（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構(gòu)在施工過程中會遇到各種不同地層，從淤泥、粘土、砂層到軟巖及硬巖等，其中刀盤刀具必須根據(jù)工程地質(zhì)情況進(jìn)行針對性設(shè)計[1～2］。刀盤、刀具是盾構(gòu)的關(guān)鍵部件之一，直接影響盾構(gòu)施工的效率和設(shè)備選型的成敗。刀盤設(shè)計時，應(yīng)充分考慮刀盤的結(jié)構(gòu)形式、刀盤開口率、刀具的布置、使用壽命及刀具費用等因素對地質(zhì)的適應(yīng)性，在確保開挖面穩(wěn)定的情況下，提高掘進(jìn)速度[3～4]。

在單軸抗壓強(qiáng)度比較高的巖層中掘進(jìn)，能否高效率的破除巖石是主要矛盾，此種狀況下合理的刀間距、滾刀刀圈的刃型、材質(zhì)是主要考慮的問題。但在城市地鐵施工中，存在較多的混合地層，比如在粉質(zhì)粘土與強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化的泥灰?guī)r、石灰?guī)r、角礫巖等混合地質(zhì)盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)，巖石的單軸抗壓強(qiáng)度不高，破巖不是主要矛盾，采用單刃滾刀的刀盤方案還是雙刃滾刀的刀盤方案掘進(jìn)施工一直是業(yè)內(nèi)討論的問題。

1 單刃滾刀與雙刃滾刀結(jié)構(gòu)特點

盤形滾刀技術(shù)是盾構(gòu)/TBM 的核心技術(shù)之一，要求滾刀承載能力強(qiáng)、質(zhì)量穩(wěn)定性好；刀圈具備很好的沖擊韌性，同時耐磨性和紅硬性好。目前常用直徑17 寸和19 寸的盤形滾刀，在大直徑的TBM 中也采用20 寸的盤形滾刀。較大直徑的盤形滾刀允許較大的刀圈磨損量、可降低滾動阻力系數(shù)、允許使用較大的軸承從而具有更大的承載力。

17寸單刃、雙刃滾刀結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，主要由刀軸、下端蓋、浮動密封、刀圈、刀體、軸承、上端蓋、隔環(huán)等部件組成。17 寸單刃、雙刃滾刀采用相同的軸承、密封結(jié)構(gòu)，具備相同的軸承承載能力和密封壓力。雙刃滾刀刀圈采用并排安裝的形式，可實現(xiàn)刀刃間距為80～100mm。

圖1 單刃滾刀結(jié)構(gòu)

圖2 雙刃滾刀結(jié)構(gòu)

2 單刃滾刀與雙刃滾刀刀盤分析

2.1 單刃滾刀與雙刃滾刀刀盤布置

圖3 安裝單刃滾刀的刀盤布置圖，開挖直徑采用6 300mm，采用4 把雙聯(lián)滾刀，32 把單刃滾刀，共40 個刀刃，單刃滾刀正面布置刀間距100mm。圖4 為安裝雙刃滾刀的刀盤布置圖，開挖直徑6 300mm，采用4 把雙聯(lián)滾刀，16 把雙刃滾刀，共40 個刀刃，雙刃滾刀刀刃間距100mm。

圖3 單刃滾刀刀盤

圖4 雙刃滾刀刀盤

布置單刃滾刀與雙刃滾刀的刀盤對比，在滾刀刀刃數(shù)量相同的情況，雙刃滾刀數(shù)量少，雙刃滾刀刀盤安裝刀位少。從刀具經(jīng)濟(jì)性上考慮，安裝雙刃滾刀刀具費用低，刀具更換次數(shù)較少，費用較低。

2.2 單刃滾刀與雙刃滾刀刀盤強(qiáng)度分析

對單刃滾刀刀盤、雙刃滾刀刀盤整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元強(qiáng)度計算，校核兩種刀盤結(jié)構(gòu)是否滿足強(qiáng)度要求及哪種刀盤強(qiáng)度更高。

刀盤主要承受主驅(qū)動的驅(qū)動扭矩和掌子面的破巖反力。經(jīng)計算可知，取掘進(jìn)推力600t，扭矩取主驅(qū)動扭矩6 900kNm。

在建立有限元模型時對刀盤的模型進(jìn)行了簡化，去除了輻條上的泡沫孔和膨潤土孔以及連接法蘭上的螺栓孔等局部特征。有限元分析選用的軟件為ANSYS WORKBENCH，曲線邊界進(jìn)行了優(yōu)化剖分，生成了121 218 個六面體單元，234 717 個結(jié)點。刀盤所用材料為Q345B，彈性模量2.0e11Pa；泊松比0.3，密度7 850kg/m3。

經(jīng)過有限元軟件強(qiáng)度計算可知，安裝單刃滾刀的刀盤邊緣處最大變形量為2.54mm，綜合等效應(yīng)力最大值為88MPa；安裝雙刃滾刀的刀盤邊緣處最大變形量為1.79mm，綜合等效應(yīng)力最大值為69MPa。兩種刀盤設(shè)計所用材料均為Q345B，該材料的許用應(yīng)力為295MPa，雖然兩種刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計都滿足強(qiáng)度要求，但安裝雙刃滾刀的刀盤最大變形量小，綜合等效應(yīng)力水平低于安裝單刃滾刀的刀盤，所以安裝雙刃滾刀的刀盤在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度上具有優(yōu)勢。

