刀盤(pán)長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)分析

王義，朱振華，張榮毅，韓樂(lè)

（北方重工集團(tuán)有限公司，沈陽(yáng)110141）

0 引 言

目前，盾構(gòu)機(jī)已廣泛應(yīng)用于公路、鐵路隧道，城市軌道交通、管廊工程，輸水、輸氣管道，電力隧道，礦用巷道等幾乎所有隧道工程中[1]。隨著隧道規(guī)劃里程的日益增長(zhǎng)，以及客戶對(duì)工期和成本控制的要求日趨苛刻，能夠適應(yīng)穿越復(fù)雜地層、實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離掘進(jìn)或者多區(qū)間連續(xù)使用的復(fù)合式盾構(gòu)或多模式盾構(gòu)[2]產(chǎn)品備受客戶青睞。

刀盤(pán)作為盾構(gòu)機(jī)的重要部件，其設(shè)計(jì)關(guān)系到盾構(gòu)工程的成敗、開(kāi)挖效率、使用壽命及刀具費(fèi)用[3]。可見(jiàn)，刀盤(pán)長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)是復(fù)合式盾構(gòu)或多模式盾構(gòu)性能保證的關(guān)鍵因素。刀盤(pán)常見(jiàn)的失效形式主要有：結(jié)構(gòu)的塑性變形、開(kāi)裂；過(guò)度磨損；結(jié)泥餅；刀具破損和脫落；渣土改良劑噴口堵塞或損壞；超挖刀失效等。因此，實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)的長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)，應(yīng)該結(jié)合實(shí)際工況合理預(yù)防施工中刀盤(pán)各種失效形式的出現(xiàn)，綜合考慮以下幾個(gè)方面。

1 刀盤(pán)的正確選型及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刀盤(pán)主要具有三大功能：開(kāi)挖土體、穩(wěn)定掌子面和攪拌渣土[4]。根據(jù)給定隧道的水文地質(zhì)條件和設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行選型是刀盤(pán)設(shè)計(jì)的首要工作。盾構(gòu)刀盤(pán)根據(jù)面板的結(jié)構(gòu)形式主要分為輻條式和面板式兩大類(lèi)[5]，其各自特點(diǎn)如表1所示。

根據(jù)表格分析可見(jiàn)，輻條式刀盤(pán)優(yōu)勢(shì)為開(kāi)口率大、渣土流動(dòng)順暢、掌子面壓力測(cè)量更直接，在單一均質(zhì)的砂層、小粒徑砂礫層中會(huì)有很高的掘進(jìn)效率；不足之處在于其主切削刀具大部分為焊接形式，不能因地質(zhì)變化而更換，地質(zhì)適應(yīng)性較差，粒徑較大處（大于螺旋處理能力）需要人工干預(yù)，人員進(jìn)倉(cāng)的安全性差。

表1 輻條型和輻條輻板型刀盤(pán)特點(diǎn)對(duì)比

面板式刀盤(pán)優(yōu)勢(shì)在于整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度大，可以實(shí)現(xiàn)背部更換和互換主切削刀具，刀盤(pán)周邊有空間安裝更多刀具，能夠有效限制進(jìn)入開(kāi)挖倉(cāng)的粒徑，地質(zhì)適應(yīng)范圍廣，人員進(jìn)入開(kāi)挖倉(cāng)的安全性較高；不足之處在于開(kāi)口率相對(duì)較小，中心處易結(jié)泥餅。

復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)一個(gè)最主要的特點(diǎn)就是適應(yīng)復(fù)雜多變的地層，結(jié)合以上分析，選擇面板式刀盤(pán)更適合刀盤(pán)長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)的要求。同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，還需要針對(duì)面板式刀盤(pán)的不足之處做進(jìn)一步改進(jìn)，如圖1所示。

1)提高開(kāi)口率。設(shè)置根據(jù)需要可調(diào)節(jié)或者可拆裝的面板設(shè)計(jì)，最大限度保證刀盤(pán)的開(kāi)口率，地層允許時(shí)最大開(kāi)口率可提高至50%。

2)改善中心結(jié)泥餅問(wèn)題。改進(jìn)刀盤(pán)中心結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證強(qiáng)度下減少相交輻條數(shù)量，中心環(huán)形支撐軸向倒錐形設(shè)計(jì)，配備高壓水沖刷系統(tǒng)。

