全断面隧道掘进机(TBM)掘进过程及刀盘结构优化分析

摘要：近年来，随着我国的部分城市生活用水、工业用水的逐渐紧张，对水资源进行合理的宏观调配显着尤其重要，大型引水、调水工程为此正如火如荼的进行着。隧道掘进机（TBM）施工技术在水利工程隧洞施工中的应用，可以实现连续快速作业，在开挖过程中对围岩扰动小，开挖面平整圆顺，超欠挖少，可以有效降低地质灾害发生风险，。它具有速度快、质量优、费用低、施工安全等优点，被广泛应用于水利、水电、城建、交通等行业。基于此，本文对其掘进过程及刀盘结构优化进行了具体分析。

关键词：隧道掘进机；掘进过程；刀盘结构优化；引水工程

中图分类号：U45文献标识码： A

引水工程是一项大规模的人工改造工程,目的是为了改善人们的生活环境,以及促进经济的进一步发展.它主是通过人类实施的一系列措施,使水资源按照人的意志实现重现分配,在时间和空间上实现水资源的合理利用,从而促进人类实现社会、经济、生态的协调发展。

因此，大型引水工程的施工对人类的生产、生活生存起着至关重要的作用，而随着隧道掘进机施工技术的不断成熟又给引水工程隧洞施工注入了新的力量。

一、全断面隧道掘进机概述

TBM（Tunnel Boring Machine）全断面隧道掘进机，是利用回转刀具开挖，同时破碎洞内围岩及掘进，形成整个隧道断面的一种新型、先进的隧道施工机械；相对于目前常用的钻爆方法，TBM集钻、掘进、支护于一体，使用电子、信息、遥测、遥控等高新技术对全部作业进行制导和监控，使掘进过程始终处于最佳状态，其应用了大量先进科技，是对几大技术领域的整合。包括机械类的机械设计、制造，信息类的信息化、自动化，电气类的电动、气动等几大学科领域。

硬岩TBM适用于山岭隧道硬岩掘进，代替传统的钻爆法，在相同的条件下，其掘进速度约为常规钻爆法的4～10倍，最佳日进尺可达150m；具有快速、优质、安全、经济、有利于环境保护和劳动力保护等优点。特别是高效快速可使工程提前完工，提前创造价值，对引水工程建设提前通水有着很重要的意义。

二、TBM掘进过程分析

TBM破岩掘进过程包括两个阶段：第一阶段是驱动滚刀挤压岩体，第二阶段是在滚刀之间，岩体出现裂缝，岩石脱落。如图1中，分别为单把、两把滚刀相互配合破岩应力示意图。刀具破岩从初始的压碎区，开始裂纹出现并逐渐向四周扩展，滚刀间侧向裂纹相通、碎片产生等过程组成，可以直观看出，岩体内因受力而划分的不同区间，所形成的裂纹扩散形态。如图1所示，当刀盘受驱动系统不断向前并旋转时，以推进力和扭矩的形式，连续作用岩体压掌子面时，在滚刀路径上出现连续的压碎区，随着刀具贯入度的增加，横向压碎区的范围增大、裂纹向四周扩散，相邻的两条压碎区逐渐接近，当裂纹相互连接时或裂纹延伸到自由面时便形成岩石碎片，脱离岩体，破岩成功。反映了相邻两滚刀的相互作用，裂纹发展过程，岩片脱离岩体，达到破岩目的。

图1.单把、两把滚刀相互配合破岩应力示意图

首先，滚刀在掘进机前进推力作用下接触并挤压岩体，在刀尖附近出现应力集中情况，逐渐形成密实核，应力向岩体内部扩散，产生大小不一的裂纹。刀盘破岩机理宏观上，在掘进机掘进的过程中，通过液压驱动，使刀盘旋转，同时在刀盘上的滚刀进行自转，滚刀不断挤压、碾碎岩体表面，在千斤顶的推力作用下，掘进机对岩体进行破碎，一节一节的向前掘进，形成隧道断面，破碎的岩体由铲斗（铲齿）带进刀盘上的开口当中，排到机舱内，最后通过排渣系统运出。微观上，在滚刀下方，岩体受力开始弹性变化，出现密实核，密实核不断下沉，达到临界点后，开始转变为塑性变化，开始出现裂纹，裂纹不断向四周拓展，直达达到岩体表面，或与其他滚刀下形成的裂纹连接，岩片便开始脱落，离开岩体。到达掘进开挖的最终理想的效果。

岩体微观变化过程可分为：

1）岩体受到外在作用力，内部开始弹塑性变形；

2）达到应力极限岩体开始出现裂纹，崩碎；

3）进而岩体被渐渐压密，出现密实核，开始形成较大的裂纹，拓展开来；

4）裂纹相互连接，开始脱落，产生破裂岩片。

三、TBM刀盘结构优化

刀盘作为TBM最主要的部件之一，是所有破岩道具的安装载体。TBM在掘进过程中可能遇到不同地质条件，加之施工控制参数的影响，刀盘所受到载荷是典型的随机载荷。在随机载荷作用下，刀盘的振动表现为受迫弹性体的随机扭转振动和横向振动。若刀盘振动过大，不仅影响其使用寿命，而且影响着其性能的发挥。因此，刀盘应当具有足够的强度和刚度，这样才能承受切削破岩时所受到的随机冲击载荷。同时，刀盘还应当能够及时高效地排出渣石，以便保证掘进过程的顺利进行。

