全断面硬岩TBM刀盘结构设计研究

张照煌，柴超群，赵 宏

(华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 昌平 102206)

0 前言

全断面岩石掘进机(Tunnel Boring Machine,TBM)是隧道专用的施工机械，被广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道等工程。刀盘是TBM的关键部件，具有开挖、稳定掌子面、搅拌岩碴等功能。刀盘的结构设计对提高TBM破岩能力和掘进效率、降低挖掘成本具有重要作用，是影响TBM掘进性能的决定性因素[1]。因此，掌握刀盘设计的关键技术，并且提高自主创新与制造能力，对推动我国TBM发展具有重要的战略意义。

TBM刀盘结构设计的主要内容有：刀盘盘体结构设计、刀盘选型、刀具选择、刀间距设计、刀具布置以及铲斗、溜碴槽、支撑筋等重要构件的设计与布置。刀盘结构的设计需要针对具体工程的地质条件和施工要求进行适应性设计。

虽然TBM刀盘结构设计很重要，但国内外对这一方面发表的论文比较少。本文针对全断面岩石掘进机刀盘设计中的一些基本原则和设计方法进行了概述，旨在为相关从业人员提供一个有关TBM刀盘结构设计的思路，并不断丰富刀盘结构设计的基础研究理论。

1 刀盘设计步骤

1.1 刀盘直径选择

刀盘直径的选择是进行刀盘设计的第一步。当施工工程的地质条件确定后，需要针对具体的施工要求和掘进隧道(洞)的实际用途选择合适的刀盘直径。一般而言，对于小型排污、输水、铺线等工程，刀盘直径设计为3 m左右；对于城市地铁隧道的施工，刀盘直径设计为6 ～7 m；而对于大型的跨海、跨山铁路隧道工程，刀盘直径设计为8 m以上，如西安-安康铁路秦岭段采用的TB880E刀盘直径为8.8 m。

由于采用TBM进行隧道掘进时，开挖截面的形状大部分都是圆形的，则刀盘设计直径(理论开挖直径)与设计成洞后的隧道直径的作用原理如图1所示。

图1 刀盘掘进直径

开挖直径与成洞直径的计算关系式为

D=D0+2(h0+h)

(1)

式中，D为刀盘的设计直径；D0为成洞后的直径；h0为管片厚度，h0通常为30 cm；h为注浆厚度，当D=3～8 m时，h=6～15 cm。

在实际的施工作业时，由于不可避免的要受到掘进误差、岩体变形、盘体磨损等因素的影响，因此在进行刀盘直径的实际设计时，要充分探测好地质条件和预估好可能出现的风险误差，必要时留出适当的施工余量。

1.2 刀盘外形

刀盘外形的选择是进行刀盘设计的第二步。TBM的刀盘按其外形可以分为平面刀盘、锥面刀盘和球面刀盘3种，如图2所示。顾名思义，球面刀盘的外形类似球形，采用球面设计的刀盘在掘进过程中有良好的的稳定性、定向性、穿透性，但无法适应不良地质；锥面刀盘的大锥角可以充分形成破岩自由面，若施工沿线存在桥墩、坚硬围岩等特殊地质时采用锥面刀盘可加快破岩效率，但对地质的适应性比较差；平面刀盘相对于球面刀盘和锥面刀盘，在掘进过程中接触的破岩面积小，因而所受的岩石阻力也比较小，减少了对岩石的扰动，能有效避免人为不良地质灾害的出现，并且平面刀盘对不良地质，如砂砾层、块状围岩有较好的适应性[2]。

图2 不同刀盘外形

在实际施工中对刀盘的外形进行选择时，考虑到平面刀盘制造方便，地质适应性强，刀盘推力的利用效率高，因而被广泛地使用，如中铁382号、241号等。此外，在考虑到破岩掘进过程中的岩碴滑落，球面刀盘和锥面刀盘存在严重的多次破碎，目前球面刀盘和锥面刀盘已被制造商淘汰，不再在施工中应用。

1.3 刀盘面板

早前TBM的刀盘主要是由厚钢板焊接而成，其具有加工周期短、制造成本低、加工方式灵活的优点，但是由于焊接应力和焊接缺陷的影响，使得刀盘整体强度和刚度不均匀，在冲击载荷的作用下刀盘形变不一致，焊接处更易产生开裂，严重时可致刀盘报废。