圖1 改進(jìn)的面板型刀盤(pán)

2 適合地質(zhì)的刀具選型和合理刀具布置

刀具的選型和地質(zhì)條件直接相關(guān)。為保證掘削刀盤(pán)的開(kāi)挖效率，盾構(gòu)通常根據(jù)不同地質(zhì)情況選用不同類(lèi)型的刀具及刀具組合[6]。一般情況下，軟土、砂層中掘進(jìn)的主切削刀具為先行撕裂刀，中心刀為魚(yú)尾刀；砂礫層、卵石層選用的主切削刀具為重型撕裂刀，中心刀為魚(yú)尾形布置的重型撕裂刀；對(duì)于硬度較大的礫石層、粒徑較大的卵石層及巖層中主切削刀具為滾刀或撕裂刀加滾刀，中心采用中心滾刀。輔助切削刀具均為刮刀，并且設(shè)計(jì)為螺栓把合式，根據(jù)其磨損程度、受沖擊大小選擇不同大小的刀具寬度和合金。另外，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)彎和邊刀更換的需要，需要設(shè)置仿形刀或者超挖刀。

合理的刀具布置主要包含以下幾個(gè)方面：合理的中心刀、面刀和邊刀數(shù)量設(shè)置；合理的主切削刀具的間距；合理的主、輔切削刀具高差；合理的邊刀角度設(shè)置和高差設(shè)置。其中，刀間距的設(shè)計(jì)尤其是滾刀的刀間距設(shè)計(jì)對(duì)于刀盤(pán)切削效率影響很大，是刀盤(pán)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。刀間距大，破巖效果不理想，出現(xiàn)巖脊，單把滾刀載荷增大，推進(jìn)速度降低；刀間距過(guò)小，造成過(guò)度破碎，整體推力增大，能量消耗大，效率低成本高。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，為提高適應(yīng)性，刀間距盡可能小，以便在遇到最硬的巖石情況下貫通整個(gè)隧道[7]。

刀盤(pán)的長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)，要求刀盤(pán)、刀具對(duì)地質(zhì)有很強(qiáng)的適應(yīng)性，具體從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：1）主切削刀具的安裝需要采用刀箱結(jié)構(gòu)，可以從刀盤(pán)背后換刀，實(shí)現(xiàn)滾刀和撕裂刀互換；2）對(duì)于透水性強(qiáng)、斷層、流沙等不良地質(zhì)地段不可更換刀具的情況，需要設(shè)計(jì)預(yù)判，設(shè)置高強(qiáng)度、高耐磨性的主、輔切削刀具組合；3）充分利用面板式刀盤(pán)上的箱型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)“儲(chǔ)備型”刀具，如：在刀箱安裝多頭撕裂刀，磨損后旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度重新安裝即可重新開(kāi)始工作，減少了新刀具入倉(cāng)、舊刀具出倉(cāng)的運(yùn)輸時(shí)間和刀具成本；4）邊刀區(qū)域線速度大且刀具受偏載，刀具磨損較嚴(yán)重，為防止刀箱破壞或者克服較硬地層，可以在周邊輻板處設(shè)計(jì)備用刀箱，在特殊情況下安裝刀具改變邊刀的整體布置；5）主、輔刀具按高度梯度設(shè)置，可設(shè)置二級(jí)或者三級(jí)高差，使刀具分批次進(jìn)入切削，有利于延長(zhǎng)刀具使用壽命，限制刀盤(pán)轉(zhuǎn)矩；6）輔助切削刀具主要是保證可更換性，刀具具體類(lèi)型選擇，需要根據(jù)區(qū)間具體的地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行選型，有針對(duì)性地選擇刀具的把合螺栓數(shù)量、刃角、硬質(zhì)合金塊的大小及焊接形式等。

