翟國強(qiáng)，張玉鋒

ZHAI Guo-Qiang,ZHANG Yu-Feng

（中鐵裝備制造有限公司，河南 鄭州 450016）

TBM是集開挖掘進(jìn)、渣土轉(zhuǎn)運(yùn)、通風(fēng)除塵、襯砌施工等有序工作于一體的高集成隧道施工設(shè)備。針對(duì)TBM 的研究，國內(nèi)還處在探索試制階段，TBM 刀盤作為主機(jī)重要部件成為研制的關(guān)鍵。TBM 刀盤目前多為平面型，該設(shè)計(jì)有利于保持掌子面的穩(wěn)定，減少破碎石渣與滾刀發(fā)生卡恰和二次磨損。刀盤整體開口率主要集中在刮渣位置，渣土的流動(dòng)性與刮渣板的設(shè)計(jì)有關(guān)。刮渣板的容渣量和流動(dòng)通道是提高TBM 刀盤掘進(jìn)效率的重要一環(huán)。本文主要探索TBM 刀盤進(jìn)出渣的設(shè)計(jì)理論，為進(jìn)一步的刀盤設(shè)計(jì)和施工提供理論支持。

1 TBM刀盤進(jìn)出渣設(shè)計(jì)

TBM 刀盤是利用盤型滾刀的剪切和擠壓破碎巖石的原理來完成硬巖隧道的開挖掘進(jìn)工作。伴隨刀盤旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)，滾刀貫入巖石，巖石破裂，形成的裂紋擴(kuò)展連通，使得石渣從巖體剝落下來。由于刀盤平面與掌子面的間隙，剝落的石渣集中在刀盤的前下部。石渣進(jìn)入到刀盤的內(nèi)部，經(jīng)集渣斗轉(zhuǎn)運(yùn)到主機(jī)皮帶機(jī)上，再連續(xù)轉(zhuǎn)運(yùn)到后配套皮帶機(jī)上，最終通過連續(xù)皮帶機(jī)或礦車運(yùn)出洞外。在這里我們做出如下的假設(shè)來驗(yàn)證計(jì)算。

1）刀盤純轉(zhuǎn)動(dòng) 刀盤實(shí)際的運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋線，文中簡化計(jì)算了刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)1 周所完成進(jìn)出渣量的設(shè)計(jì)。目的是建立開挖與轉(zhuǎn)運(yùn)石渣量等式理論模型。

2）刀圈的貫入度一致 滾刀的貫入度設(shè)計(jì)是綜合地質(zhì)參數(shù)和機(jī)器性能參數(shù)而確定的，一般為2～20mm/r。計(jì)算中需考慮工程地質(zhì)圍巖等級(jí)，巖石的平均單軸抗壓強(qiáng)度。目前工程中多使用19英寸的準(zhǔn)等厚刀圈，來保持刀圈與巖石的接觸面積在磨損期內(nèi)為常值，無需增大推力或減小掘進(jìn)速度，保持貫入度的一致。

1.1 開挖石渣量計(jì)算

在刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周的情況下，破碎的石渣量為

A=πD2/4，D為刀盤開挖直徑；

式中 Vk——開挖石渣量；

A——掌子面面積；

h——刀圈的貫入度。

1.2 掌子面堆渣高度

假設(shè)破碎的石渣在重力作用下全部剝落堆積到掌子面的下部，圖1 陰影部分即為開挖石渣的堆積模擬狀態(tài)。刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，該處堆積的石渣量與開挖量相等，即

式中 Vp——破碎石渣堆積的體積；

H——刀具距離刀盤面板的高度；

圖1 堆渣模擬圖

S——石渣堆積的面積。

可見破碎堆積的石渣在進(jìn)入到刀盤的內(nèi)部時(shí)，會(huì)對(duì)圖1 陰影部分的滾刀造成二次磨損，合理快速的出渣通道能有效的減少刀盤和刀具的磨損，減少換刀維護(hù)時(shí)間，提高掘進(jìn)效率。

1.3 刮渣板的布置形式

雙向刮渣板設(shè)計(jì)可以減小盾體發(fā)生翻轉(zhuǎn)的可能性，增強(qiáng)主機(jī)的穩(wěn)定性。刮渣組沿著周向均勻布置，有利于出渣均勻性和刀盤的受力平衡。如圖2 所示。刮渣板磨損的快慢與破碎的石渣量、巖石的磨礪性、距離破巖面的間隙、刀圈磨損的速度等有關(guān)。如圖3 所示為設(shè)計(jì)刮渣板形式，采用螺栓連接，由10 塊刮渣板連接而成。

圖2 刀盤刮渣組設(shè)計(jì)圖

圖3 刮渣板設(shè)計(jì)圖

1.4 渣板后的容渣量設(shè)計(jì)

TBM 掘進(jìn)施工中，刮渣板一方面要滿足運(yùn)出石渣的要求，另一方面需考慮更換維護(hù)的方便。容渣量設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮石渣量、刀盤結(jié)構(gòu)、施工效率等因素。石渣在刮渣板后成自然堆放狀態(tài)。在刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)1 周時(shí)，完成完整的刮渣、出渣的刮渣組數(shù)量為刮渣組設(shè)計(jì)數(shù)量的一半，故刮渣板的容渣量應(yīng)滿足

