組合式切削刀盤在矩形隧道掘進機上的應用研究

上海市機械施工集團有限公司 上海 200072

0 引言

隨著國內城市化進程的加快，城市交通面臨著巨大的壓力，傳統的地面道路和高架快速路由于空間有限，已經無法滿足城市交通快速發展的要求。以隧道掘進機為代表的非開挖技術已經成為緩解城市交通壓力的一個重要途徑。矩形隧道掘進機斷面形狀為矩形，斷面有效利用率較圓形隧道掘進機提高20%以上。同時矩形隧道的高度低，容易實現淺埋，隧道的施工和維護成本低。某些特殊工程，例如地鐵車站的出入口建設中采用矩形截面更符合實際需要。因此，矩形隧道掘進機在城市地下交通工程中發揮了越來越重要的作用。

矩形隧道掘進機的切削刀盤是掘進機的重要組成部分，主要通過自身的旋轉動作切削土體，將切削產生的渣土進行充分攪拌以形成易流動、高塑性和具有一定止水性的改良渣土，以便產生土壓平衡效果，防止刀盤前方土體坍塌，并且使得渣土能夠順利通過螺旋機排至隧道外部。圓形隧道掘進機由于天然的圓形優勢，采用單個切削刀盤便可實現刀盤前方土體全斷面切削。而矩形隧道掘進機由于斷面形狀呈矩形，直接采用單一切削刀盤容易產生較多的切削盲區，對施工較為不利。針對此問題，各個研究單位相繼開發了矩形偏心刀盤、帶仿形刀的圓形刀盤和偏心圓形切削刀盤等多種形式的矩形隧道掘進機用的切削刀盤，而組合式切削刀盤方案以其結構簡單、切削效率高和對環境影響小而受到了市場的歡迎[1,2]。

1 模數化組合式切削刀盤

1.1 組合式切削刀盤的特點

組合式刀盤是由多個小型輻條式切削刀盤組成。每個切削刀盤一般由攪拌棒、中空式刀桿、端塞、主刮刀和加強桿組成，每個刀盤的切削面積固定不變，如圖1所示。

圖1 輻條式切削刀盤結構

普通組合式切削刀盤主要依靠在矩形斷面上布置多個切削刀盤來提高斷面切削率。常見的為大刀盤和小刀盤的組合和多個相同直徑的刀盤組合。在大刀盤和小刀盤的組合中，大刀盤負責斷面大部分土體的切削，而小刀盤負責對矩形斷面上的一些圓角進行土體切削。在多個相同直徑的刀盤組合中，各個切削刀盤的切削直徑相同，為了獲得較大的斷面切削率，同時不發生刀盤運轉過程中相互干涉，一般將切削刀盤設計為前后雙層布置，各個刀盤的切削面積有重合部分，以此達到提高斷面切削率的目標。

1.2 模數化的組合式切削刀盤

普通組合式刀盤在應用中有許多問題，最重要的就是刀盤適應能力差。眾所周知， 在矩形隧道設計過程中，為了滿足不同的行車和行人需要，不同位置和服務功能的矩形隧道斷面尺寸一般是不同的。對施工單位而言，需要針對每種類型的矩形隧道設計或者定做不同截面的矩形隧道掘進機，由于配置刀盤切削直徑是按照截面形狀進行設計的，不同隧道掘進機的切削刀盤的切削面積是不同的，從而造成各個切削刀盤無法實現互換和通用。上述問題造成施工單位設備投資大，設備利用率低，經濟效益差。為了提高矩形隧道掘進機切削刀盤的通用性和適應性，本文提出了模數化組合式切削刀盤的設計方案。

在模數化切削刀盤設計中，刀盤的切削面積不再根據某一特定的斷面尺寸進行設計，而是通過對城市地下交通工程的功能進行調查研究，分析各個不同功能地下交通通道的尺寸范圍，經過科學的優化比選，最終確定模數化的刀盤直徑。在布置切削刀盤時，通過增加或者減少切削刀盤數量來適應不同斷面尺寸的各種類型矩形隧道。上述設計方法首先保證了切削刀盤的適應能力強，通過增減刀盤數量便可以適應不同類型的矩形隧道斷面尺寸；其次切削刀盤的通用程度高，切削刀盤的各個零件的互換性強；最后，切削刀盤的利用率高，各個不同斷面尺寸的隧道可以使用同一種類型的切削刀盤，施工單位可以用較少的投資取得比較大的經濟效益。

1.3 切削面積可微調的模數化切削刀盤

模數化切削刀盤在適應不同矩形隧道斷面尺寸上具有強大的優勢，但隨著矩形隧道的發展，大跨度的隧道項目在城市地下交通工程中也越來越受重視。在大跨度的條件下，為了保證隧道具有良好的力學性能，在隧道設計中，對組成隧道斷面的4條邊線進行了起拱處理，即大跨度的矩形隧道斷面形狀不再是比較規整的矩形，而是近似矩形的橢圓形。在此條件下，為了保證斷面切削率和刀盤切削直徑模數化，本文提出了切削直徑可以微調的新型切削刀盤。新型切削刀盤通過增加改變刀桿長度的伸縮裝置來實現調整刀盤切削面積的目的。