刀盘结构设计包括刀具布局、盘体结构拓扑参数、出渣系统设计、部分形式及支撑结构等方面内容，盘体拓扑结构与工程地质情况有着密切的关系，不同的地质条件应采用不同的刀盘结构形式。盘体拓扑结构参数选择对TBM刀盘的整体强度和刚度有极大的影响。同时盘体拓扑结构也制约刀具布局，也加大了刀盘设计难度。因此，TBM刀盘结构设计是掘进机设计的核心技术。

3.1刀盘载荷

盘型滚刀在破岩过程中主要受到三个方向的作用力：正推力（垂直力）、滚动力（切向力）和侧向力，如图2所示。

图2.盘刀受到的切削力作用

掘进机工作时，刀盘上所有滚刀对刀盘作用的合力表现如下：

刀盘推力：主要由两个部分组成，一方面是所有破岩刀具受到的正推力（垂直力），另一方面主要是刀盘推进中刀盘侧面与开挖面之间的摩擦阻力。刀盘推力通过刀盘结构传递给回转支撑，这部分载荷主要由推进油缸的推力平衡；

刀盘弯矩：刀盘弯矩主要由破岩刀具受力产生。一方面所有破岩刀具所受到的正推力（垂直力）分布的不均匀产生弯矩，另一方面由于破岩刀具受到的径向力产生的弯矩，这些弯矩效果将由刀盘大轴承承受，这是造成机器振动、噪声和刀盘大轴承过早失效的原因之一，因此设计中要求尽量减小弯矩效果；

刀盘扭矩：刀盘扭矩主要由两个部分组成，一方面是所有破岩刀具所受到的滚动力（切向力）产生的扭矩，另一方面主要是刀盘旋转中刀盘正面与破碎岩渣及刀盘侧面与开挖面之间的摩擦阻力。刀盘扭矩通过刀盘结构传递回转支撑，主要由回转支撑平衡。

刀具和刀盘受力分析是刀具布置和刀盘主要参数设计的依据。许多学者通过试验测试和现场施工数据分析建立了盘型滚刀切削力的预测模型。

3.2 刀盘结构设计技术要求

通过同一线工程技术专家探讨归纳总结出TBM刀盘盘型滚刀布局设计需要满足以下的技术要求：

最小化径向载荷；

最小化倾覆力矩；

刀间距要求，即相邻布置的盘型滚刀之间不应该存在未被连通的岩石；

最小化破岩量差异，即每把刀的破岩量尽可能相同，使盘型滚刀尽可能等寿命；

不干涉要求，即待布盘型滚刀之间不干涉且不超出刀盘的布置空间；

质量分布要求，即总体刀具的质心接近或位于刀盘回转中心，以避免产生附加力矩，使得刀盘尽可能地匀速转动。

盘型滚刀布置满足刀盘整体强度和刚度要求。强度方面关系到刀盘使用性能。刚度方面决定整个刀盘平面上所有盘型滚刀切入岩石深度的一致性，盘型滚刀切入岩石深度的差值大小关系到刀具使用寿命是否一致。

3.3 刀盘结构设计中的关键问题

1、TBM刀盘布局设计

TBM刀盘布局除主要布置刀具外，还需要合理布置铲斗、喷水孔、出渣槽和入孔通道等，如图3

图3.TBM刀盘布局示意图

刀盘布局尤其是刀具布局是优化刀盘设计和掘进机性能的最重要因素。刀盘布局设计主要指满足给定的工程技术和性能约束条件，在有限空间的刀盘上（对小直径刀盘尤为突出）布置各种有效工具（各种刀具、开口、入孔通道、铲斗和喷水管等），实现高效的掘进性能。其中刀具布置是关键，合理的刀具布局关系到刀盘破岩效率、刀盘整体强度和刚度、刀具切削性能和寿命、刀具支撑大轴承的寿命、掘进机振动和噪声等，是降低掘进成本的关键技术之一。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，这使刀盘布局设计更困难也更重要，它决定掘进机施工成功与否。

综上所述，在现有的研究基础上，提炼有效的刀盘结构性能评价指标体系，对于深入开展刀盘拓扑结构性能评价的研究具有长远的指导意义。

参考文献：

[1]蒋聪健.全断面隧道掘进机盘形滚刀组合破岩机理研究[D].天津大学,2012.

[2]苏健行.全断面掘进机综合试验台液压系统及调速特性研究[D].浙江大学,2008.

[3]刘志杰.岩石隧道掘进机刀盘设计方法研究[D].大连理工大学,2009.