组合式切削刀盘在矩形隧道掘进机上的应用研究

上海市机械施工集团有限公司 上海 200072

0 引言

随着国内城市化进程的加快，城市交通面临着巨大的压力，传统的地面道路和高架快速路由于空间有限，已经无法满足城市交通快速发展的要求。以隧道掘进机为代表的非开挖技术已经成为缓解城市交通压力的一个重要途径。矩形隧道掘进机断面形状为矩形，断面有效利用率较圆形隧道掘进机提高20%以上。同时矩形隧道的高度低，容易实现浅埋，隧道的施工和维护成本低。某些特殊工程，例如地铁车站的出入口建设中采用矩形截面更符合实际需要。因此，矩形隧道掘进机在城市地下交通工程中发挥了越来越重要的作用。

矩形隧道掘进机的切削刀盘是掘进机的重要组成部分，主要通过自身的旋转动作切削土体，将切削产生的渣土进行充分搅拌以形成易流动、高塑性和具有一定止水性的改良渣土，以便产生土压平衡效果，防止刀盘前方土体坍塌，并且使得渣土能够顺利通过螺旋机排至隧道外部。圆形隧道掘进机由于天然的圆形优势，采用单个切削刀盘便可实现刀盘前方土体全断面切削。而矩形隧道掘进机由于断面形状呈矩形，直接采用单一切削刀盘容易产生较多的切削盲区，对施工较为不利。针对此问题，各个研究单位相继开发了矩形偏心刀盘、带仿形刀的圆形刀盘和偏心圆形切削刀盘等多种形式的矩形隧道掘进机用的切削刀盘，而组合式切削刀盘方案以其结构简单、切削效率高和对环境影响小而受到了市场的欢迎[1,2]。

1 模数化组合式切削刀盘

1.1 组合式切削刀盘的特点

组合式刀盘是由多个小型辐条式切削刀盘组成。每个切削刀盘一般由搅拌棒、中空式刀杆、端塞、主刮刀和加强杆组成，每个刀盘的切削面积固定不变，如图1所示。

图1 辐条式切削刀盘结构

普通组合式切削刀盘主要依靠在矩形断面上布置多个切削刀盘来提高断面切削率。常见的为大刀盘和小刀盘的组合和多个相同直径的刀盘组合。在大刀盘和小刀盘的组合中，大刀盘负责断面大部分土体的切削，而小刀盘负责对矩形断面上的一些圆角进行土体切削。在多个相同直径的刀盘组合中，各个切削刀盘的切削直径相同，为了获得较大的断面切削率，同时不发生刀盘运转过程中相互干涉，一般将切削刀盘设计为前后双层布置，各个刀盘的切削面积有重合部分，以此达到提高断面切削率的目标。

1.2 模数化的组合式切削刀盘

普通组合式刀盘在应用中有许多问题，最重要的就是刀盘适应能力差。众所周知， 在矩形隧道设计过程中，为了满足不同的行车和行人需要，不同位置和服务功能的矩形隧道断面尺寸一般是不同的。对施工单位而言，需要针对每种类型的矩形隧道设计或者定做不同截面的矩形隧道掘进机，由于配置刀盘切削直径是按照截面形状进行设计的，不同隧道掘进机的切削刀盘的切削面积是不同的，从而造成各个切削刀盘无法实现互换和通用。上述问题造成施工单位设备投资大，设备利用率低，经济效益差。为了提高矩形隧道掘进机切削刀盘的通用性和适应性，本文提出了模数化组合式切削刀盘的设计方案。

在模数化切削刀盘设计中，刀盘的切削面积不再根据某一特定的断面尺寸进行设计，而是通过对城市地下交通工程的功能进行调查研究，分析各个不同功能地下交通通道的尺寸范围，经过科学的优化比选，最终确定模数化的刀盘直径。在布置切削刀盘时，通过增加或者减少切削刀盘数量来适应不同断面尺寸的各种类型矩形隧道。上述设计方法首先保证了切削刀盘的适应能力强，通过增减刀盘数量便可以适应不同类型的矩形隧道断面尺寸；其次切削刀盘的通用程度高，切削刀盘的各个零件的互换性强；最后，切削刀盘的利用率高，各个不同断面尺寸的隧道可以使用同一种类型的切削刀盘，施工单位可以用较少的投资取得比较大的经济效益。

1.3 切削面积可微调的模数化切削刀盘

模数化切削刀盘在适应不同矩形隧道断面尺寸上具有强大的优势，但随着矩形隧道的发展，大跨度的隧道项目在城市地下交通工程中也越来越受重视。在大跨度的条件下，为了保证隧道具有良好的力学性能，在隧道设计中，对组成隧道断面的4条边线进行了起拱处理，即大跨度的矩形隧道断面形状不再是比较规整的矩形，而是近似矩形的椭圆形。在此条件下，为了保证断面切削率和刀盘切削直径模数化，本文提出了切削直径可以微调的新型切削刀盘。新型切削刀盘通过增加改变刀杆长度的伸缩装置来实现调整刀盘切削面积的目的。

