硬巖豎井掘進機刀盤結構的設計探討

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

全斷面豎井掘進機是利用滾刀破巖替代傳統的鉆井施工方法，可實現開挖、支護的平行作業，是集開挖、掘進、支護為一體的高端技術裝備[1]。目前豎井掘進機研發領域主要包括截削式豎井掘進機、刀盤式豎井掘進機與全斷面豎井掘進機，其中截削式豎井掘進機破巖結構為截割臂，前部裝有截割頭，已應用于加拿大薩斯喀徹溫省鉀鹽礦1 000m 深的凍結井筒施工中，主要適用于軟巖地層[2]；刀盤式豎井掘進機破巖結構為橫軸立式截割刀盤，配有盤形滾刀，但需要人工在工作面完成預注漿工作，具有一定的危險性，目前停留在理論研究階段[3]；全斷面豎井掘進機破巖結構為圓錐形刀盤，并配有滾刀，主要適用于地下水豐富的地層，掘進速度為0.6m/h，目前停留在理論研究階段。綜上所述，針對大直徑豎井的高效快速施工，目前并未形成一套地質適用性強、機械化程度高的施工工法[4～8]，因此亟待研究一種集開挖、支護于一體的全斷面豎井掘進機。

刀盤作為豎井掘進機的關鍵部件，合理的刀盤結構設計能夠有效提高豎井掘進效率，縮短掘進周期，降低施工成本，延長刀盤刀具壽命等。考慮到豎井垂直開挖的施工特點，在進行豎井刀盤結構設計時，需要對刀盤出渣結構、刀盤盤體結構形式、刀間距等關鍵結構進行綜合性考慮。

以新疆某通風豎井工程為依托，完成豎井掘進機刀盤設計，該工程主要為含水較少的硬巖穩定地層，巖石硬度在60MPa 左右，完整性較好，設計豎井開挖直徑為7 830mm，開挖深度為300m。

1 刀盤結構設計

1.1 刀盤主體結構設計

本次設計的豎井掘進機刀盤直徑設置為7 830mm，初步采用常規刀盤4 主梁加4 面板的設計，豎井刀盤掘進時工作空間受限，出渣較困難，結合傳統豎井設備吊桶出渣的原理，為方便出渣系統的布置，刀盤使用筒體結構與主驅動相連接。考慮到刀盤中心部位巖渣難以處理，將刀盤中心部位設計成錐形結構，與掌子面成一定角度。同時，因本次設計刀盤直徑較大，若使用一體式設計會給刀盤生產制造和運輸帶來不便，因此，在本次設計時，考慮分塊制造。分塊時應盡量減小刀盤最大單塊結構尺寸及質量，同時還應便于現場組裝。參考全斷面隧道硬巖掘進機（TBM）常見刀盤分塊形式，主要有中心對分、偏心對分、中方五分、中六角七分式、中八角九分式等。考慮豎井出渣成為制約豎井施工的關鍵技術要點，并結合刀盤開挖直徑及掘進巖層硬度，確定刀盤結構為中八角九分式。刀盤結構如圖1 所示。

圖1 豎井刀盤主體結構形式

1.2 刀盤出渣系統設計

利用傳統豎井設備吊桶出渣的原理，確定刀盤出渣結構為刮板鏈刮渣-斗提機提渣-吊桶裝渣三級出渣，具體出渣設計為兩套三角形刮渣鏈關于刀盤中心對稱，且獨立驅動，可實現攜渣自轉與隨刀盤公轉兩種運動動作，在刮渣鏈的復合運動下，可將刀盤開挖出的巖渣帶入刀盤中心的集渣筒體內，并配合斗式提升機提渣、吊桶裝渣，實現刀盤的連續出渣，有效保證了刀盤開挖與出渣的平行作業，提高豎井施工效率。

因刮渣鏈系統無法清理刀盤中心部位巖渣，除刀盤中心設計成錐形結構外，錐面上方通過回轉接頭高壓氣通道泵送高壓氣將中心部位巖渣順著錐面吹送至刮渣鏈刮渣孔處，實現對中心部位巖渣的清理。具體如圖2 所示。

圖2 豎井刀盤出渣結構

1.3 刀間距設置

刀盤掘進地層為硬巖地層，因此刀盤面板上需布置一定數量、具有一定規律的盤形滾刀[9]。考慮到滾刀承受的極限載荷與巖層硬度存在很大關系，初步選定17 寸雙刃滾刀和17 寸單刃滾刀兩種類型。結合刀盤應用地質概況及硬巖掘進機刀具參數設計規律[10～11]，取正面滾刀刀間距為80mm 左右，初步設計共46 把滾刀。其中28把17 寸單刃正滾刀布置于刀盤正面板上，10 把17 寸單刃邊滾刀布置于刀盤邊緣處，與刀盤面板成一定角度。中心雙刃滾刀1～16 號刀間距在85mm 左右，正面滾刀17～44 號刀間距在82mm左右，邊緣滾刀45～54 號刀間距從75mm 過渡到25mm，具體刀具布置圖如圖3 所示。

