TBM刀盤結構設計探究

翟國強，賀 飛，卓興建

（中鐵裝備制造有限公司，河南 鄭州 450016）

1 引 言

伴隨我國在鐵路、公路、石化、核電以及國防等多個大規模基礎設施建設的進行，大中直徑隧道的建設施工需求激增。全斷面硬巖掘進機（TBM）是集開挖、推進、支護、襯砌為一體的現代化高集成設備。

TBM刀盤是硬巖掘進機的關鍵部件，具有開挖巖石、穩定掌子面、轉運石碴等功能，承受大扭矩、高推力和強沖擊作用。同時TBM刀盤具有針對性和適應性的特點，符合“量體裁衣”式定制產品。合理的刀盤設計能有效改善掘進性能、提高維修保養效率、降低整機振動、提高整機利用率等重要作用，是TBM設計的核心關鍵之一。

目前國內的TBM完全由國外壟斷，TBM刀盤的設計處于探索階段，尚未形成整套的工程實用方法來指導實踐。國內的研究學者在分析和整理國外的破巖機理的基礎上不斷的完善修正，如上海交通大學預測模型、華北水利水電學院預測公式、北京工業大學龔秋明修正模型[1]等研究盤型滾刀的破巖過程。在滾刀破巖參數如刀間距、貫入度、刀高等參數的設計上進行了大量的實驗。本文在此基礎上，結合施工經驗對TBM刀盤結構設計方法進行探索，最終實現滿足破巖效率和結構強度、剛度設計要求的刀盤。

2 TBM刀盤設計

TBM刀盤的設計應充分考慮圍巖參數如巖石的強度、脆性和韌性，巖石節理的方向和發育程度。分析國外科羅拉多礦業學院和CSM模型[2]，設計計算刀具的數量和刀間距等破巖參數。刀盤需要承受高沖擊振動載荷，其本身的鋼結構設計必須控制在滿足合理的安全裕度范圍之內。TBM刀盤設計的流程如圖1所示。

圖1 TBM刀盤設計流程圖

2.1 工程地質分析

根據國家《工程巖體分級標準》[3]（GB50218-94）中圍巖等級的劃分，對影響刀盤掘進的巖石單軸抗壓強度、耐磨性、硬度、節理發育程度等因素進行分析。某工程中的水文地質情況如下：隧洞沿線基巖為混合片麻巖、千枚巖（微、中風化）、泥巖、砂巖等，局部巖石的單軸抗拉強度達到160MPa。初步的刀盤設計應為單向旋轉、較小刀間距，合理的開口率來實現高效破巖和可能的泥土擁堵。

2.2 TBM刀盤布置設計

TBM刀盤布置設計需考慮刀盤的分塊、刀具的布置、進碴數量、進碴開口、噴水口、人倉通道等因素。其中刀具的布置是滿足刀盤結構設計、掘進性能、焊接加工等評價指標的關鍵。刀盤分塊形式設計主要滿足制造、運輸、裝配等要求。刀盤進碴開口和數量能夠改善碴土的流動性、提高掘進性能、減少刀具的二次磨損。噴水口的數量及位置設計，能有效的降塵減溫，對延長刀盤刀具壽命、改善施工環境有重要作用。

2.3 TBM刀盤結構的優化設計

刀盤作為切削破巖刀具的載體，承載著高交變、強振動沖擊的載荷。因此刀盤的設計需要滿足強度、剛度和抗振等性能要求。

本文在分析國外TBM刀盤結構形式的基礎上，采用結構強度和模態分析相結合的方式，使刀盤在滿足靜力強度要求的前提下，考察固有頻率和振型結果，來改進結構設計，從而減少刀盤在受到沖擊振動時可能發生的連接螺栓松動及刀箱疲勞裂紋。

2.3.1 刀盤結構強度分析

文中采用計算機有限元分析方法對設計的TBM刀盤進行強度校核優化，預判結構件的可能的應力集中處和薄弱環節。

刀盤的結構分析中考查2種極限工況，一是破碎全硬巖時，刀盤承受全推力和總扭矩；二是遇到軟硬兼有地層，刀盤承受一半的推力和總扭矩。圖2和圖3所示即為刀盤的載荷承載狀況。

經分析刀盤的最大應力集中在背面板與溜碴板、溜碴板與法蘭連接面處。通過2種工況下的等效應力云圖得到最大應力為181.98MPa,小于許用安全應力，強度滿足要求。其中溜碴板不僅要滿足石碴順利轉運到皮帶機上，還具有支撐刀盤和改善刀盤的整體應力變形的作用。

2.3.2 刀盤模態分析

圖2 刀盤承受推力圖

圖3 刀盤承受扭矩圖

TBM刀盤破巖掘進時，所承受的激勵主要來自破巖作用和電機驅動。其中破巖激勵頻率一般較低，多為2～10Hz；刀盤工作時的轉速為0～10r/min，引起結構共振的頻率為低階固有頻率[4]。因此我們計算了刀盤結構的前6階振動模態，由模態分析圖可得結果如表1所示。

表1 刀盤各階模態分析結果

分析表1的刀盤模態結果，前3階模態振型在XY平面的翹曲和凹陷容易造成中心刀刀箱變形以及刀盤連接法蘭螺栓的受力不均而失效。因此在結構設計中，刀盤背面的結構設計應作筋板加強。4階、5階及6階的模態振型相似，集中在溜碴板末端完成碴土轉運，在滿足碴土順利轉運的目標前提下，該位置處應進行結構優化。

3 問題及改進方向

文中探索了TBM刀盤結構設計的方法，希望對提高刀盤的設計水平和掘進效率提供支持。但由于該工程系統的復雜性、涉及多學科交叉知識，所做的研究期待進一步的優化和檢驗。

1）刀盤設計需要考慮巖土特性和刀具掘進參數之間的作用機理，文中的破巖參數的選擇計算只是借鑒國外的計算模型，尚未完成針對性采集巖石的破碎實驗。

2）文中對刀盤的結構強度和剛度的分析，從極限工況考慮來施加邊界和載荷條件，可能偏于保守設計。實現設計結構的輕量耐用是下一步需要研究的重點。

4 結 語

1）工程地質的適應性設計，是滿足高效破巖的重要前提。

2）TBM刀盤的溜碴板應沿周向均勻分布，結合處過度自然，來減小轉運碴土對TBM刀盤的不均勻沖擊和結構強度的要求。

3）刀盤低階模態會造成刀盤平面的翹曲和中心區域凹陷，該處的結構應進行優化加強。

[1]張照煌.盤型滾刀與巖石相互作用理論研究現狀及分析[J].工程機械，2009，(40)：18-22.

[2]張厚美.盾構隧道的理論研究與施工實踐[M].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[3]GB 50218-94，工程巖體分級標準[S].

[4]敖日汗，張義同.盾構掘進機刀盤振動分析[J].機械設計，2010，（2）：27-29.