目前，针对全断面岩石掘进机在掘进时冲击载荷大的特点，其刀盘面板一般采用厚度270 mm的钢件锻造，刀盘法兰采用300 mm的厚板锻造加工，结构为箱型面板式设计(见图3)，这种刀盘整体强度高，刚度高，刀具布置范围广，在掘进中的抗冲击振动性能好。此外，为了方便刀盘的生产制造及运输，可将大直径刀盘面板分块，分块形式有中心对分、偏心对分、中方五分、中六角七分等形式，然后在施工现场用高强度螺栓连接后再进行焊接，使其形成一块完整的刀盘。需要注意的是，采用分块焊接的刀盘在经过精加工后，所有钢板和焊缝部位均需要进行无损探伤，确保无任何缺陷，以降低后续作业过程中出现问题的可能性。

图3 刀盘面板加工图

长期以来，国内外学者对全断面岩石掘进机刀盘面板的设计，评价工作进行了大量的研究。孙统辉[3]从降低制造成本，提高刀盘面板性能的角度出发，对传统的面板自由锻工艺进行创新，提高了产品质量；张照煌以弹性力学理论中的弹性薄板变形微分方程为基础，提出了设计曲面刀盘的概念[4]，并通过科学的理论发现要使刀盘挠度值尽可能小，面板厚度值应不小于0.25 m，最好大于0.35 m[5]，以及在刀盘面板材料一定的条件下，其固有振动频率与刀盘面板厚度成正比例关系[6]。由以上可知，现有学者对刀盘面板的研究多为针对某一实际的工程地质，提出的解决问题的方案太单一，不具备通用性，此外刀盘面板在地质适应性设计方面缺少完整的理论依据，经验数据及可靠的实验数据，在很大程度上还依赖于工程经验。因此，今后刀盘面板设计的理论研究可从以下方面出发：

(1)数值模拟，实验研究从建立更符合实际的刀盘模型为出发点，在此基础上进行相关的理论研究；

(2)运用拓扑理论优化面板上各结构之间的制约关系，使各结构在合理安装设计的同时也能起到对刀盘性能提高的作用。

1.4 刀具选择

1.4.1 滚刀尺寸

盘形滚刀是全断面岩石掘进机实现破岩掘进的关键部件，根据不同的地质条件选择合适的刀具是刀盘结构设计的关键任务。Rostami[7]对于破岩过程中刀具的选择和应用趋势进行了深入的研究。在全断面岩石掘进机上，一般使用直径为432 mm(17 in)等截面(CCS)盘形滚刀作为最基础的选择；在非常坚硬的岩石上，为了尽量减少刀具更换的需要，应该选用较大的483 mm(19 in)的盘形滚刀；在刀盘直径大于10.5 m的掘进机上，应该使用大于500 mm(20 in)的盘形滚刀[8,9]；对于较小尺寸的刀盘，一般选用较小尺寸的滚刀，例如150 mm、300 mm、365 mm的滚刀。盘形滚刀尺寸和刀盘直径的关系如下表1所示。

表1 盘形滚刀直径和刀盘直径的关系

通过表1可以知道：随着刀盘直径的增加，其上安装的盘形滚刀的直径也在增加。目前工程上普遍应用的是增大了直径的盘形滚刀，即通过增大盘形滚刀直径来提高其耐磨容量，从而促进了盘形滚刀直径的大型化发展。另外，在盘形滚刀尺寸的选择时也要考虑到考虑以下几个因素：