新型輻條式切削刀盤基本結構與原有的刀盤結構類似，由攪拌棒、刀桿、刮刀和加強桿等主要部分組成，所不同的是，將原有固定長度的刀桿末端安裝了可伸縮部分，在伸縮桿的末端安裝有刮刀，新型刀盤刀桿的可伸縮機構如圖2、圖3所示。

圖2 新型刀盤刀桿的伸縮裝置（伸出狀態）

圖3 新型刀盤刀桿的伸縮裝置（縮回狀態）

新型刀盤的可伸縮機構采用套筒連接的方式，即取消原有中空式刀桿端部的悶頭，增加伸縮桿、伸縮桿刮刀、抗剪板和定位銷等機械結構[3,4]。

伸縮桿為鋼制圓筒結構，可在原有的中空式刀桿內部滑動。在伸縮桿的端部設置悶頭結構，防止切削刀盤在切削土體過程中發生渣土涌入刀盤刀桿內部造成伸縮桿伸縮困難的情況。為保證刀盤的伸縮桿伸出后刀盤仍具備良好的切削功能，在伸縮桿的末端焊接成組的刮刀。伸縮桿在伸縮動作過程中需確定伸縮長度和伸縮完成后的固定位置，因此在伸縮桿和主刀桿上設置了一排定位銷孔，當伸縮桿的伸縮長度達到需要的長度后，在伸縮桿和主刀桿的銷孔內安裝定位銷即可實現伸出長度的定位工作。

在應用中，當需要增大切削面積時，拆卸抗剪裝置和定位銷，將伸縮桿從主刀桿中抽出至適當位置，安裝定位銷和抗剪裝置即可以實現增大切削面積的目的。當需要減少切削面積時，先拆卸抗剪裝置和定位銷，將伸縮桿縮回至適當位置后，再安裝定位銷和抗剪裝置，刀盤的切削面積將隨之減少。

2 新型組合式切削刀盤的應用

2.1 在矩形隧道掘進機刀盤布置上的應用

在進行矩形隧道掘進機刀盤設計時，通過對現有的車行、人行地下通道的設計要求進行調查和優選，提出了以2 500 mm作為切削刀盤切削直徑的基本模數值，為了適應近似矩形的橢圓形斷面，上述切削刀盤可以實現在基準模數值2 500 mm的小范圍內進行調整，刀盤布置方案見圖4。

圖4 切削刀盤的模數化布置

在圖4（a）中，隧道為2車道小型車輛地下通道，整個矩形隧道的斷面寬10 m、高5 m，呈扁平狀，隧道斷面的4邊由不同半徑的弧線組成。在進行刀盤布置時，采用了8個大刀盤分2排布置的方案，3個小刀盤用來對大刀盤的切削盲區進行土體切削。為了適應斷面4個圓角，對位于四角的大刀盤的切削直徑進行了微調。在圖4（b）中，隧道為2車道大型貨車的地下通道，整個矩形隧道的斷面寬度為10 m，而高度為7.50 m，斷面4邊仍然由各種弧線組成。在進行刀盤布置時，采用了12個大刀盤分3排布置的方案，6個小刀盤用來對2個大刀盤之間的切削盲區的土體進行切削。同樣，對四角處的刀盤切削直徑進行了微調。

通過上述增減刀盤數量來適應隧道斷面的刀盤布置方案，不僅可以提高刀盤對隧道斷面的適應能力，同時還提高了刀盤利用率，其社會效益和經濟效益是不言而喻的。

2.2 刀盤組合在施工糾偏中的應用

隧道掘進機在施工中不可避免地會出現繞軸線偏轉的情況，嚴重的偏轉對施工和隧道使用都有很大的危害。圓形隧道掘進機由于自身為圓形，糾偏時的阻力相對較小，而矩形隧道掘進機由于斷面近似為矩形，糾偏的阻力相對較大，因此防止矩形隧道掘進機出現大的偏轉和對出現的偏轉進行有效地糾正是矩形隧道掘進機設計中的一項重要內容。

矩形隧道掘進機發生偏轉的主要原因是掘進機周圍的土體無法全部抵抗由于刀盤旋轉時產生的反力矩，導致掘進機在上述反力矩的作用下發生偏轉。在多刀盤組合的切削刀盤系統中，通過將掘進機左右兩側的刀盤以相反的方向進行旋轉，如圖5所示，使矩形隧道掘進機左側刀盤產生的反力矩與矩形隧道掘進機右側刀盤產生的反力矩相等，將大大減少由于刀盤旋轉產生的反力矩，降低了矩形隧道掘進機發生大偏轉的風險。

當矩形隧道掘進機發生較大的偏轉時，將掘進機的全部刀盤以與偏轉方向相同的方向旋轉，如圖6所示。由此產生的反力矩作用在矩形隧道掘進機上，該力矩為矩形隧道掘進機提供糾偏的動力[5,6]。

圖5 兩側刀盤的旋轉方向相反

圖6 兩側刀盤的旋轉方向相同

3 結語

本文通過研究組合式切削刀盤的實現形式，提出模數化的組合式切削刀盤和切削面積可調的切削刀盤裝置，實現了切削刀盤的模數化和通用化。在應用中，通過增加或者減少切削刀盤數量的方法可以使得切削刀盤能夠適應各種不同類型的矩形隧道。組合式切削刀盤設計方案在施工時還可以起到防止出現偏轉和有效糾偏的作用。上述設計方案可以提高切削刀盤的適應能力和設備利用率，具有良好的社會效益和經濟效益。