上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)城市化進(jìn)程的加快，城市交通面臨著巨大的壓力，傳統(tǒng)的地面道路和高架快速路由于空間有限，已經(jīng)無(wú)法滿足城市交通快速發(fā)展的要求。以隧道掘進(jìn)機(jī)為代表的非開(kāi)挖技術(shù)已經(jīng)成為緩解城市交通壓力的一個(gè)重要途徑。矩形隧道掘進(jìn)機(jī)斷面形狀為矩形，斷面有效利用率較圓形隧道掘進(jìn)機(jī)提高20%以上。同時(shí)矩形隧道的高度低，容易實(shí)現(xiàn)淺埋，隧道的施工和維護(hù)成本低。某些特殊工程，例如地鐵車站的出入口建設(shè)中采用矩形截面更符合實(shí)際需要。因此，矩形隧道掘進(jìn)機(jī)在城市地下交通工程中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用。

矩形隧道掘進(jìn)機(jī)的切削刀盤(pán)是掘進(jìn)機(jī)的重要組成部分，主要通過(guò)自身的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作切削土體，將切削產(chǎn)生的渣土進(jìn)行充分?jǐn)嚢枰孕纬梢琢鲃?dòng)、高塑性和具有一定止水性的改良渣土，以便產(chǎn)生土壓平衡效果，防止刀盤(pán)前方土體坍塌，并且使得渣土能夠順利通過(guò)螺旋機(jī)排至隧道外部。圓形隧道掘進(jìn)機(jī)由于天然的圓形優(yōu)勢(shì)，采用單個(gè)切削刀盤(pán)便可實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)前方土體全斷面切削。而矩形隧道掘進(jìn)機(jī)由于斷面形狀呈矩形，直接采用單一切削刀盤(pán)容易產(chǎn)生較多的切削盲區(qū)，對(duì)施工較為不利。針對(duì)此問(wèn)題，各個(gè)研究單位相繼開(kāi)發(fā)了矩形偏心刀盤(pán)、帶仿形刀的圓形刀盤(pán)和偏心圓形切削刀盤(pán)等多種形式的矩形隧道掘進(jìn)機(jī)用的切削刀盤(pán)，而組合式切削刀盤(pán)方案以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、切削效率高和對(duì)環(huán)境影響小而受到了市場(chǎng)的歡迎[1,2]。

1 模數(shù)化組合式切削刀盤(pán)

1.1 組合式切削刀盤(pán)的特點(diǎn)

組合式刀盤(pán)是由多個(gè)小型輻條式切削刀盤(pán)組成。每個(gè)切削刀盤(pán)一般由攪拌棒、中空式刀桿、端塞、主刮刀和加強(qiáng)桿組成，每個(gè)刀盤(pán)的切削面積固定不變，如圖1所示。

圖1 輻條式切削刀盤(pán)結(jié)構(gòu)

普通組合式切削刀盤(pán)主要依靠在矩形斷面上布置多個(gè)切削刀盤(pán)來(lái)提高斷面切削率。常見(jiàn)的為大刀盤(pán)和小刀盤(pán)的組合和多個(gè)相同直徑的刀盤(pán)組合。在大刀盤(pán)和小刀盤(pán)的組合中，大刀盤(pán)負(fù)責(zé)斷面大部分土體的切削，而小刀盤(pán)負(fù)責(zé)對(duì)矩形斷面上的一些圓角進(jìn)行土體切削。在多個(gè)相同直徑的刀盤(pán)組合中，各個(gè)切削刀盤(pán)的切削直徑相同，為了獲得較大的斷面切削率，同時(shí)不發(fā)生刀盤(pán)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中相互干涉，一般將切削刀盤(pán)設(shè)計(jì)為前后雙層布置，各個(gè)刀盤(pán)的切削面積有重合部分，以此達(dá)到提高斷面切削率的目標(biāo)。

1.2 模數(shù)化的組合式切削刀盤(pán)

