張照煌，柴超群，趙 宏

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京 昌平 102206)

0 前言

全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine,TBM)是隧道專用的施工機(jī)械，被廣泛應(yīng)用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電隧道等工程。刀盤是TBM的關(guān)鍵部件，具有開挖、穩(wěn)定掌子面、攪拌巖碴等功能。刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)提高TBM破巖能力和掘進(jìn)效率、降低挖掘成本具有重要作用，是影響TBM掘進(jìn)性能的決定性因素[1]。因此，掌握刀盤設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，并且提高自主創(chuàng)新與制造能力，對(duì)推動(dòng)我國(guó)TBM發(fā)展具有重要的戰(zhàn)略意義。

TBM刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有：刀盤盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、刀盤選型、刀具選擇、刀間距設(shè)計(jì)、刀具布置以及鏟斗、溜碴槽、支撐筋等重要構(gòu)件的設(shè)計(jì)與布置。刀盤結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要針對(duì)具體工程的地質(zhì)條件和施工要求進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

雖然TBM刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)很重要，但國(guó)內(nèi)外對(duì)這一方面發(fā)表的論文比較少。本文針對(duì)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)中的一些基本原則和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了概述，旨在為相關(guān)從業(yè)人員提供一個(gè)有關(guān)TBM刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思路，并不斷豐富刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)研究理論。

1 刀盤設(shè)計(jì)步驟

1.1 刀盤直徑選擇

刀盤直徑的選擇是進(jìn)行刀盤設(shè)計(jì)的第一步。當(dāng)施工工程的地質(zhì)條件確定后，需要針對(duì)具體的施工要求和掘進(jìn)隧道(洞)的實(shí)際用途選擇合適的刀盤直徑。一般而言，對(duì)于小型排污、輸水、鋪線等工程，刀盤直徑設(shè)計(jì)為3 m左右；對(duì)于城市地鐵隧道的施工，刀盤直徑設(shè)計(jì)為6 ～7 m；而對(duì)于大型的跨海、跨山鐵路隧道工程，刀盤直徑設(shè)計(jì)為8 m以上，如西安-安康鐵路秦嶺段采用的TB880E刀盤直徑為8.8 m。

由于采用TBM進(jìn)行隧道掘進(jìn)時(shí)，開挖截面的形狀大部分都是圓形的，則刀盤設(shè)計(jì)直徑(理論開挖直徑)與設(shè)計(jì)成洞后的隧道直徑的作用原理如圖1所示。

圖1 刀盤掘進(jìn)直徑

開挖直徑與成洞直徑的計(jì)算關(guān)系式為

D=D0+2(h0+h)

(1)

式中，D為刀盤的設(shè)計(jì)直徑；D0為成洞后的直徑；h0為管片厚度，h0通常為30 cm；h為注漿厚度，當(dāng)D=3～8 m時(shí)，h=6～15 cm。

在實(shí)際的施工作業(yè)時(shí)，由于不可避免的要受到掘進(jìn)誤差、巖體變形、盤體磨損等因素的影響，因此在進(jìn)行刀盤直徑的實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，要充分探測(cè)好地質(zhì)條件和預(yù)估好可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)誤差，必要時(shí)留出適當(dāng)?shù)氖┕び嗔俊?/p>

1.2 刀盤外形

刀盤外形的選擇是進(jìn)行刀盤設(shè)計(jì)的第二步。TBM的刀盤按其外形可以分為平面刀盤、錐面刀盤和球面刀盤3種，如圖2所示。顧名思義，球面刀盤的外形類似球形，采用球面設(shè)計(jì)的刀盤在掘進(jìn)過(guò)程中有良好的的穩(wěn)定性、定向性、穿透性，但無(wú)法適應(yīng)不良地質(zhì)；錐面刀盤的大錐角可以充分形成破巖自由面，若施工沿線存在橋墩、堅(jiān)硬圍巖等特殊地質(zhì)時(shí)采用錐面刀盤可加快破巖效率，但對(duì)地質(zhì)的適應(yīng)性比較差；平面刀盤相對(duì)于球面刀盤和錐面刀盤，在掘進(jìn)過(guò)程中接觸的破巖面積小，因而所受的巖石阻力也比較小，減少了對(duì)巖石的擾動(dòng)，能有效避免人為不良地質(zhì)災(zāi)害的出現(xiàn)，并且平面刀盤對(duì)不良地質(zhì)，如砂礫層、塊狀圍巖有較好的適應(yīng)性[2]。