3 合理的渣土改良

開(kāi)挖出的渣土作為支撐開(kāi)挖面穩(wěn)定的介質(zhì)，要求其具有良好的塑性變形、軟稠度、小內(nèi)摩擦角及小滲透率[8]。由于一般土壤不具備這些特性，所以要進(jìn)行改良，其技術(shù)要點(diǎn)是在刀盤(pán)前部和泥土倉(cāng)中注入水、膨潤(rùn)土泥漿、黏土、聚合物或泡沫等混合添加材料，經(jīng)強(qiáng)力攪拌，改變開(kāi)挖的土砂塑性、流動(dòng)性，降低渣土的透水性[9]。除穩(wěn)定開(kāi)挖面外，改良后的土體具有一定的潤(rùn)滑性，能夠降低渣土對(duì)刀盤(pán)的磨損，還有利于減小刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)阻力，降低轉(zhuǎn)矩。

復(fù)合式盾構(gòu)穿越地層復(fù)雜、掘進(jìn)距離長(zhǎng)、渣土類(lèi)型多。因此，為使盾構(gòu)在復(fù)雜多變的工況下保持良好的適應(yīng)性，需要整機(jī)考慮合理的渣土改良方案及相應(yīng)的系統(tǒng)準(zhǔn)備。對(duì)于刀盤(pán)本身結(jié)構(gòu)而言，長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)要求必須依據(jù)施工段地質(zhì)情況在刀盤(pán)上配置相應(yīng)的土壤改良劑噴口。受結(jié)構(gòu)限制，不可能為每一種改良劑都預(yù)留一定數(shù)量的接口。可采用一種背裝式土壤改良劑噴射裝置[10]，兼具多種改良劑的噴射功能，且?guī)в谐袎耗て乐鼓酀{倒灌，根據(jù)工況需要接入不同改良劑系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)改良劑的注入。由于該裝置的可更換性，有效防止了改良劑噴射裝置的堵塞或損環(huán)造成的刀盤(pán)失效。

此外，與改良劑噴口相連接的是復(fù)雜的刀盤(pán)管路及旋轉(zhuǎn)接頭。這些都是保證渣土改良能夠?qū)嵤┑年P(guān)鍵環(huán)節(jié)。施工中往往是小問(wèn)題被忽視而導(dǎo)致了刀盤(pán)的失效。因此，注重管路的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)和旋轉(zhuǎn)接頭的密封也是刀盤(pán)長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)需要考慮的一個(gè)重要因素。管路采用硬管，設(shè)置要盡可能流暢、簡(jiǎn)潔，既不能堵塞渣土流動(dòng)通道，又要有良好的保護(hù)措施。旋轉(zhuǎn)接頭安裝在刀盤(pán)背部旋轉(zhuǎn)中心，將旋轉(zhuǎn)的刀盤(pán)和固定在主機(jī)上的管路有效連接，實(shí)現(xiàn)渣土改良劑、高壓油和油脂等有效連通。旋轉(zhuǎn)接頭部位接口多，類(lèi)型復(fù)雜，保證各個(gè)接口處的密封是關(guān)鍵。

4 完善的耐磨保護(hù)措施

施工中的磨損是影響刀盤(pán)壽命一個(gè)重要因素。由于刀盤(pán)不可避免的磨損往往給工程帶來(lái)干擾和隱患[11]。刀盤(pán)磨損包括刀具磨損和刀盤(pán)結(jié)構(gòu)的磨損，兩者存在著明顯的先后關(guān)系。正常情況下，刀具由于對(duì)開(kāi)挖土體進(jìn)行切削、刮削作用，出現(xiàn)磨損是合理的。但是由于刀具的過(guò)度磨損未得到及時(shí)的處理，導(dǎo)致刀盤(pán)結(jié)構(gòu)開(kāi)始出現(xiàn)磨損，直至刀盤(pán)因過(guò)度磨損而失效是損失慘重的。可見(jiàn)，及時(shí)檢查和更換磨損的刀具是延長(zhǎng)刀盤(pán)壽命的一個(gè)關(guān)鍵措施。不同類(lèi)型的刀具其破巖原理不同，其磨損方式也不盡相同。滾刀的磨損一般分為正常磨損和非正常磨損，正常磨損主要指均勻磨損和偏磨，非正常磨損主要包括漏油、刀圈崩裂、擋圈脫落等。常見(jiàn)的刮刀磨損方式有刀刃崩裂、刀體斷裂、刮刀偏磨[12]。