普通組合式刀盤(pán)在應(yīng)用中有許多問(wèn)題，最重要的就是刀盤(pán)適應(yīng)能力差。眾所周知， 在矩形隧道設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了滿足不同的行車和行人需要，不同位置和服務(wù)功能的矩形隧道斷面尺寸一般是不同的。對(duì)施工單位而言，需要針對(duì)每種類型的矩形隧道設(shè)計(jì)或者定做不同截面的矩形隧道掘進(jìn)機(jī)，由于配置刀盤(pán)切削直徑是按照截面形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)的，不同隧道掘進(jìn)機(jī)的切削刀盤(pán)的切削面積是不同的，從而造成各個(gè)切削刀盤(pán)無(wú)法實(shí)現(xiàn)互換和通用。上述問(wèn)題造成施工單位設(shè)備投資大，設(shè)備利用率低，經(jīng)濟(jì)效益差。為了提高矩形隧道掘進(jìn)機(jī)切削刀盤(pán)的通用性和適應(yīng)性，本文提出了模數(shù)化組合式切削刀盤(pán)的設(shè)計(jì)方案。

在模數(shù)化切削刀盤(pán)設(shè)計(jì)中，刀盤(pán)的切削面積不再根據(jù)某一特定的斷面尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是通過(guò)對(duì)城市地下交通工程的功能進(jìn)行調(diào)查研究，分析各個(gè)不同功能地下交通通道的尺寸范圍，經(jīng)過(guò)科學(xué)的優(yōu)化比選，最終確定模數(shù)化的刀盤(pán)直徑。在布置切削刀盤(pán)時(shí)，通過(guò)增加或者減少切削刀盤(pán)數(shù)量來(lái)適應(yīng)不同斷面尺寸的各種類型矩形隧道。上述設(shè)計(jì)方法首先保證了切削刀盤(pán)的適應(yīng)能力強(qiáng)，通過(guò)增減刀盤(pán)數(shù)量便可以適應(yīng)不同類型的矩形隧道斷面尺寸；其次切削刀盤(pán)的通用程度高，切削刀盤(pán)的各個(gè)零件的互換性強(qiáng)；最后，切削刀盤(pán)的利用率高，各個(gè)不同斷面尺寸的隧道可以使用同一種類型的切削刀盤(pán)，施工單位可以用較少的投資取得比較大的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3 切削面積可微調(diào)的模數(shù)化切削刀盤(pán)

模數(shù)化切削刀盤(pán)在適應(yīng)不同矩形隧道斷面尺寸上具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，但隨著矩形隧道的發(fā)展，大跨度的隧道項(xiàng)目在城市地下交通工程中也越來(lái)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(xué)性能，在隧道設(shè)計(jì)中，對(duì)組成隧道斷面的4條邊線進(jìn)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(guī)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(pán)切削直徑模數(shù)化，本文提出了切削直徑可以微調(diào)的新型切削刀盤(pán)。新型切削刀盤(pán)通過(guò)增加改變刀桿長(zhǎng)度的伸縮裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)整刀盤(pán)切削面積的目的。

新型輻條式切削刀盤(pán)基本結(jié)構(gòu)與原有的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)類似，由攪拌棒、刀桿、刮刀和加強(qiáng)桿等主要部分組成，所不同的是，將原有固定長(zhǎng)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(pán)刀桿的可伸縮機(jī)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖2 新型刀盤(pán)刀桿的伸縮裝置（伸出狀態(tài)）

圖3 新型刀盤(pán)刀桿的伸縮裝置（縮回狀態(tài)）

新型刀盤(pán)的可伸縮機(jī)構(gòu)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(jī)械結(jié)構(gòu)[3,4]。

伸縮桿為鋼制圓筒結(jié)構(gòu)，可在原有的中空式刀桿內(nèi)部滑動(dòng)。在伸縮桿的端部設(shè)置悶頭結(jié)構(gòu)，防止切削刀盤(pán)在切削土體過(guò)程中發(fā)生渣土涌入刀盤(pán)刀桿內(nèi)部造成伸縮桿伸縮困難的情況。為保證刀盤(pán)的伸縮桿伸出后刀盤(pán)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(dòng)作過(guò)程中需確定伸縮長(zhǎng)度和伸縮完成后的固定位置，因此在伸縮桿和主刀桿上設(shè)置了一排定位銷孔，當(dāng)伸縮桿的伸縮長(zhǎng)度達(dá)到需要的長(zhǎng)度后，在伸縮桿和主刀桿的銷孔內(nèi)安裝定位銷即可實(shí)現(xiàn)伸出長(zhǎng)度的定位工作。

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

2 新型組合式切削刀盤(pán)的應(yīng)用

2.1 在矩形隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)布置上的應(yīng)用

在進(jìn)行矩形隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤(pán)設(shè)計(jì)時(shí)，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的車行、人行地下通道的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)查和優(yōu)選，提出了以2 500 mm作為切削刀盤(pán)切削直徑的基本模數(shù)值，為了適應(yīng)近似矩形的橢圓形斷面，上述切削刀盤(pán)可以實(shí)現(xiàn)在基準(zhǔn)模數(shù)值2 500 mm的小范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，刀盤(pán)布置方案見(jiàn)圖4。