圖2 不同刀盤外形

在實(shí)際施工中對(duì)刀盤的外形進(jìn)行選擇時(shí)，考慮到平面刀盤制造方便，地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)，刀盤推力的利用效率高，因而被廣泛地使用，如中鐵382號(hào)、241號(hào)等。此外，在考慮到破巖掘進(jìn)過(guò)程中的巖碴滑落，球面刀盤和錐面刀盤存在嚴(yán)重的多次破碎，目前球面刀盤和錐面刀盤已被制造商淘汰，不再在施工中應(yīng)用。

1.3 刀盤面板

早前TBM的刀盤主要是由厚鋼板焊接而成，其具有加工周期短、制造成本低、加工方式靈活的優(yōu)點(diǎn)，但是由于焊接應(yīng)力和焊接缺陷的影響，使得刀盤整體強(qiáng)度和剛度不均勻，在沖擊載荷的作用下刀盤形變不一致，焊接處更易產(chǎn)生開裂，嚴(yán)重時(shí)可致刀盤報(bào)廢。

目前，針對(duì)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)時(shí)沖擊載荷大的特點(diǎn)，其刀盤面板一般采用厚度270 mm的鋼件鍛造，刀盤法蘭采用300 mm的厚板鍛造加工，結(jié)構(gòu)為箱型面板式設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖3)，這種刀盤整體強(qiáng)度高，剛度高，刀具布置范圍廣，在掘進(jìn)中的抗沖擊振動(dòng)性能好。此外，為了方便刀盤的生產(chǎn)制造及運(yùn)輸，可將大直徑刀盤面板分塊，分塊形式有中心對(duì)分、偏心對(duì)分、中方五分、中六角七分等形式，然后在施工現(xiàn)場(chǎng)用高強(qiáng)度螺栓連接后再進(jìn)行焊接，使其形成一塊完整的刀盤。需要注意的是，采用分塊焊接的刀盤在經(jīng)過(guò)精加工后，所有鋼板和焊縫部位均需要進(jìn)行無(wú)損探傷，確保無(wú)任何缺陷，以降低后續(xù)作業(yè)過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題的可能性。

圖3 刀盤面板加工圖

長(zhǎng)期以來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)刀盤面板的設(shè)計(jì)，評(píng)價(jià)工作進(jìn)行了大量的研究。孫統(tǒng)輝[3]從降低制造成本，提高刀盤面板性能的角度出發(fā)，對(duì)傳統(tǒng)的面板自由鍛工藝進(jìn)行創(chuàng)新，提高了產(chǎn)品質(zhì)量；張照煌以彈性力學(xué)理論中的彈性薄板變形微分方程為基礎(chǔ)，提出了設(shè)計(jì)曲面刀盤的概念[4]，并通過(guò)科學(xué)的理論發(fā)現(xiàn)要使刀盤撓度值盡可能小，面板厚度值應(yīng)不小于0.25 m，最好大于0.35 m[5]，以及在刀盤面板材料一定的條件下，其固有振動(dòng)頻率與刀盤面板厚度成正比例關(guān)系[6]。由以上可知，現(xiàn)有學(xué)者對(duì)刀盤面板的研究多為針對(duì)某一實(shí)際的工程地質(zhì)，提出的解決問(wèn)題的方案太單一，不具備通用性，此外刀盤面板在地質(zhì)適應(yīng)性設(shè)計(jì)方面缺少完整的理論依據(jù)，經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)及可靠的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在很大程度上還依賴于工程經(jīng)驗(yàn)。因此，今后刀盤面板設(shè)計(jì)的理論研究可從以下方面出發(fā)：