(1)刀具的承载能力。盘形滚刀的直径不同，其承载能力也不相同，盘形滚刀直径与其承载能力间的关系见表2所示。

表2 滚刀直径及承载能力

(2)刀具所需的破岩力。对于相同硬度的岩石，盘形滚刀所需破岩力随着滚刀尺寸的增加而增加。

(3)滚刀的最大转速。滚刀的最大转速受刀盘转速影响，而刀盘的转速随着刀盘直径的增大而减小。

1.4.2 滚刀刀刃

盘形滚刀按其在刀盘上分布的位置和作用不同划分为中心滚刀、正滚刀、过渡滚刀和边滚刀；按其刀刃的多少，可分为单刃滚刀、双刃滚刀和三刃滚刀[10]，如图4所示。全断面岩石掘进机一般采用单刃盘形滚刀和双刃盘形滚刀进行破岩，单刃的破岩及抗冲击载荷性能好，能适应岩石强度30～350 MPa，因此除中心滚刀外多选择单刃滚刀设计，而中心滚刀则可以采用多刃设计。此外，盘形滚刀的刀刃角一般设计为60°、75°、90°、120°或平刃等多种。如果作业的岩石硬度很高，则用刀刃角较大的盘形滚刀，反之岩石条件较软的情况下用刀刃角较小的盘形滚刀。而在更软的岩层中，刀刃角小的盘形滚刀很容易陷入里面而使掘进效率降低，此时如果使用刀刃角较大或者平刃的盘形滚刀，破岩效果会更好。另外，为了降低掘进过程中滚刀的磨损，也可将滚刀刃宽适当增加，但这样设计同时也会将切削力增加，进而引起刀盘扭矩的增加，因此，在实际施工时要根据工程地质状况进行设计。

图4 盘形滚刀类型

1.5 刀间距

在滚刀选择好以后，进行刀间距的设计，这关系到掘进机的掘进效率、破岩能力、机械能耗。过小的刀间距会形成粉碎状岩渣，开挖效率低，机械能耗大，过大的刀间距又达不到破岩效果，因而就需要寻求最优刀间距。最优滚刀间距的设计取决于岩石类型，岩石物理力学属性和岩石节理分布等因素[1]。在给定地质条件后，需要对TBM的推力、扭矩和功率等设计参数进行详细讨论，为此，许多学者针对破岩力进行了不同理论研究，提出了各种不同的公式和模型，比较著名的有伊万斯(Evans)预测公式[11]、秋三藤三郎预测公式[12]、罗克斯巴勒(F.F.Roxborough)预测公式[13]、科罗拉多矿业学院预测公式[14]以及张照煌等建立的滚刀破岩垂直力计算公式[15]等。目前，滚刀破岩力最常用的估算公式是“科罗拉多矿业学院(CSM)模型”，该模型对破岩力的估算如下：

(2)

式(2)所计算的力可以用来确定刀盘在滚刀承载能力范围内对岩石的的最大贯入度，从而计算出S/P的值，常作为刀间距设计的参考因素，其随岩石脆性的增大而增大，随破岩深度的变化而略有变化。岩石单轴强度和S/P关系如表3所示。

表3 岩石单轴强度和S/P关系

针对大多数工程情况和实际设计，S/P值及刀间距选择符合以下设计原则：

(1)对于硬岩地质条件，为了避免在高强度岩石中形成隆起，S/P比值为10～20；

(2)对于软岩地层，刀间距一般为65 ～90 mm[16]；

(3)在较脆的岩石(如砂岩和石灰岩)中，最优刀间距可高达110 mm。

此外，比能(Specific Energy,SE)即滚刀切削单位体积岩石所需消耗的能量，也常作为刀间距设计的关键评价标准。国内外研究人员已对刀盘比能及性能预测进行了许多理论探讨和试验研究[17-19]，得出类似规律：刀间距与比能成“U”形曲线，该曲线的最小值即为最优刀间距。因此，在对滚刀的间距设计时，需要针对不同地质类型，统筹考虑掘进效率和破岩能力的关系，充分协调好刀间距、比能、贯入度之间的关系，以此得出最优刀间距。

1.6 滚刀数量

在对刀盘直径和滚刀间距进行设计后，就可以确定滚刀数量，因为滚刀数量的确定受到刀盘直径和刀间距的制约。针对星型刀盘设计，滚刀数量的确定可按式(3)计算：

(3)

式中，N为滚刀数量；D为刀盘设计直径；S为刀间距；n是径向线数量；Z为中心滚刀数量；T为边滚刀数量。

对于螺旋线型和随机型刀盘的数量设计公式在已有的文献中尚未看到，因此针对这两种刀盘数量设计提出可行的理论计算公式是亟待解决的问题。

1.7 刀具布置

近年来，TBM被用于更加复杂的地质条件和受到更苛刻的约束，这使刀盘布局设计变得更为困难也更加重要。刀具布置是刀盘布局中最核心的部分，这关系TBM效率、刀具和刀盘大轴承寿命，是降低掘进成本的关键技术之一。

