基于TRIZ理論提高盾構機刀盤掘進效率

李智鳳

(中國鐵建重工集團股份有限公司 湖南長沙 410100)

1 引言

盾構機是隧道施工的利器，刀盤則是它的“鐵齒銅牙”，承擔著掘削巖土的功能。當刀盤扭矩不足、刀盤轉速低、刀具強度不足、排渣系統堵塞、地質壓力突變時，刀盤掘進效率降低[1－4]。針對這些情況直接采取如提高刀盤扭矩、提高刀盤轉速、增加刀具強度、增大排渣速度等_解決方案，都存在驅動裝置能力受限、地層壓力可能失衡或地質難以預測[5－9]等缺陷，不能從根本上提高刀盤掘進效率。

TRIZ理論是解決發明創造問題的系統性理論，對根本性解決創新問題卓有實效。TRIZ的研究已經遍布各個領域，在工程機械行業很多學者進行了研究[10－15]。但是這些研究一般局限于具體工法、外觀造型或局部結構優化等方面，均不是直接面向產品主要功能的系統性研究，更少有學者對盾構機及其部件進行系統性挖掘發明創造的研究。

本文基于TRIZ理論系統性優化刀盤設計，遵循TRIZ解題流程，利用系統功能分析和因果分析方法剖析問題，運用系統組件裁剪、物理矛盾分析、技術矛盾分析、HOW TO功能模型分析、技術系統進化分析等方法，得到了多個概念方案。這些方案經過理想度評估和文獻檢索分析后，付諸專利申請和實際應用。

2 問題分析

盾構機刀盤系統包括其刀盤體、刀具、排渣口、土艙、空氣壓縮系統，直接作用對象是巖石、土壤，與之關聯的超系統有螺旋輸送機、刀盤控制裝置、排渣控制裝置、皮帶機以及空氣。刀具工作原理為:刀盤控制裝置驅動刀盤體帶動安裝在上面的刀具旋轉，從而切削、破碎巖土，被切削掉落下來的巖土進入土倉，通過螺旋輸送機排送至皮帶機，再運出隧道外。刀盤破碎完一層巖層，隨著推進系統往前推進一步，刀盤再破碎新的巖層。為保證掘進平穩，由壓縮空氣系統調節空氣壓力保證地層壓力和掘進面壓力平衡。

分析技術系統的所有組件和組件間的作用關系，列出如圖1所示的組件模型。提高刀盤的掘進效率，要求新的技術系統一是掘進速度要快，二是保持挖掘面壓力平衡、不擾動地層。

圖1 刀盤組件模型

采用系統組件裁剪方法簡化系統。螺旋輸送機的排渣控制裝置與刀盤控制裝置功能相同，對其進行裁剪得出備選方案1:一種聯絡通道施工裝備，刀盤和螺旋輸送機共用一套控制裝置，減少一套驅動裝置及配套設備，能大大降低設備造價和施工成本。

對刀盤掘進效率低的問題進行因果鏈分析，如圖2所示，得到要解決的7個末端原因。

圖2 刀盤掘進效率低因果分析

3 解題過程

3.1 針對刀具傳遞載荷不足的問題

對當前S2刀具對S1巖土的切削作用建立如圖3所示的物場，并根據標準解S2.1.2建立雙物場模型，得到3種備選方案。

圖3 刀具切削巖土作用物場分析

備選方案2:一種具有冷凍功能的常壓刀盤，包括若干常壓換刀輻臂，若干輔梁，若干常壓換刀刀具以及設在常壓換刀輻臂內的冷凍管路和隔熱管路。

備選方案3:一種搭載微波輔助破巖裝置的刀盤，該裝置的主要部件高能熱力束流發生器安裝在刀盤后方，其產生的高能熱力束流降低巖石的單軸抗壓強度等力學性能，提升掘進效率。

備選方案4:一種高壓水射流刀盤，將水射流噴頭布置在靠近刀盤回轉軸心的滾刀軌跡間，利用磨料水射流切割縫隙，可獲得最大協同破碎效果，提高滾刀破巖效率。

3.2 針對刀具分布密度不足的問題

采用物理矛盾分析的方法來解決刀具密度不足的問題，流程如圖4所示，得到備選方案5。

圖4 通過物理矛盾分析布刀數量

備選方案5:一種可折疊回縮刀盤。根據時間分離原理，設計這種刀盤采用掘進/排渣間歇的方式作業，當掘進破巖時，刀具伸出提高刀具密度；當排渣時，刀具折疊，讓出排渣空間。

