浅谈TBM刀盘的进出渣设计

翟国强，张玉锋

ZHAI Guo-Qiang,ZHANG Yu-Feng

（中铁装备制造有限公司，河南 郑州 450016）

TBM是集开挖掘进、渣土转运、通风除尘、衬砌施工等有序工作于一体的高集成隧道施工设备。针对TBM 的研究，国内还处在探索试制阶段，TBM 刀盘作为主机重要部件成为研制的关键。TBM 刀盘目前多为平面型，该设计有利于保持掌子面的稳定，减少破碎石渣与滚刀发生卡恰和二次磨损。刀盘整体开口率主要集中在刮渣位置，渣土的流动性与刮渣板的设计有关。刮渣板的容渣量和流动通道是提高TBM 刀盘掘进效率的重要一环。本文主要探索TBM 刀盘进出渣的设计理论，为进一步的刀盘设计和施工提供理论支持。

1 TBM刀盘进出渣设计

TBM 刀盘是利用盘型滚刀的剪切和挤压破碎岩石的原理来完成硬岩隧道的开挖掘进工作。伴随刀盘旋转和推进，滚刀贯入岩石，岩石破裂，形成的裂纹扩展连通，使得石渣从岩体剥落下来。由于刀盘平面与掌子面的间隙，剥落的石渣集中在刀盘的前下部。石渣进入到刀盘的内部，经集渣斗转运到主机皮带机上，再连续转运到后配套皮带机上，最终通过连续皮带机或矿车运出洞外。在这里我们做出如下的假设来验证计算。

1）刀盘纯转动 刀盘实际的运动轨迹为螺旋线，文中简化计算了刀盘转动1 周所完成进出渣量的设计。目的是建立开挖与转运石渣量等式理论模型。

2）刀圈的贯入度一致 滚刀的贯入度设计是综合地质参数和机器性能参数而确定的，一般为2～20mm/r。计算中需考虑工程地质围岩等级，岩石的平均单轴抗压强度。目前工程中多使用19英寸的准等厚刀圈，来保持刀圈与岩石的接触面积在磨损期内为常值，无需增大推力或减小掘进速度，保持贯入度的一致。

1.1 开挖石渣量计算

在刀盘转动一周的情况下，破碎的石渣量为

A=πD2/4，D为刀盘开挖直径；

式中 Vk——开挖石渣量；

A——掌子面面积；

h——刀圈的贯入度。

1.2 掌子面堆渣高度

假设破碎的石渣在重力作用下全部剥落堆积到掌子面的下部，图1 阴影部分即为开挖石渣的堆积模拟状态。刀盘转动一周时，该处堆积的石渣量与开挖量相等，即

式中 Vp——破碎石渣堆积的体积；

H——刀具距离刀盘面板的高度；

图1 堆渣模拟图

S——石渣堆积的面积。

可见破碎堆积的石渣在进入到刀盘的内部时，会对图1 阴影部分的滚刀造成二次磨损，合理快速的出渣通道能有效的减少刀盘和刀具的磨损，减少换刀维护时间，提高掘进效率。

1.3 刮渣板的布置形式

双向刮渣板设计可以减小盾体发生翻转的可能性，增强主机的稳定性。刮渣组沿着周向均匀布置，有利于出渣均匀性和刀盘的受力平衡。如图2 所示。刮渣板磨损的快慢与破碎的石渣量、岩石的磨砺性、距离破岩面的间隙、刀圈磨损的速度等有关。如图3 所示为设计刮渣板形式，采用螺栓连接，由10 块刮渣板连接而成。

图2 刀盘刮渣组设计图

图3 刮渣板设计图

1.4 渣板后的容渣量设计

TBM 掘进施工中，刮渣板一方面要满足运出石渣的要求，另一方面需考虑更换维护的方便。容渣量设计应充分考虑石渣量、刀盘结构、施工效率等因素。石渣在刮渣板后成自然堆放状态。在刀盘转动1 周时，完成完整的刮渣、出渣的刮渣组数量为刮渣组设计数量的一半，故刮渣板的容渣量应满足