解決刀具磨損為上策，但是開(kāi)倉(cāng)維護(hù)工作是有條件限制的，不良地質(zhì)地段沒(méi)有可靠的加固措施是不允許開(kāi)倉(cāng)的，因此，刀盤(pán)結(jié)構(gòu)的磨損防護(hù)依然不容忽視。刀盤(pán)常規(guī)的耐磨設(shè)計(jì)包含正面耐磨板、周邊耐磨條、滾刀保護(hù)塊、刮刀座保護(hù)塊、噴口保護(hù)刀等。復(fù)合盾構(gòu)所面臨的長(zhǎng)距離隧道施工是對(duì)刀盤(pán)耐磨性能的嚴(yán)峻考驗(yàn)。為適應(yīng)長(zhǎng)距離掘進(jìn)，刀盤(pán)的耐磨保護(hù)設(shè)計(jì)，需要全面考慮，給出針對(duì)性的措施。首先，耐磨板需要選用雙層復(fù)合耐磨板，耐磨層硬度可達(dá)60 HRC；其次，刀盤(pán)周邊區(qū)域由于線速度大磨損相對(duì)較大，宜采用鑲嵌有硬質(zhì)合金塊的耐磨條，耐磨條之間焊接復(fù)合耐磨板；最后，對(duì)以上耐磨措施不能覆蓋的區(qū)域，如周邊刀箱的端面和側(cè)面，需要貼焊復(fù)合耐磨板或者進(jìn)行網(wǎng)格耐磨焊，硬度不小于55 HRC。

5 智能刀盤(pán)

智能刀盤(pán)，即刀盤(pán)智能化，包含如下幾個(gè)方面：1）結(jié)構(gòu)變形的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和極限報(bào)警。防止因?yàn)槠d、過(guò)載等造成刀盤(pán)鋼結(jié)構(gòu)乃至主軸承的損傷和破壞。2）刀具的常壓磨損檢測(cè)。包括主切削刀具和輔助切削刀具的磨損檢測(cè)，減少停機(jī)時(shí)間，減少人工帶壓進(jìn)倉(cāng)次數(shù)，安全高效，防止由于刀具的過(guò)度磨損給刀盤(pán)結(jié)構(gòu)造成磨損。3）刀盤(pán)結(jié)構(gòu)的磨損檢測(cè)。能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)的輕微磨損，以便早期處理。4）掌子面工況影像監(jiān)測(cè)。根據(jù)需要，配置在刀盤(pán)內(nèi)部的影像設(shè)備會(huì)自動(dòng)伸出到掌子面附近，提供實(shí)時(shí)影像，大大降低開(kāi)倉(cāng)檢查的風(fēng)險(xiǎn)。5）超挖量測(cè)量。在配備仿形刀或超挖刀情況下，對(duì)超挖量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，提高設(shè)備整體的適應(yīng)性及靈活性。6）機(jī)器人換刀系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)換刀過(guò)程的自動(dòng)化、智能化，安全快捷，此系統(tǒng)對(duì)刀盤(pán)、刀具整體設(shè)計(jì)復(fù)雜程度、標(biāo)準(zhǔn)化程度要求較高。

以上所有智能手段的監(jiān)測(cè)信息都會(huì)以信號(hào)形式傳遞進(jìn)主控室，根據(jù)需要出現(xiàn)在顯示屏上，為操作人員、工程師等提供參考，并及時(shí)處理由于過(guò)載、過(guò)度磨損等造成的刀盤(pán)、刀具損傷。智能刀盤(pán)是刀盤(pán)長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)的有力保障。工程實(shí)際中，需兼顧成本因素，選擇合適的智能手段。

6 結(jié) 論

刀盤(pán)長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)的前提是要充分分析給定施工段的水文地質(zhì)條件和隧道設(shè)計(jì)參數(shù)，正確選型刀盤(pán)、刀具；刀具的合理布置使刀盤(pán)、刀具有良好的地質(zhì)適應(yīng)性，以及刀具、改良劑噴射裝置等主要消耗件的可更換性；合理的渣土改良、完善的耐磨保護(hù)措施和智能刀盤(pán)是長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)的保障。以上分析僅從刀盤(pán)的結(jié)構(gòu)本身出發(fā)，分析了刀盤(pán)長(zhǎng)壽命設(shè)計(jì)需要考慮的因素。實(shí)際施工中，刀盤(pán)的長(zhǎng)壽命還有賴于前期詳細(xì)的地勘、完善的施工組織和施工管理。