(1)數(shù)值模擬，實(shí)驗(yàn)研究從建立更符合實(shí)際的刀盤模型為出發(fā)點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)的理論研究；

(2)運(yùn)用拓?fù)淅碚搩?yōu)化面板上各結(jié)構(gòu)之間的制約關(guān)系，使各結(jié)構(gòu)在合理安裝設(shè)計(jì)的同時(shí)也能起到對(duì)刀盤性能提高的作用。

1.4 刀具選擇

1.4.1 滾刀尺寸

盤形滾刀是全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)實(shí)現(xiàn)破巖掘進(jìn)的關(guān)鍵部件，根據(jù)不同的地質(zhì)條件選擇合適的刀具是刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵任務(wù)。Rostami[7]對(duì)于破巖過(guò)程中刀具的選擇和應(yīng)用趨勢(shì)進(jìn)行了深入的研究。在全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)上，一般使用直徑為432 mm(17 in)等截面(CCS)盤形滾刀作為最基礎(chǔ)的選擇；在非常堅(jiān)硬的巖石上，為了盡量減少刀具更換的需要，應(yīng)該選用較大的483 mm(19 in)的盤形滾刀；在刀盤直徑大于10.5 m的掘進(jìn)機(jī)上，應(yīng)該使用大于500 mm(20 in)的盤形滾刀[8,9]；對(duì)于較小尺寸的刀盤，一般選用較小尺寸的滾刀，例如150 mm、300 mm、365 mm的滾刀。盤形滾刀尺寸和刀盤直徑的關(guān)系如下表1所示。

表1 盤形滾刀直徑和刀盤直徑的關(guān)系

通過(guò)表1可以知道：隨著刀盤直徑的增加，其上安裝的盤形滾刀的直徑也在增加。目前工程上普遍應(yīng)用的是增大了直徑的盤形滾刀，即通過(guò)增大盤形滾刀直徑來(lái)提高其耐磨容量，從而促進(jìn)了盤形滾刀直徑的大型化發(fā)展。另外，在盤形滾刀尺寸的選擇時(shí)也要考慮到考慮以下幾個(gè)因素：

(1)刀具的承載能力。盤形滾刀的直徑不同，其承載能力也不相同，盤形滾刀直徑與其承載能力間的關(guān)系見(jiàn)表2所示。

表2 滾刀直徑及承載能力

(2)刀具所需的破巖力。對(duì)于相同硬度的巖石，盤形滾刀所需破巖力隨著滾刀尺寸的增加而增加。

(3)滾刀的最大轉(zhuǎn)速。滾刀的最大轉(zhuǎn)速受刀盤轉(zhuǎn)速影響，而刀盤的轉(zhuǎn)速隨著刀盤直徑的增大而減小。

1.4.2 滾刀刀刃

盤形滾刀按其在刀盤上分布的位置和作用不同劃分為中心滾刀、正滾刀、過(guò)渡滾刀和邊滾刀；按其刀刃的多少，可分為單刃滾刀、雙刃滾刀和三刃滾刀[10]，如圖4所示。全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)一般采用單刃盤形滾刀和雙刃盤形滾刀進(jìn)行破巖，單刃的破巖及抗沖擊載荷性能好，能適應(yīng)巖石強(qiáng)度30～350 MPa，因此除中心滾刀外多選擇單刃滾刀設(shè)計(jì)，而中心滾刀則可以采用多刃設(shè)計(jì)。此外，盤形滾刀的刀刃角一般設(shè)計(jì)為60°、75°、90°、120°或平刃等多種。如果作業(yè)的巖石硬度很高，則用刀刃角較大的盤形滾刀，反之巖石條件較軟的情況下用刀刃角較小的盤形滾刀。而在更軟的巖層中，刀刃角小的盤形滾刀很容易陷入里面而使掘進(jìn)效率降低，此時(shí)如果使用刀刃角較大或者平刃的盤形滾刀，破巖效果會(huì)更好。另外，為了降低掘進(jìn)過(guò)程中滾刀的磨損，也可將滾刀刃寬適當(dāng)增加，但這樣設(shè)計(jì)同時(shí)也會(huì)將切削力增加，進(jìn)而引起刀盤扭矩的增加，因此，在實(shí)際施工時(shí)要根據(jù)工程地質(zhì)狀況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖4 盤形滾刀類型