圖4 切削刀盤(pán)的模數(shù)化布置

在圖4（a）中，隧道為2車道小型車輛地下通道，整個(gè)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(jìn)行刀盤(pán)布置時(shí)，采用了8個(gè)大刀盤(pán)分2排布置的方案，3個(gè)小刀盤(pán)用來(lái)對(duì)大刀盤(pán)的切削盲區(qū)進(jìn)行土體切削。為了適應(yīng)斷面4個(gè)圓角，對(duì)位于四角的大刀盤(pán)的切削直徑進(jìn)行了微調(diào)。在圖4（b）中，隧道為2車道大型貨車的地下通道，整個(gè)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(jìn)行刀盤(pán)布置時(shí)，采用了12個(gè)大刀盤(pán)分3排布置的方案，6個(gè)小刀盤(pán)用來(lái)對(duì)2個(gè)大刀盤(pán)之間的切削盲區(qū)的土體進(jìn)行切削。同樣，對(duì)四角處的刀盤(pán)切削直徑進(jìn)行了微調(diào)。

通過(guò)上述增減刀盤(pán)數(shù)量來(lái)適應(yīng)隧道斷面的刀盤(pán)布置方案，不僅可以提高刀盤(pán)對(duì)隧道斷面的適應(yīng)能力，同時(shí)還提高了刀盤(pán)利用率，其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益是不言而喻的。

2.2 刀盤(pán)組合在施工糾偏中的應(yīng)用

隧道掘進(jìn)機(jī)在施工中不可避免地會(huì)出現(xiàn)繞軸線偏轉(zhuǎn)的情況，嚴(yán)重的偏轉(zhuǎn)對(duì)施工和隧道使用都有很大的危害。圓形隧道掘進(jìn)機(jī)由于自身為圓形，糾偏時(shí)的阻力相對(duì)較小，而矩形隧道掘進(jìn)機(jī)由于斷面近似為矩形，糾偏的阻力相對(duì)較大，因此防止矩形隧道掘進(jìn)機(jī)出現(xiàn)大的偏轉(zhuǎn)和對(duì)出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行有效地糾正是矩形隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

矩形隧道掘進(jìn)機(jī)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的主要原因是掘進(jìn)機(jī)周圍的土體無(wú)法全部抵抗由于刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的反力矩，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)在上述反力矩的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在多刀盤(pán)組合的切削刀盤(pán)系統(tǒng)中，通過(guò)將掘進(jìn)機(jī)左右兩側(cè)的刀盤(pán)以相反的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，如圖5所示，使矩形隧道掘進(jìn)機(jī)左側(cè)刀盤(pán)產(chǎn)生的反力矩與矩形隧道掘進(jìn)機(jī)右側(cè)刀盤(pán)產(chǎn)生的反力矩相等，將大大減少由于刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反力矩，降低了矩形隧道掘進(jìn)機(jī)發(fā)生大偏轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)矩形隧道掘進(jìn)機(jī)發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)時(shí)，將掘進(jìn)機(jī)的全部刀盤(pán)以與偏轉(zhuǎn)方向相同的方向旋轉(zhuǎn)，如圖6所示。由此產(chǎn)生的反力矩作用在矩形隧道掘進(jìn)機(jī)上，該力矩為矩形隧道掘進(jìn)機(jī)提供糾偏的動(dòng)力[5,6]。

圖5 兩側(cè)刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向相反

圖6 兩側(cè)刀盤(pán)的旋轉(zhuǎn)方向相同

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)研究組合式切削刀盤(pán)的實(shí)現(xiàn)形式，提出模數(shù)化的組合式切削刀盤(pán)和切削面積可調(diào)的切削刀盤(pán)裝置，實(shí)現(xiàn)了切削刀盤(pán)的模數(shù)化和通用化。在應(yīng)用中，通過(guò)增加或者減少切削刀盤(pán)數(shù)量的方法可以使得切削刀盤(pán)能夠適應(yīng)各種不同類型的矩形隧道。組合式切削刀盤(pán)設(shè)計(jì)方案在施工時(shí)還可以起到防止出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)和有效糾偏的作用。上述設(shè)計(jì)方案可以提高切削刀盤(pán)的適應(yīng)能力和設(shè)備利用率，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。