土壓平衡盾構機刀具的布置

劉春光，劉晶，高偉賢

（沈陽重型機械集團有限責任公司盾構機分公司，遼寧沈陽110000）

就任何形式的盾構機來說，刀具的布置必須以均布為原則。因為刀盤的旋轉動作要靠主軸承內圈的旋轉來實現，主軸承內圈依靠布置在刀盤上的刀具壓在切削面上，由電動機驅動旋轉掘進。在盾構機正常掘進過程中，主軸承所承受的力主要有軸向力、徑向力和振動沖擊力。在地質的影響下，軸向力和振動沖擊力具有不穩定性，因此，刀具均布可以避免切削面傾斜、保證主軸承受力平衡，避免過大振動沖擊，防止主軸承偏心或內部結構因受力不均而產生變形、磨損等故障，從而避免更加嚴重的破壞性失效致使整個盾構機癱瘓。

1 刀具的選擇原則

國內土壓平衡盾構機市場，挖掘直徑以6.28m的為主。為保證挖掘效率，刀具以滾刀和刮刀為主。滾刀如圖1所示，其內部帶有軸承，刀具隨著刀盤的旋轉可以在切削面上滾動，并依靠刀刃擠壓巖石或硬土達到破碎的目的。刮刀如圖2所示，固定在輻條兩側，依靠刀刃上的硬質合金實現切削。一般滾刀高出刮刀20～35mm為宜，起到先一步壓碎巖石的作用，即在巖石或者硬土上劃出一道道裂隙。刮刀在其后可將碎裂的巖石刮下并帶至開口部位。

由于地質構造不同，許多土層的土質與巖石或者硬土相比較，黏度較大，強度較低，此時使用滾刀，經常會出現糊刀的現象。輕則導致滾刀無法滾動，造成局部磨損過大；重則導致刀盤旋轉困難或糊死，損壞主驅動系統。另外，附加的清理維修會延誤工期，大大降低挖掘效率[1]。因此，對于開挖黏性較大的地質，往往采用撕裂刀代替滾刀。撕裂刀一般由4根立齒組成，以撕裂刀的切削力代替滾刀的壓迫力實現破碎，其結構簡單，成本相對滾刀低。撕裂刀裝在滾刀刀座上，這樣，在混合地質中可以方便地在同一個刀座上實現2種刀具的互換。

圖1 滾刀

圖2 刮刀

在設計刀具高度時應該考慮刀具高出刀盤面的尺寸，適度增大可以防止糊刀或泥餅的形成。但刀具高度過大會加大相應的力矩，有斷刀的危險?？傊瑸楸ＷC主軸承的穩定及挖掘效率，每種刀具必須按照各自的軌跡均勻布置在整個挖掘面上[2]。

2 刀具的布置原則

刀具的布置如圖3所示，結構見圖4。刀具布置不但要考慮刀具的種類，而且還要考慮整個刀盤面不同半徑的運動特性和結構特性。因為盾構機的挖掘直徑很大，不同的挖掘直徑，由于其不同的線速度、空間結構及其與開挖物料之間的作用，使得挖掘效果不同。

圖3 刀具的布置

圖4 刀具的結構

刀盤正常工作轉速為0.9～1.2r/min，刀盤表面越靠近刀盤中心的位置線速度越低，中心處基本為零。在物料流動性較差的環境下，為避免開挖黏性物料時發生堵塞，刀盤中部開口率要大，同時避免開挖物料從刀盤表面中央至結構開口之間通過的距離過大而增加磨損。刀盤中心的幾何尺寸是非常小的，因此刀盤中心只設置單排中心滾刀，間距控制在84mm左右為宜。若用撕裂刀代替滾刀，則設置中心撕裂刀或者燕尾刀，燕尾刀通常設計為突出刀盤面一定尺寸，在挖掘軟土層時，可有效地防止糊刀。

刀盤表面半徑方向上的滾刀分布以100 mm左右的軌跡間距為原則，平均分配各滾刀在輻條上的位置。若開挖物料的黏性大，硬度低，可適當增大軌跡間距；若開挖物料的黏性小，硬度高，可適當減小軌跡間距。刀盤表面周邊上的線速度最大，空間結構最富裕，運動也最不穩定，滾刀分布應相對密集，以提高挖掘效率，并確保主軸承的穩定性。因此，一般在各幅板上加設滾刀，以軌跡間距隨半徑增大而遞減為原則，平均分配各滾刀在輻條和輻板上的位置。圖5所示為滾刀（撕裂刀）的軌跡圖。

圖5 滾刀（撕裂刀）的布置及軌跡

2.1 刮刀的布置

2.1.1 刮刀的數量

對于滾刀，每條軌跡只分配一把刀，即可實現其破土的功效。刮刀必須使用標準刮刀，刀刃寬120mm，為提高挖掘效率，每條軌跡可布置多把刀。當然，刀具過少會直接影響挖掘的效率及主軸承的穩定性。但刀具的數量并不是衡量挖掘效果的重要指標，過多的刀具會加大主軸承的負擔，也會增大糊刀的可能性。