1.5 刀間距

在滾刀選擇好以后，進(jìn)行刀間距的設(shè)計(jì)，這關(guān)系到掘進(jìn)機(jī)的掘進(jìn)效率、破巖能力、機(jī)械能耗。過(guò)小的刀間距會(huì)形成粉碎狀巖渣，開挖效率低，機(jī)械能耗大，過(guò)大的刀間距又達(dá)不到破巖效果，因而就需要尋求最優(yōu)刀間距。最優(yōu)滾刀間距的設(shè)計(jì)取決于巖石類型，巖石物理力學(xué)屬性和巖石節(jié)理分布等因素[1]。在給定地質(zhì)條件后，需要對(duì)TBM的推力、扭矩和功率等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)討論，為此，許多學(xué)者針對(duì)破巖力進(jìn)行了不同理論研究，提出了各種不同的公式和模型，比較著名的有伊萬(wàn)斯(Evans)預(yù)測(cè)公式[11]、秋三藤三郎預(yù)測(cè)公式[12]、羅克斯巴勒(F.F.Roxborough)預(yù)測(cè)公式[13]、科羅拉多礦業(yè)學(xué)院預(yù)測(cè)公式[14]以及張照煌等建立的滾刀破巖垂直力計(jì)算公式[15]等。目前，滾刀破巖力最常用的估算公式是“科羅拉多礦業(yè)學(xué)院(CSM)模型”，該模型對(duì)破巖力的估算如下：

(2)

式(2)所計(jì)算的力可以用來(lái)確定刀盤在滾刀承載能力范圍內(nèi)對(duì)巖石的的最大貫入度，從而計(jì)算出S/P的值，常作為刀間距設(shè)計(jì)的參考因素，其隨巖石脆性的增大而增大，隨破巖深度的變化而略有變化。巖石單軸強(qiáng)度和S/P關(guān)系如表3所示。

表3 巖石單軸強(qiáng)度和S/P關(guān)系

針對(duì)大多數(shù)工程情況和實(shí)際設(shè)計(jì)，S/P值及刀間距選擇符合以下設(shè)計(jì)原則：

(1)對(duì)于硬巖地質(zhì)條件，為了避免在高強(qiáng)度巖石中形成隆起，S/P比值為10～20；

(2)對(duì)于軟巖地層，刀間距一般為65 ～90 mm[16]；

(3)在較脆的巖石(如砂巖和石灰?guī)r)中，最優(yōu)刀間距可高達(dá)110 mm。

此外，比能(Specific Energy,SE)即滾刀切削單位體積巖石所需消耗的能量，也常作為刀間距設(shè)計(jì)的關(guān)鍵評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)外研究人員已對(duì)刀盤比能及性能預(yù)測(cè)進(jìn)行了許多理論探討和試驗(yàn)研究[17-19]，得出類似規(guī)律：刀間距與比能成“U”形曲線，該曲線的最小值即為最優(yōu)刀間距。因此，在對(duì)滾刀的間距設(shè)計(jì)時(shí)，需要針對(duì)不同地質(zhì)類型，統(tǒng)籌考慮掘進(jìn)效率和破巖能力的關(guān)系，充分協(xié)調(diào)好刀間距、比能、貫入度之間的關(guān)系，以此得出最優(yōu)刀間距。

1.6 滾刀數(shù)量

在對(duì)刀盤直徑和滾刀間距進(jìn)行設(shè)計(jì)后，就可以確定滾刀數(shù)量，因?yàn)闈L刀數(shù)量的確定受到刀盤直徑和刀間距的制約。針對(duì)星型刀盤設(shè)計(jì)，滾刀數(shù)量的確定可按式(3)計(jì)算：

(3)