式中 Vg——刮渣板的容渣量；

Sg——刮渣板后的石渣面積；

Hg——刮渣板的高度；

n——刮渣組的數(shù)量。

1.5 刀盤容渣設(shè)計(jì)

進(jìn)入刀盤的石渣，除停留在刮渣板的容渣區(qū)，還增加了刀盤存渣的設(shè)計(jì)來保證石渣的進(jìn)入量。結(jié)合刮渣板布置形式和刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的刀盤存渣區(qū)域如圖4 所示。

圖4 刀盤容渣設(shè)計(jì)圖

1.6 刀盤背面的出渣設(shè)計(jì)

石渣通過刮渣板進(jìn)入刀盤內(nèi)部，集中在刀盤的存渣區(qū)和溜渣板上，隨著刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)，石渣由于重力和慣性的作用向集渣斗移動(dòng)，最后經(jīng)集渣斗轉(zhuǎn)運(yùn)到主機(jī)皮帶上，從而運(yùn)出洞外。

進(jìn)入刀盤的石渣能否順利的運(yùn)出，需要考慮的因素有：刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)的速度、溜渣板的設(shè)計(jì)、集渣斗的設(shè)計(jì)等。如圖5 所示，假設(shè)石渣隨刀盤均勻轉(zhuǎn)動(dòng)，TBM 刀盤使用工況，工作狀態(tài)的常規(guī)轉(zhuǎn)速為8～9rpm 刀盤的振動(dòng)極小，石渣在溜渣板上順利流下的的條件是

根據(jù)受力分析有

式中 ω——刀盤的轉(zhuǎn)速；

a——刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)石渣開始下滑的角度值；

G——石渣所受的重力；

圖5 石渣受力圖

μ——石渣與金屬材料鋼之間的摩擦系數(shù)；

f——摩擦力；

F——支持力；

r——溜渣板的長度。

2 案例分析驗(yàn)證

以甘肅引洮供水施工中TBM 刀盤進(jìn)出渣設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析驗(yàn)證，其中：刀盤開挖直徑D為5.75m，刀圈的貫入度h為0.01m,刀具距離刀盤面板的高度H為0.17m,刀盤設(shè)計(jì)有6 個(gè)刮渣組，刮渣板投影面積Sg為0.46m2，刀盤的轉(zhuǎn)速為5～12rpm，石渣與金屬材料鋼之間的摩擦系數(shù)μ為0.4。驗(yàn)證計(jì)算如下。

刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周的開挖量

陰影部分的面積

由圖1 所示幾何關(guān)系

經(jīng)推導(dǎo)，計(jì)算得掌子面堆渣高度L=0.65m，要求刮渣板設(shè)計(jì)高度應(yīng)大于堆渣高度，案例中刮渣板的設(shè)計(jì)高度為0.775m，滿足設(shè)計(jì)要求。

刮渣板后的容渣量

刀盤容渣量

刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周的總出渣量

V總=Vg+Vd=0.207+0.075=0.282m3

可見V總>Vk，能夠滿足刀盤旋轉(zhuǎn)出渣要求。

3 存在的問題及未來研究的方向

文中TBM 刀盤進(jìn)出渣的設(shè)計(jì)計(jì)算，希望對(duì)提高刀盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)水平、改善刀盤的掘進(jìn)效率、減少刀具的磨損等提供支持。但是由于文中對(duì)石渣的簡化和刀盤推進(jìn)影響的忽略，設(shè)計(jì)計(jì)算有待進(jìn)一步的深入研究。

1）不同地質(zhì)所挖掘石渣的特性和流動(dòng)狀態(tài)，如何進(jìn)入到刀盤內(nèi)部以及石渣與刀盤接觸區(qū)域的堆積狀態(tài)等問題，還只是定性的分析，沒有有效的理論指導(dǎo)。

2）刀盤的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡為螺旋線，而文中的假設(shè)分析為均勻的圓周。石渣在兩種軌跡下的進(jìn)入量和流動(dòng)性的區(qū)別，都是值得深入研究的課題。

4 結(jié) 論

隨著我國水利水電和國防事業(yè)的發(fā)展，大中型的全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)的研制和需求，成為亟待解決的問題。通過參考和分析國內(nèi)成功的TBM刀盤案例，總結(jié)出了TBM 刀盤進(jìn)出渣設(shè)計(jì)計(jì)算的方法，取得了以下的結(jié)論。

1）以某一工程案例為背景，對(duì)提供的刀盤的刮渣板和溜槽的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行理論的校核和驗(yàn)證，提出刮渣板的設(shè)計(jì)長度應(yīng)大于刀盤開挖的堆渣高度值。

2）刮渣板的數(shù)量和存渣區(qū)域空間設(shè)計(jì)是滿足刀盤高效掘進(jìn)的重要組成。

[1]張鏡劍,傅冰駿.隧道掘進(jìn)機(jī)在我國應(yīng)用的進(jìn)展[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，26(02)：226-235.

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