3.3 針對刀具磨損的問題

采用物場分析的方法來解決刀具磨損的問題。對當前S1巖土對S2刀具的磨損作用建立如圖5所示的物場，并根據標準解S1.2.1引入新的物質S3來阻隔或者削弱這種有害作用，得到備選方案6。

圖5 刀具磨損物場分析

備選方案6:一種渣土改良高聚物復合試劑。該試劑組分包括高分子聚合物、鈉基膨潤土、泡沫劑、粘合劑等，盾構機掘進時向挖掘面注入該試劑，降低土體的抗剪強度，改善土體流塑性，減少巖石和刀具的直接接觸，降低掘進過程中渣土對刀盤刀具的磨損。

3.4 針對巖土粒度過大的問題

采用技術矛盾分析的方法來解決巖土粒度過大的問題。IF增多刀具數量，THEN破碎的巖石粒度減小(改善參數F7運動物體的體積)，但是增大刀盤功率(惡化參數F21功率)。通過查找矛盾矩陣，得到創新原理:創新原理35—物理或化學參數改變原理；創新原理6—多用性原理；創新原理13—反向作用原理；創新原理18—機械振動原理。選擇適用的18號機械振動原理形成備選方案7。

備選方案7:一種振動破巖刀盤。運用機械振動原理，刀具破巖時輔以局部振動，振動頻率接近巖土的共振頻率，巖土發生微振、產生裂紋源，更易從所在巖層脫離、剝落，破碎粒度更加細小均勻。

3.5 針對巖土流動速度不足的問題

采用HOW TO分析方法來解決巖土流動速度不足的問題，流程如圖6所示，形成備選方案8和9。

備選方案8:一種泥漿管道高聚物減阻劑。利用E79 Thoms效應原理，在巖土中添加聚合物減阻劑將管內流動從紊流轉變成層流，降低摩擦阻力、減少能耗損失，提高巖土的流動速度。

備選方案9:一種帶壓力調節裝置的螺旋輸送機。根據E10伯努利定律:理想流體壓力能、動能和勢能總和守恒，當螺旋輸送機內壓力低于某監測值時，該壓力調節裝置對螺旋輸送機加壓，從而提高巖土的流動速度。

3.6 針對排渣面積不足的問題

采用技術矛盾分析的方法來解決排渣面積不足的問題。IF增多排渣口，THEN增大排渣面積(改善參數F5運動物體的面積)，BUT降低刀盤強度(惡化參數F14強度)。通過查找矛盾矩陣，得到創新原理:創新原理3—局部質量原理；創新原理15—動態特性原理；創新原理40—復合材料原理；創新原理14—曲面化原理。選擇適用的14號曲面化原理形成備選方案10。

備選方案10:一種“W”型刀盤，運用曲面化原理刀盤挖掘面采用W型設計，增加排渣口數量，增加排渣面積，并保證刀盤強度。

3.7 針對換刀速度不足的問題

采用技術系統進化法則來解決換刀速度不足的問題。基于完備性法則:系統不斷由不完備向完備發展，逐步減少人的參與，以便提高系統效率，增加自動換刀裝置，提高破損刀具換刀速度，形成如下備選方案11。

備選方案11:一種盾構機自動化換刀系統，包括刀盤以及依次設置在刀盤后的換刀倉、換刀機械臂、刀具臨時存放裝置、刀具輸送系統，可以實現盾構機的自動化換刀，換刀人員只需要在安全位置將需要更換的刀具放到刀具輸送系統即可，從而可以降低換刀成本、提高換刀效率，保障了換刀人員的生命安全。

3.8 最終理想解分析(IFR，Ideal Final Result)

刀盤掘進系統的最終目標是要破碎巖土，其最終理想解(IFR)可定義為巖土的自我破碎，如通過巖土所在的巖層、空氣等資源，使巖土內部壓力大于外部壓力，實現巖土自我破碎。

這種最理想技術系統，當前雖作為物理實體并不存在，但是指引著隧道施工技術的進化方向。

4 實施應用情況

最終形成的方案如表1所示匯總，按公式:理想度＝有用功能/(有害作用＋成本)計算理想度，其中有用功能權重為40%，有害作用權重為30%，成本權重為30%。

表1 方案匯總與評估

根據產品實際情況，將相關創新點進行專利檢索、分析，如表2所示，部分技術方案進行了專利申請。

表2 方案申請專利情況

部分方案也進行了制造實施和工程應用。具有冷凍功能的土壓平衡盾構復合刀盤應用于廣州地鐵18號線和22號線，可回退式刀盤及頂管施工方法應用于重慶鐵路樞紐東環線等管線鋪設。