式中，N為滾刀數(shù)量；D為刀盤設(shè)計(jì)直徑；S為刀間距；n是徑向線數(shù)量；Z為中心滾刀數(shù)量；T為邊滾刀數(shù)量。

對(duì)于螺旋線型和隨機(jī)型刀盤的數(shù)量設(shè)計(jì)公式在已有的文獻(xiàn)中尚未看到，因此針對(duì)這兩種刀盤數(shù)量設(shè)計(jì)提出可行的理論計(jì)算公式是亟待解決的問(wèn)題。

1.7 刀具布置

近年來(lái)，TBM被用于更加復(fù)雜的地質(zhì)條件和受到更苛刻的約束，這使刀盤布局設(shè)計(jì)變得更為困難也更加重要。刀具布置是刀盤布局中最核心的部分，這關(guān)系TBM效率、刀具和刀盤大軸承壽命，是降低掘進(jìn)成本的關(guān)鍵技術(shù)之一。

目前，全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)刀盤上盤形滾刀的布置形式主要有螺旋線型、星型(米字型)和隨機(jī)型3種，如圖5所示。螺旋線型布置方式的特點(diǎn)是盤形滾刀都布置在以刀盤圓心為原點(diǎn)的螺旋線上，可以根據(jù)刀盤半徑、角間距的變化研發(fā)出雙螺旋線、多螺旋線設(shè)計(jì)；星型布置方式是所有盤形滾刀都在一個(gè)以刀盤圓心為基準(zhǔn)點(diǎn)，滾刀分別放置在與基準(zhǔn)線成120°、90°、60°、45°……角的線上；隨機(jī)型布置是根據(jù)每把盤形滾刀的破巖面積相同，不同區(qū)域內(nèi)盤形滾刀密度相似進(jìn)行隨機(jī)布置。

圖5 滾刀布置方式

國(guó)內(nèi)外有關(guān)TBM刀具布置研究文獻(xiàn)發(fā)表較少，但很多學(xué)者對(duì)盤形滾刀的布置仍然做出了較深入研究。由眾多學(xué)者的研究可知：極角和極徑是刀具布置中最重要的兩個(gè)參數(shù)，在刀具布置時(shí)應(yīng)該首先確定極角，再根據(jù)極角確定極徑，這樣就能準(zhǔn)確設(shè)計(jì)每一把滾刀位置。此外，刀具布置應(yīng)遵循以下原則：

(1)滾刀應(yīng)在刀盤上均勻分布，盡量保持刀盤對(duì)稱；

(2)避免刀具在刀盤任何區(qū)域的應(yīng)力集中，以此避免偏心力和偏心力矩；

(3)各滾刀之間不相干涉，符合最佳刀間距設(shè)計(jì)；

(4)不同滾刀的破巖量應(yīng)盡可能相同，使?jié)L刀壽命相近。

現(xiàn)在，對(duì)于刀具布置尚未形成完整統(tǒng)一的理論。因?yàn)榈毒卟贾迷O(shè)計(jì)不僅需要滿足幾何約束和力學(xué)平衡約束，還涉及巖體力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)等多個(gè)學(xué)科知識(shí)，需要綜合考慮地質(zhì)圍巖屬性，刀盤/刀具與巖體相互作用關(guān)系模型，在多約束條件下設(shè)計(jì)求解。而刀具布置也正在朝著這方面發(fā)展，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)等前沿理論對(duì)刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化，以及對(duì)刀具布置進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化正成為下一個(gè)研究的熱點(diǎn)。

2 刀盤其它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)的刀盤設(shè)計(jì)除主要布置刀具外，還須合理布置刮碴鏟斗、噴水孔、溜碴槽、支撐筋、排碴開口、人孔通道等。刀盤上各結(jié)構(gòu)的合理布局是優(yōu)化刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和掘進(jìn)機(jī)性能的最重要因素。