2.1.2 刮刀的軌跡

在布置刮刀的時候要注意它與滾刀的功能是不同的，滾刀起到先導的作用，而布置在開口處的刮刀起到的是全面清除的作用。所以，單把刮刀的切削軌跡應該是一個環面，所有刮刀的切削軌跡必須覆蓋整個開挖面。

刮刀的具體布置較為簡單。在刀盤的中心部位，布置在單邊輻條上或者由燕尾刀代替其功能，每條軌跡布置一把刀即可。此處刮刀的并排布置，保證了軌跡的緊密聯接。對于刮刀在刀盤半徑方向上的布置，每條軌跡上應布置輻條數量一半的刮刀。即：若有6根輻條，則每條軌跡布置3把刮刀；若有8根輻條，則每條軌跡布置4把刮刀。這樣能夠保證開挖物料在刮刀的作用下順利通過刀盤開口進入開挖倉，既不會給主軸承帶來過大的負擔，也能夠保證挖掘效率。由于刮刀有一定寬度，所以刮刀的軌跡具有相同的寬度。此處刮刀沒有并排布置，要求相鄰的刮刀軌跡之間必須有重疊量，以保證軌跡覆蓋的全面性。另外，在刀盤的周邊布置周邊刮刀，應分配在每根輻條上。此處較寬的范圍內只有一條軌跡，且該軌跡上有和輻條同等數量的刮刀，能夠適應刀盤周邊相對復雜的挖掘環境，穩定主軸承，保證挖掘效率。

2.1.3 裝配角度

從刀具結構上來說，滾刀和撕裂刀的刀刃是一個點，切削軌跡為一個圓環，因此，刀具布置在切削方向與旋轉半徑相切的位置即可。而刮刀的刀刃是一條線，切削軌跡為一個圓環面。因此，為了使刀刃面的切削方向盡量與旋轉半徑相切，需要注意刮刀在輻條上的裝配角度，如圖6所示。以典型的開挖直徑為6.28m的土壓平衡盾構機為例：1200mm半徑以下刮刀角度為25°，1200～1600 mm半徑內刮刀角度為20°，1600～2000 mm半徑內刮刀角度為15°，2000～2400 mm半徑內刮刀角度為10°，2400mm半徑以上刮刀角度為5°。

圖6 刮刀的裝配角度

2.1.4 刮刀的雙向性布置

對土壓平衡盾構機，刀盤的旋轉多設計為雙向的。而刮刀因其結構特點，整個刀刃面對一個切削方向，只能實現一個方向的切削，因此需要在輻條兩側布置對稱的刮刀。于是，整個刀盤布置的雛形基本形成。

2.2 其他刀具的布置

為了穩定刀盤的開挖直徑，在刀盤的圓周外壁，均勻布置一種輔助刀具，即周邊保護刀。周邊保護刀具有配合周邊刮刀、規范開挖直徑的作用。

在實際工程中，由于各種條件的限制，往往不能規劃出筆直的隧道路線，因此，隧道的施工必須考慮到盾構機轉彎的需要。而盾構機轉彎的時候需要轉彎半徑處有一定的自由空間，于是，土壓平衡盾構機刀盤上至少都會配備一把擴挖刀。擴挖刀在刀盤最大半徑處，由獨立的液壓缸驅動，可以自由伸縮。當盾構機進入轉彎階段，刀盤旋轉使擴挖刀轉至需要擴挖的半徑處，適時增加擴挖半徑，創造可使盾構機偏轉的空間。若地質條件適宜，擴挖刀也可以為臨時換刀擴挖一定的空間，提供給操作者適宜的工作空間。

3 結論

以上設計思路已應用到土壓平衡盾構機刀具布置的設計當中。經過多年的實際檢驗，對于不同開挖直徑的刀盤，也可以依據以上布置原則進行擴展。硬巖和泥水盾構機的刀盤，也可以借鑒此經驗。

綜上所述，刀具在刀盤表面的布置必須講究實用性，以實現盾構機整體功能為前提，尋找解決問題的最佳配置；以地質研究為基礎，結合刀盤的結構特性和運動特性以及刀具的使用特性等多種因素，選擇合適的刀具，設計合適的軌跡，才能確定出實用的刀具布置，為每個項目量身定做最合適的刀盤。

[1]蔣建敏，趙學彬，賀定勇等.北京地區盾構機刀具失效分析及制造研究[J].中國表面工程，2006（3）：44-46.

[2]張明富.土壓平衡盾構掘進刀具動態磨損研究[D]北京：北京交通大學，2007.