目前，全断面岩石掘进机刀盘上盘形滚刀的布置形式主要有螺旋线型、星型(米字型)和随机型3种，如图5所示。螺旋线型布置方式的特点是盘形滚刀都布置在以刀盘圆心为原点的螺旋线上，可以根据刀盘半径、角间距的变化研发出双螺旋线、多螺旋线设计；星型布置方式是所有盘形滚刀都在一个以刀盘圆心为基准点，滚刀分别放置在与基准线成120°、90°、60°、45°……角的线上；随机型布置是根据每把盘形滚刀的破岩面积相同，不同区域内盘形滚刀密度相似进行随机布置。

图5 滚刀布置方式

国内外有关TBM刀具布置研究文献发表较少，但很多学者对盘形滚刀的布置仍然做出了较深入研究。由众多学者的研究可知：极角和极径是刀具布置中最重要的两个参数，在刀具布置时应该首先确定极角，再根据极角确定极径，这样就能准确设计每一把滚刀位置。此外，刀具布置应遵循以下原则：

(1)滚刀应在刀盘上均匀分布，尽量保持刀盘对称；

(2)避免刀具在刀盘任何区域的应力集中，以此避免偏心力和偏心力矩；

(3)各滚刀之间不相干涉，符合最佳刀间距设计；

(4)不同滚刀的破岩量应尽可能相同，使滚刀寿命相近。

现在，对于刀具布置尚未形成完整统一的理论。因为刀具布置设计不仅需要满足几何约束和力学平衡约束，还涉及岩体力学、机械设计学、计算机应用技术等多个学科知识，需要综合考虑地质围岩属性，刀盘/刀具与岩体相互作用关系模型，在多约束条件下设计求解。而刀具布置也正在朝着这方面发展，利用大数据技术、机器学习等前沿理论对刀盘结构设计进行拓扑结构优化，以及对刀具布置进行协同优化正成为下一个研究的热点。

2 刀盘其它结构设计

全断面岩石掘进机的刀盘设计除主要布置刀具外，还须合理布置刮碴铲斗、喷水孔、溜碴槽、支撑筋、排碴开口、人孔通道等。刀盘上各结构的合理布局是优化刀盘结构设计和掘进机性能的最重要因素。

2.1 铲斗

TBM上铲斗的数量、尺寸和布置也是刀盘结构设计中的重要内容，铲斗位置如图6。铲斗数量和尺寸的选择应该与预计的破岩量成正比，并且随着刀盘在岩石中贯入度的增加而增加。当铲斗的数量被确定以后，应该使其均匀的布置在刀盘面板上，这是为了确保从刀盘底部收集的岩碴块的体积是均匀的。

图6 铲斗位置

通常情况下，铲斗的布置一般将较长的铲斗放置在常规铲斗之间(每隔两个或三个铲斗)；为刀盘能高效出渣，铲斗的数量设计原则为：在坚硬岩石中如果使用小型刀盘应将数量选择为4个，中型刀盘数量应为6～8个，大型刀盘通常为12个。

2.2 刀盘主轴承

TBM在进行掘进作业时承受着复杂的力及力矩，而主轴承作为支撑掘进机刀盘的主要承载部件，承担着掘进机运转过程中的主要载荷，是刀盘驱动系统的关键部件。由于主轴承的加工及安装精度高、制作难度大，在施工过程中不可维修，因此在对掘进机主轴承的结构设计时，一般要求主轴承的使用寿命要与刀盘寿命相当[20]。

硬岩掘进机的主轴承座位于刀盘后面，主轴承一般采用大直径、高承载力、长寿命的三轴式设计，轴承内圈带有内齿圈，如图7所示。双轴承支座驱动小齿轮与内齿圈啮合，支撑稳固的驱动齿轮可以最大限度地减小齿轮磨损，而主轴承与大齿圈设计寿命应该超过1.5万小时。目前，国内外对于TBM主轴承的力学性能分析还没有较系统的办法。