2.1 鏟斗

TBM上鏟斗的數(shù)量、尺寸和布置也是刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容，鏟斗位置如圖6。鏟斗數(shù)量和尺寸的選擇應(yīng)該與預(yù)計(jì)的破巖量成正比，并且隨著刀盤在巖石中貫入度的增加而增加。當(dāng)鏟斗的數(shù)量被確定以后，應(yīng)該使其均勻的布置在刀盤面板上，這是為了確保從刀盤底部收集的巖碴塊的體積是均勻的。

圖6 鏟斗位置

通常情況下，鏟斗的布置一般將較長(zhǎng)的鏟斗放置在常規(guī)鏟斗之間(每隔兩個(gè)或三個(gè)鏟斗)；為刀盤能高效出渣，鏟斗的數(shù)量設(shè)計(jì)原則為：在堅(jiān)硬巖石中如果使用小型刀盤應(yīng)將數(shù)量選擇為4個(gè)，中型刀盤數(shù)量應(yīng)為6～8個(gè)，大型刀盤通常為12個(gè)。

2.2 刀盤主軸承

TBM在進(jìn)行掘進(jìn)作業(yè)時(shí)承受著復(fù)雜的力及力矩，而主軸承作為支撐掘進(jìn)機(jī)刀盤的主要承載部件，承擔(dān)著掘進(jìn)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中的主要載荷，是刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。由于主軸承的加工及安裝精度高、制作難度大，在施工過(guò)程中不可維修，因此在對(duì)掘進(jìn)機(jī)主軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，一般要求主軸承的使用壽命要與刀盤壽命相當(dāng)[20]。

硬巖掘進(jìn)機(jī)的主軸承座位于刀盤后面，主軸承一般采用大直徑、高承載力、長(zhǎng)壽命的三軸式設(shè)計(jì)，軸承內(nèi)圈帶有內(nèi)齒圈，如圖7所示。雙軸承支座驅(qū)動(dòng)小齒輪與內(nèi)齒圈嚙合，支撐穩(wěn)固的驅(qū)動(dòng)齒輪可以最大限度地減小齒輪磨損，而主軸承與大齒圈設(shè)計(jì)壽命應(yīng)該超過(guò)1.5萬(wàn)小時(shí)。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于TBM主軸承的力學(xué)性能分析還沒(méi)有較系統(tǒng)的辦法。

圖7 刀盤與主軸承的連接

2.3 滾刀座

早期的滾刀座為懸臂加工設(shè)計(jì)，刀座與刀盤面板不是統(tǒng)一整體，在刀盤旋鈕力矩的作用下容易產(chǎn)生焊接疲勞發(fā)生脫落，影響正常的掘進(jìn)施工。

現(xiàn)有的滾刀座多為直接焊接在刀盤面板上，按其在刀盤面板上位置的不同分為“凸置式”和“凹置式(也叫背裝式)”，如圖8、9所示。凸置式是將盤形滾刀座直接焊接或用螺栓聯(lián)接在刀盤前表面，這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅容易加速刀座磨損，也容易造成刀座與刀盤間的焊縫或聯(lián)接螺栓斷裂，因而已被淘汰。凹置式是將滾刀座安裝在刀盤面板前表面以下，對(duì)盤形滾刀及滾刀座起到保護(hù)作用，而且刀具磨損后易于更換，具有很高的安全性。因此，現(xiàn)有的刀盤滾刀座設(shè)計(jì)均采用凹置式結(jié)構(gòu)。

圖8 凸置式滾刀座

圖9 凹置式滾刀座

在進(jìn)行滾刀座設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮到刀座的強(qiáng)度和剛度的要求，避免因過(guò)載而造成的破裂，甚至從刀盤上脫落。因此，為了提高滾刀座的耐用性，可在刀盤鑄造時(shí)直接將滾刀座和刀盤面板鑄造為一體，這樣可以大大增強(qiáng)刀座的使用壽命。目前，“凹置式”滾刀座的設(shè)計(jì)發(fā)展方向：

(1)通用型。刀盤在掘進(jìn)過(guò)程中會(huì)遇到不同地質(zhì)地層，針對(duì)不同地質(zhì)條件實(shí)現(xiàn)同一刀座可應(yīng)對(duì)滾刀不同尺寸、類型快速更換的需要。

