圖15 (b))，包括調節(jié)板、連接板和支撐板。連接板上帶通孔，螺栓可通過其通孔將調節(jié)開口支撐座與刀盤體連接。

本工程中，通過調節(jié)開口支撐座的增設，刀盤的開口率變化可達5%左右。針對實際工程中的地質變化，快速實現(xiàn)刀盤開口的調整，以適應掘進需求。

3 工程應用效果

引綽濟遼輸水工程項目正在正常開挖施工中，日進尺約10 m。設備實物如圖16所示。設備掘進情況如圖17所示。通過滾刀的一次破碎和刀盤的多梯度周邊二次錐破的共同作用，設備出渣順暢，未出現(xiàn)排漿管堵塞、排漿泵過載等問題。設備出渣如圖18所示。

圖16 設備實物圖Fig. 16 Equipment photograph

(a) 設備進洞掘進時情況 (b) 隧洞成形情況圖17 設備掘進情況Fig. 17 Equipment tunneling photographs

圖18 設備出渣圖Fig. 18 Muck

完成始發(fā)段硬巖區(qū)間段150 m距離掘進后，開艙查刀，全盤滾刀除1把刀具稍有卷邊，其他均正常磨損，磨損量為2～3 mm。滾刀檢測情況如圖19所示。因硬巖段頂進振動大，出現(xiàn)刀具連接螺栓松動情況，洞內復緊，后續(xù)需加強檢查。后續(xù)進入中間段掘進時，根據(jù)情況，可拆卸調節(jié)開口支撐座，增大開口率，降低糊刀盤的風險。

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

總體而言，本設備在掘進中運行穩(wěn)定，刀盤對工程地質具有良好的適應性，滿足施工要求。

4 結論與建議

1)多梯度二次周邊錐破機構針對小直徑頂管機具有更廣的適應性，采用多級破碎方式，既降低能耗，又可兼顧滿足破碎效率。

2)輻板式刀盤結構中心區(qū)域開口率大，不易結泥餅；受刀具整體結構尺寸限制，刀具布置的刀間距較大，更適合于對開口率要求高的復合軟巖或是上軟下硬等地層；面板式刀盤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，從力學角度分析，其結構強度更強，更適應于硬巖或極硬巖地質。

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

4)針對工程地質差異性大，掌子面不穩(wěn)定的軟土、泥礫地層，可考慮調節(jié)開口式結構設計，可調節(jié)范圍大，操作簡單。

總之，刀盤選型，并非單一要素所能決定。需以工程地質為基礎，遵循技術可靠、經濟合理的原則，綜合考慮刀盤的刀具布置、載荷特征、價格、設備的重復再利用等因素，才能匹配更具適應性的刀盤，滿足項目需求。

本文主要依托實際工程項目進行針對性設計，解決工程問題。下一步，將針對各關鍵性技術開展多目標優(yōu)化建模分析等，進行更深入的理論性研究。