式中 Vg——刮渣板的容渣量；

Sg——刮渣板后的石渣面积；

Hg——刮渣板的高度；

n——刮渣组的数量。

1.5 刀盘容渣设计

进入刀盘的石渣，除停留在刮渣板的容渣区，还增加了刀盘存渣的设计来保证石渣的进入量。结合刮渣板布置形式和刀盘结构设计的刀盘存渣区域如图4 所示。

图4 刀盘容渣设计图

1.6 刀盘背面的出渣设计

石渣通过刮渣板进入刀盘内部，集中在刀盘的存渣区和溜渣板上，随着刀盘的转动，石渣由于重力和惯性的作用向集渣斗移动，最后经集渣斗转运到主机皮带上，从而运出洞外。

进入刀盘的石渣能否顺利的运出，需要考虑的因素有：刀盘转速、推进的速度、溜渣板的设计、集渣斗的设计等。如图5 所示，假设石渣随刀盘均匀转动，TBM 刀盘使用工况，工作状态的常规转速为8～9rpm 刀盘的振动极小，石渣在溜渣板上顺利流下的的条件是

根据受力分析有

式中 ω——刀盘的转速；

a——刀盘转动时石渣开始下滑的角度值；

G——石渣所受的重力；

图5 石渣受力图

μ——石渣与金属材料钢之间的摩擦系数；

f——摩擦力；

F——支持力；

r——溜渣板的长度。

2 案例分析验证

以甘肃引洮供水施工中TBM 刀盘进出渣设计为例进行分析验证，其中：刀盘开挖直径D为5.75m，刀圈的贯入度h为0.01m,刀具距离刀盘面板的高度H为0.17m,刀盘设计有6 个刮渣组，刮渣板投影面积Sg为0.46m2，刀盘的转速为5～12rpm，石渣与金属材料钢之间的摩擦系数μ为0.4。验证计算如下。

刀盘转动一周的开挖量

阴影部分的面积

由图1 所示几何关系

经推导，计算得掌子面堆渣高度L=0.65m，要求刮渣板设计高度应大于堆渣高度，案例中刮渣板的设计高度为0.775m，满足设计要求。

刮渣板后的容渣量

刀盘容渣量

刀盘转动一周的总出渣量

V总=Vg+Vd=0.207+0.075=0.282m3

可见V总>Vk，能够满足刀盘旋转出渣要求。

3 存在的问题及未来研究的方向

文中TBM 刀盘进出渣的设计计算，希望对提高刀盘结构的设计水平、改善刀盘的掘进效率、减少刀具的磨损等提供支持。但是由于文中对石渣的简化和刀盘推进影响的忽略，设计计算有待进一步的深入研究。

1）不同地质所挖掘石渣的特性和流动状态，如何进入到刀盘内部以及石渣与刀盘接触区域的堆积状态等问题，还只是定性的分析，没有有效的理论指导。

2）刀盘的实际运动轨迹为螺旋线，而文中的假设分析为均匀的圆周。石渣在两种轨迹下的进入量和流动性的区别，都是值得深入研究的课题。

4 结 论

随着我国水利水电和国防事业的发展，大中型的全断面硬岩掘进机的研制和需求，成为亟待解决的问题。通过参考和分析国内成功的TBM刀盘案例，总结出了TBM 刀盘进出渣设计计算的方法，取得了以下的结论。

1）以某一工程案例为背景，对提供的刀盘的刮渣板和溜槽的设计方案进行理论的校核和验证，提出刮渣板的设计长度应大于刀盘开挖的堆渣高度值。

2）刮渣板的数量和存渣区域空间设计是满足刀盘高效掘进的重要组成。

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[3]宋克志，袁大军，王梦恕.隧道掘进机(TBM)刀盘转速的讨论[J].建筑机械，2008，(08)：63-65.