新型辐条式切削刀盘基本结构与原有的刀盘结构类似，由搅拌棒、刀杆、刮刀和加强杆等主要部分组成，所不同的是，将原有固定长度的刀杆末端安装了可伸缩部分，在伸缩杆的末端安装有刮刀，新型刀盘刀杆的可伸缩机构如图2、图3所示。

图2 新型刀盘刀杆的伸缩装置（伸出状态）

图3 新型刀盘刀杆的伸缩装置（缩回状态）

新型刀盘的可伸缩机构采用套筒连接的方式，即取消原有中空式刀杆端部的闷头，增加伸缩杆、伸缩杆刮刀、抗剪板和定位销等机械结构[3,4]。

伸缩杆为钢制圆筒结构，可在原有的中空式刀杆内部滑动。在伸缩杆的端部设置闷头结构，防止切削刀盘在切削土体过程中发生渣土涌入刀盘刀杆内部造成伸缩杆伸缩困难的情况。为保证刀盘的伸缩杆伸出后刀盘仍具备良好的切削功能，在伸缩杆的末端焊接成组的刮刀。伸缩杆在伸缩动作过程中需确定伸缩长度和伸缩完成后的固定位置，因此在伸缩杆和主刀杆上设置了一排定位销孔，当伸缩杆的伸缩长度达到需要的长度后，在伸缩杆和主刀杆的销孔内安装定位销即可实现伸出长度的定位工作。

在应用中，当需要增大切削面积时，拆卸抗剪装置和定位销，将伸缩杆从主刀杆中抽出至适当位置，安装定位销和抗剪装置即可以实现增大切削面积的目的。当需要减少切削面积时，先拆卸抗剪装置和定位销，将伸缩杆缩回至适当位置后，再安装定位销和抗剪装置，刀盘的切削面积将随之减少。

2 新型组合式切削刀盘的应用

2.1 在矩形隧道掘进机刀盘布置上的应用

在进行矩形隧道掘进机刀盘设计时，通过对现有的车行、人行地下通道的设计要求进行调查和优选，提出了以2 500 mm作为切削刀盘切削直径的基本模数值，为了适应近似矩形的椭圆形断面，上述切削刀盘可以实现在基准模数值2 500 mm的小范围内进行调整，刀盘布置方案见图4。

图4 切削刀盘的模数化布置

在图4（a）中，隧道为2车道小型车辆地下通道，整个矩形隧道的断面宽10 m、高5 m，呈扁平状，隧道断面的4边由不同半径的弧线组成。在进行刀盘布置时，采用了8个大刀盘分2排布置的方案，3个小刀盘用来对大刀盘的切削盲区进行土体切削。为了适应断面4个圆角，对位于四角的大刀盘的切削直径进行了微调。在图4（b）中，隧道为2车道大型货车的地下通道，整个矩形隧道的断面宽度为10 m，而高度为7.50 m，断面4边仍然由各种弧线组成。在进行刀盘布置时，采用了12个大刀盘分3排布置的方案，6个小刀盘用来对2个大刀盘之间的切削盲区的土体进行切削。同样，对四角处的刀盘切削直径进行了微调。

通过上述增减刀盘数量来适应隧道断面的刀盘布置方案，不仅可以提高刀盘对隧道断面的适应能力，同时还提高了刀盘利用率，其社会效益和经济效益是不言而喻的。

2.2 刀盘组合在施工纠偏中的应用

隧道掘进机在施工中不可避免地会出现绕轴线偏转的情况，严重的偏转对施工和隧道使用都有很大的危害。圆形隧道掘进机由于自身为圆形，纠偏时的阻力相对较小，而矩形隧道掘进机由于断面近似为矩形，纠偏的阻力相对较大，因此防止矩形隧道掘进机出现大的偏转和对出现的偏转进行有效地纠正是矩形隧道掘进机设计中的一项重要内容。

矩形隧道掘进机发生偏转的主要原因是掘进机周围的土体无法全部抵抗由于刀盘旋转时产生的反力矩，导致掘进机在上述反力矩的作用下发生偏转。在多刀盘组合的切削刀盘系统中，通过将掘进机左右两侧的刀盘以相反的方向进行旋转，如图5所示，使矩形隧道掘进机左侧刀盘产生的反力矩与矩形隧道掘进机右侧刀盘产生的反力矩相等，将大大减少由于刀盘旋转产生的反力矩，降低了矩形隧道掘进机发生大偏转的风险。

当矩形隧道掘进机发生较大的偏转时，将掘进机的全部刀盘以与偏转方向相同的方向旋转，如图6所示。由此产生的反力矩作用在矩形隧道掘进机上，该力矩为矩形隧道掘进机提供纠偏的动力[5,6]。

图5 两侧刀盘的旋转方向相反

图6 两侧刀盘的旋转方向相同

3 结语

本文通过研究组合式切削刀盘的实现形式，提出模数化的组合式切削刀盘和切削面积可调的切削刀盘装置，实现了切削刀盘的模数化和通用化。在应用中，通过增加或者减少切削刀盘数量的方法可以使得切削刀盘能够适应各种不同类型的矩形隧道。组合式切削刀盘设计方案在施工时还可以起到防止出现偏转和有效纠偏的作用。上述设计方案可以提高切削刀盘的适应能力和设备利用率，具有良好的社会效益和经济效益。