(2)一體化。現(xiàn)有的刀座結(jié)構(gòu)多為焊接式設(shè)計(jì)，與刀盤聯(lián)合為一體，不可調(diào)整，讓滾刀座“從靜到動(dòng)”可以方便進(jìn)行角度，位置的調(diào)整以應(yīng)對(duì)不同破巖力，扭矩等掘進(jìn)參數(shù)的要求。

(3)人性化?！翱觳鹂煅b”結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，可以方便地使人工快速實(shí)現(xiàn)對(duì)不良滾刀的更換，節(jié)省作業(yè)時(shí)間。

2.4 溜碴板

溜碴板作為TBM刀盤的支撐結(jié)構(gòu)，不但關(guān)系到刀盤的出碴性能，而且也會(huì)對(duì)刀盤的剛度和強(qiáng)度造成一定影響。在刀盤的工作過(guò)程中，溜碴板主要作用是將鏟入刀盤中的巖碴運(yùn)送到皮帶輸送機(jī)上，然后巖碴將隨皮帶輸送機(jī)達(dá)到洞外，因此如果溜碴板的設(shè)計(jì)不能滿足實(shí)際施工要求，將會(huì)使巖碴在刀盤內(nèi)部發(fā)生堆積，造成刀盤內(nèi)部部件的磨損破壞。

目前，李大平[21]利用ABAQUS建立數(shù)值仿真模型對(duì)刀盤溜碴板結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)；虞詩(shī)強(qiáng)[22]對(duì)單一直徑刀盤情況下，不同出碴槽的布置方式對(duì)出碴流動(dòng)性的影響進(jìn)行了分析；聶曉東[23]提出了一種通過(guò)修改溜碴板有效長(zhǎng)度來(lái)改進(jìn)出碴性能的方法。

綜上可知，溜碴板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要求為：(1)保證刀盤的剛度和強(qiáng)度；(2)提高溜碴板的出碴性能(溜碴板數(shù)量、合理布置等)。因此，對(duì)溜碴板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，其布置方式和不同地質(zhì)特性下巖碴的流動(dòng)性及出碴機(jī)理進(jìn)行深入探究將是以后研究的方向。

2.5 支撐筋

在全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)工作時(shí)，由于為了使巖碴增加順暢排出，在相鄰碴板布置時(shí)通常會(huì)存在較大的距離，這樣的布置方法將會(huì)導(dǎo)致刀盤的強(qiáng)度和剛度較弱，因此為了維持刀盤面板有較高的剛度和強(qiáng)度，降低刀盤振動(dòng)和變形，會(huì)在刀盤后面板上焊接上支撐筋。支撐筋按其分布位置不同主要有分瓣支撐筋和周邊支撐筋，分瓣支撐筋位于刀盤后面板的徑向線上，而周邊支撐筋位于刀盤外圍，如圖10所示。目前，能查閱到的有關(guān)支撐筋設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)很少，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)于支撐筋的研究仍處于起步階段。

圖10 刀盤支撐筋結(jié)構(gòu)

3 結(jié)論

總結(jié)了刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中重要結(jié)構(gòu)部件的設(shè)計(jì)和布置，并分別介紹了各結(jié)構(gòu)的研究成果，但是由于刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，目前的研究理論仍然不是很成熟。隨著掘進(jìn)機(jī)被越來(lái)越廣泛的使用，面臨的地質(zhì)條件更嚴(yán)苛，還需要更深入的研究刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)。

(1)刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要充分考慮刀盤與巖土的相互作用機(jī)理，只有將地質(zhì)條件搞清楚，才能“因地制宜”協(xié)調(diào)好刀盤設(shè)計(jì)參數(shù)。

(2)現(xiàn)有刀盤結(jié)構(gòu)多為針對(duì)某一特定地質(zhì)，如何建立龐大的設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，推導(dǎo)出更實(shí)用的刀盤/滾刀受力計(jì)算公式，促進(jìn)刀盤設(shè)計(jì)向一體化、通用化、智能化發(fā)展仍然是個(gè)亟待解決的難題。