图7 刀盘与主轴承的连接

2.3 滚刀座

早期的滚刀座为悬臂加工设计，刀座与刀盘面板不是统一整体，在刀盘旋钮力矩的作用下容易产生焊接疲劳发生脱落，影响正常的掘进施工。

现有的滚刀座多为直接焊接在刀盘面板上，按其在刀盘面板上位置的不同分为“凸置式”和“凹置式(也叫背装式)”，如图8、9所示。凸置式是将盘形滚刀座直接焊接或用螺栓联接在刀盘前表面，这种结构设计不仅容易加速刀座磨损，也容易造成刀座与刀盘间的焊缝或联接螺栓断裂，因而已被淘汰。凹置式是将滚刀座安装在刀盘面板前表面以下，对盘形滚刀及滚刀座起到保护作用，而且刀具磨损后易于更换，具有很高的安全性。因此，现有的刀盘滚刀座设计均采用凹置式结构。

图8 凸置式滚刀座

图9 凹置式滚刀座

在进行滚刀座设计时，应充分考虑到刀座的强度和刚度的要求，避免因过载而造成的破裂，甚至从刀盘上脱落。因此，为了提高滚刀座的耐用性，可在刀盘铸造时直接将滚刀座和刀盘面板铸造为一体，这样可以大大增强刀座的使用寿命。目前，“凹置式”滚刀座的设计发展方向：

(1)通用型。刀盘在掘进过程中会遇到不同地质地层，针对不同地质条件实现同一刀座可应对滚刀不同尺寸、类型快速更换的需要。

(2)一体化。现有的刀座结构多为焊接式设计，与刀盘联合为一体，不可调整，让滚刀座“从静到动”可以方便进行角度，位置的调整以应对不同破岩力，扭矩等掘进参数的要求。

(3)人性化。“快拆快装”结构的设计，可以方便地使人工快速实现对不良滚刀的更换，节省作业时间。

2.4 溜碴板

溜碴板作为TBM刀盘的支撑结构，不但关系到刀盘的出碴性能，而且也会对刀盘的刚度和强度造成一定影响。在刀盘的工作过程中，溜碴板主要作用是将铲入刀盘中的岩碴运送到皮带输送机上，然后岩碴将随皮带输送机达到洞外，因此如果溜碴板的设计不能满足实际施工要求，将会使岩碴在刀盘内部发生堆积，造成刀盘内部部件的磨损破坏。

目前，李大平[21]利用ABAQUS建立数值仿真模型对刀盘溜碴板结构进行了优化设计；虞诗强[22]对单一直径刀盘情况下，不同出碴槽的布置方式对出碴流动性的影响进行了分析；聂晓东[23]提出了一种通过修改溜碴板有效长度来改进出碴性能的方法。

综上可知，溜碴板设计的关键要求为：(1)保证刀盘的刚度和强度；(2)提高溜碴板的出碴性能(溜碴板数量、合理布置等)。因此，对溜碴板结构进行改进，其布置方式和不同地质特性下岩碴的流动性及出碴机理进行深入探究将是以后研究的方向。

2.5 支撑筋

在全断面岩石掘进机工作时，由于为了使岩碴增加顺畅排出，在相邻碴板布置时通常会存在较大的距离，这样的布置方法将会导致刀盘的强度和刚度较弱，因此为了维持刀盘面板有较高的刚度和强度，降低刀盘振动和变形，会在刀盘后面板上焊接上支撑筋。支撑筋按其分布位置不同主要有分瓣支撑筋和周边支撑筋，分瓣支撑筋位于刀盘后面板的径向线上，而周边支撑筋位于刀盘外围，如图10所示。目前，能查阅到的有关支撑筋设计的文献很少，国内外学者在刀盘结构设计中对于支撑筋的研究仍处于起步阶段。

图10 刀盘支撑筋结构

3 结论

总结了刀盘结构设计中重要结构部件的设计和布置，并分别介绍了各结构的研究成果，但是由于刀盘结构设计的复杂性，目前的研究理论仍然不是很成熟。随着掘进机被越来越广泛的使用，面临的地质条件更严苛，还需要更深入的研究刀盘结构设计的关键技术。

(1)刀盘的结构设计要充分考虑刀盘与岩土的相互作用机理，只有将地质条件搞清楚，才能“因地制宜”协调好刀盘设计参数。

(2)现有刀盘结构多为针对某一特定地质，如何建立庞大的设计参数数据库，推导出更实用的刀盘/滚刀受力计算公式，促进刀盘设计向一体化、通用化、智能化发展仍然是个亟待解决的难题。