盾構(gòu)向前掘進(jìn)過程中，盤形滾刀在刀盤推力作用下貫入掌子面巖石，一方面隨著刀盤旋轉(zhuǎn)作公轉(zhuǎn)運(yùn)動，一方面繞自身刀軸作自轉(zhuǎn)運(yùn)動。如圖5 所示，掌子面巖石在滾刀刀刃的滾壓作用下不斷破碎、剝落，實現(xiàn)破巖開挖。在盾構(gòu)/TBM 掘進(jìn)過程中，多個滾刀刀刃在一定的刀間距下組合破巖。

圖5 滾刀破巖原理

以刀盤上任意相鄰的兩個刀刃為例，如圖6所示，設(shè)刀盤轉(zhuǎn)速為n，假設(shè)刀間距為100mm。

單刃滾刀A1 安裝半徑r1，單刃滾刀A2 安裝半徑r2，r1+100=r2；雙刃滾刀B1 刃安裝半徑r1，B2 刃安裝半徑r2。

單刃滾刀A1 線速度為v1=2πr1；單刃滾刀A2線速度為v2=2πr2；根據(jù)單刃滾刀破巖的特點，相鄰兩把單刃滾刀A1、A2 可獨立運(yùn)動，兩把單刃滾刀性能互不影響。

根據(jù)雙刃滾刀刀盤的特點，B1 刀刃理論線速度為v1=2πr1；B2 刀刃理論線速度為v2=2πr2。根據(jù)雙刃滾刀的特點，B1刃和B2 刃安裝在同一對滾刀軸承上，具有相同自轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，B1、B2 刀刃外緣處具有相同的線速度，這是相互矛盾的。所以雙刃滾刀掘進(jìn)時，B1、B2 刀刃中任何一個刀刃與掌子面接觸雙刃滾刀都會自轉(zhuǎn)，B1、B2 刀刃需具有相同的線速度，B1、B2 刀刃中除了刀圈正常滾動外，其中一個刀圈還具有相對掌子面的滑動，影響雙刃正常的受力狀態(tài)，一定條件下加速了刀圈的磨損。

圖6 單刃滾刀、雙刃滾刀刀盤線速度模擬

3 掘進(jìn)性能評價指標(biāo)

3.1 性能評價指標(biāo)的建立

盾構(gòu)在施工過程中會遇到各種類型地層，如何選擇合適的掘進(jìn)刀盤、刀具是一個比較復(fù)雜的研究對象[5]，影響掘進(jìn)性能的因素是多方面、相關(guān)聯(lián)的，需要建立一個具有多層次結(jié)構(gòu)的性能評價指標(biāo)體系對其進(jìn)行描述[6～7]。通過對單刃滾刀與雙刃滾刀及安裝刀盤進(jìn)行對比分析，采取定量指標(biāo)與定性指標(biāo)相結(jié)合的原則，從單刃滾刀與雙刃滾刀互相干涉性、滾刀受力狀態(tài)、刀盤強(qiáng)度剛度、刀具消耗經(jīng)濟(jì)性等方面建立評價指標(biāo)，建立類似地質(zhì)條件下掘進(jìn)性能指標(biāo)評價體系，合理確定指標(biāo)評價體系中各方面指標(biāo)的權(quán)重。

對單刃滾刀和雙刃滾刀在類似地層的分析結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計，優(yōu)勢指標(biāo)記錄為1，劣勢指標(biāo)記錄為0，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 單刃滾刀與雙刃滾刀刀盤對比

從統(tǒng)計結(jié)果看，單刃滾刀刀盤、刀具在相鄰滾刀相互干涉性、滾刀受力方面占優(yōu)，雙刃滾刀刀盤、刀具在刀盤強(qiáng)度剛度、刀具經(jīng)濟(jì)性方面占優(yōu)。

3.2 性能評價指標(biāo)權(quán)重

從刀盤、刀具設(shè)計制造和工程使用效果分析，并結(jié)合部分行業(yè)專家意見，提出指標(biāo)評價體系中各個指標(biāo)的權(quán)重，并對單刃滾刀、雙刃滾刀及刀盤掘進(jìn)性能進(jìn)行評價，評價指標(biāo)權(quán)重見表2。

表2 評價指標(biāo)權(quán)重

依據(jù)此權(quán)重指標(biāo)計算，單刃滾刀刀盤=0.45，雙刃滾刀刀盤=0.55，雙刃滾刀刀盤、刀具方案得分優(yōu)于單刃滾刀刀盤、刀具方案得分。

類似項目在南寧地鐵3 號線施工中應(yīng)用過，南寧地鐵3 號線青秀山站-市博物館站左線刀盤采用單刃滾刀刀盤方案，右線刀盤采用雙刃滾刀刀盤方案，根據(jù)項目實際使用效果，右線采用雙刃滾刀刀盤的方案在掘進(jìn)效率和刀具消耗量上具有優(yōu)勢，與上述理論計算結(jié)果一致。

4 結(jié)論

經(jīng)過上述分析計算，在粉質(zhì)粘土與強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化的泥灰?guī)r、石灰?guī)r、角礫巖等單軸抗壓強(qiáng)度不高的地質(zhì)盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)，采用雙刃滾刀的刀盤、刀具方案在理論上優(yōu)于采用單刃滾刀的刀盤、刀具方案。