無刀盤土壓平衡盾構概念性設計

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，國內外既有土壓平衡盾構均采用刀盤-刀具切削系統。根據地質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。由于刀盤的運動速率很低（每min幾轉），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的刀盤驅動機構進行了分析，需要復雜的運動學機構或隨動系統的支撐才能實現異形斷面的開挖。文獻［5-10］提供了采用懸臂式掘進機實現異形斷面開挖的方法，但施工效率低，且不具備穩定開挖面的功能，在軟弱地層中容易造成開挖面坍塌現象。

針對目前采用刀盤-刀具的土壓平衡盾構存在的缺陷，吸納懸臂式掘進機的優點，創新一種無刀盤土壓平衡盾構，既能實現異形斷面的開挖，又具備穩定開挖面的功能，同時由于不設置刀盤，每個刀具能獨立主動自轉，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。以直徑為4 m的有刀盤單圓盾構為例，其適中轉速為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的方式，切削刀具的適中轉速為30 r/min，切削刀具的回轉半徑若設為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，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動所經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，靠近刀盤內圈的刀具磨損慢，這樣會增加換刀的次數，影響施工效率。

而無刀盤盾構，采用每個刀具獨立主動自轉的方式，全部刀具主動自轉的轉速相同，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，這樣可實現批量式整體換刀，大大節省換刀時間，提高盾構掘進效率。

1.3 無需滾動糾偏

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

采用相鄰刀軸反向旋轉的方式，可以平衡不同刀軸刀具之間的旋轉慣性力，避免出現盾體滾動，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，最為適應的是圓形斷面。對于矩形、橢圓形等異形斷面，則必須通過復雜的曲柄連桿機構、擺動機構或仿形機構來控制刀具的切削軌跡。而對于無刀盤矩陣式布刀的盾構，只需改變矩陣排列的形式，即可適應各種復雜形狀的隧道斷面。

2 結構設計

以適用于矩形斷面隧道的無刀盤土壓平衡盾構的結構設計為例，說明以上功能是如何實現的。

圖1和圖2為矩形無刀盤土壓平衡盾構結構示意圖，主要由切削系統、滑移機構、渣土輸送系統、土壓平衡系統、護盾系統、推進系統及空氣保壓系統等組成。

切削系統由截齒1、刀具2、刀具傳動軸3、分動箱4、減速機5和驅動電機6組成。驅動電機（或液壓馬達）通過減速機、分動箱、傳動軸將動力傳遞給刀具。刀具實現自轉，同時隨盾體一起沿掘進方向移動，切削巖土。分動箱將驅動電機的動力分配給多個刀具。分動箱為一分四結構，即1個驅動馬達可同時驅動4個切削刀具旋轉。也可根據設計的需要選用1個驅動馬達同時驅動2，3，5個或其他數量的切削刀具旋轉。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是通過土壓平衡系統對掌子面進行支護。土壓平衡系統由土壓平衡艙9、前盾20、固定隔板19和移動隔板18等部分組成。調節切削刀具的切削速度和渣土輸送機11的排渣速度，可使土艙內保存一定數量的渣土，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，以平衡盾構前方的水土壓力，起到防止坍塌的作用。渣土輸送系統由螺旋集渣器10、渣土輸送機11、渣土輸送驅動馬達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動。

圖1 矩形無刀盤土壓平衡盾構結構示意圖Fig.1 Structure of rectangular non-cutterhead EPB shield

圖2 矩形無刀盤土壓平衡盾構結構示意圖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。滑移機構和空氣保壓系統就是為更換截齒而設計的裝置。滑移機構由拖拉油缸14、滑軌15和滑動支架16等組成。空氣保壓系統由人行閘門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和上半部分的驅動裝置以及刀具沿滑軌15向后移動一定的距離，現場作業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內對截齒進行更換。為了保護換刀作業人員的安全，在中盾隔板上設有止回閥23。根據開挖面的地質情況，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、維修作業人員患氣壓病，不允許直接從高壓環境進入大氣環境，必須經過氣壓過渡艙8的過渡。

盾構沿掘進方向移動依靠護盾系統和推進系統來完成。護盾系統由前盾20、中盾21和尾盾24組成，護盾系統對開挖面實施臨時防護，用于保護內部設備和鋪設管片。推進系統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向前推進，同時帶動切削刀具實現縱向進給運動。

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動，實現獨立主動自轉。

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

3 設備結構及特點分析

無刀盤土壓平衡盾構，是在分析常規土壓平衡盾構存在缺陷的基礎上，通過結構上的創新和工藝上的改進形成的一種概念性設計，主要有以下特點：

1）將常規土壓平衡盾構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速，從而提高盾構整體的切削效率。

2）各刀具任意組合，可根據客戶需要切割任意形狀的斷面。

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

4 結論與討論

無刀盤土壓平衡盾構，是針對軟巖地質條件而設計的一種新型盾構概念性設計，具有切削效率高，刀具磨損均勻，整機轉動慣量小、可切削任意斷面等優點，改變了傳統的土壓平衡盾構的切削方式和結構形式，它克服了傳統土壓平衡盾構刀具切削效率低、磨損不均勻、刀盤轉動慣量大等不足。但同時也存在一些技術難題：

1）每個刀具獨立運轉，雖然易于提高切削速度，但整個切削刀具的傳動系統較復雜，傳動系統的高可靠性是設備良好運行的基礎。

2）每個刀具具有獨立的集渣系統，集渣系統與刀具的傳動系統占用較多的設備空間，為設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，且隨著刀具直徑的增加，切割盲區尺寸增大。這使無刀盤土壓平衡盾構在地質適應性上受到一定的制約。

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