圖3 滾刀布置示意圖

1.4 刀盤載荷分析

豎井掘進機刀盤推進系統和刀盤驅動系統主要是推進油缸和驅動電機組組成，刀盤受到的總推力和總扭矩是設計制造驅動系統的關鍵參數，因此正確預算刀盤總推力和總扭矩的大小及其變化趨勢是設計豎井刀盤重要的部分之一。

1.4.1 刀盤推力分析

豎井刀盤承受的推力由諸多因素決定，如滾刀刀圈形狀、刀具尺寸、巖石特性以及掘進參數等影響刀盤受力，合理地對刀盤掘進總推力進行分析研究對于保證豎井掘進機的高效掘進具有重要意義。豎井刀盤在向下掘進時，受力情況如圖4 所示，F4、F5、F6為刮渣鏈對刀盤結構產生的壓力，相互抵消，不在推力計算中出現，故豎井刀盤向下掘進時所需總推力由式（1)決定。

式中F1——所有正面滾刀承受的垂直力之和，kN；

F2——所有錐面雙刃滾刀承受的垂直力之和，kN；

圖4 豎井刀盤掘進時刀盤受力

F3——刀盤周邊圓環與巖石之間的滑動摩擦阻力，kN。

設滾刀數量為n，則有

式中Fi——第i把滾刀的額定承載能力，kN；

μ1——鋼結構（刀盤大圓環）與周邊井壁的摩擦系數，μ1=0.2～0.4；

α0——中心錐面傾角，°；

p0——刀盤圓周壓力，kN/m2；

d——刀盤直徑，m；

h——刀盤外周大圓環高度，m。

計算得，F=F1+F2+F3≈1.35×104kN。

1.4.2 刀盤扭矩分析

豎井刀盤向下掘進時，扭矩主要包含4部分。

式中T1——滾刀滾動力對刀盤回轉中心的力矩之和，kNm；

T2——克服刀盤周邊摩擦力所需扭矩，kNm；

T3——刀盤刮渣板刮渣時巖渣對刮渣板產生的扭矩，kNm；

T4——刀盤中心集渣筒體滿渣時斗提機與巖渣間的扭矩，kNm。

式中f——滾刀滾動阻力系數，f=0.1～0.15；

Ri——第i把滾刀在刀盤上的回轉半徑，m；

r——刀盤半徑，m；

n——刮渣鏈套數，套；

ρ——巖渣密度，kg/m3；

μ2——巖渣與掌子面間的摩擦系數，μ2=0.2～0.4；

v——單套刮渣板最大載渣體積，m3；

μ——鋼結構（斗提機）與巖渣間的摩擦系數，μ=0.2～0.4；

r0——斗提機半徑，m；

h0——集渣桶體最大集渣高度，m。

綜上所述得：T=T1+T2+T3+T4≈3350kNm。

2 刀盤結構有限元分析

在建立豎井刀盤有限元模型時，根據圣維南原理對刀盤結構進行簡化處理，主要簡化說明如下：①忽略滾刀整體結構，簡化凸臺、螺栓孔、倒圓角等局部模型；②忽略焊縫、耐磨板等結構材料，填充焊縫連接處間隙[13～14]；③將法蘭板、傳力環等結構簡化為剛性約束等。將簡化后的模型導入Ansys Workbench 中，忽略間隙與穿透，接觸區域無滑移。根據經驗設置網格大小為80mm，共劃分單元網格233 768 個，節點數444 383 個。

豎井刀盤在掘進過程中主要做軸向推進運動和自身回轉運動，在豎井刀盤的法蘭安裝面上施加固定約束，在刀盤面板上施加載荷，方向垂直刀盤面板向上；在刀盤圓周施加扭矩，面向刀盤，扭矩方向為逆時針。

豎井刀盤盤體材料為Q345B，密度為7 850kg/m3，彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3，抗拉強度為345MPa。對刀盤結構施加載荷和額定扭矩后得到刀盤等效應力云圖和總變形圖，可知在正常工況下，刀盤大部分區域的應力均很小，只有很小的區域應力較大，刀盤最大應力位于刀梁于筒體連接處，應力值為162.4MPa，小于材料的許用應力，變形主要出現在刀盤外邊緣處，最大變形量為1.4mm。所以此次設計的豎井刀盤方案強度與剛度雖滿足要求，但刀盤筒體上方與分塊處應力普遍較大，且存在刀盤質量大，結構復雜及開口率小的缺點，需進行進一步的優化設計。

3 刀盤結構優化設計

3.1 刀盤結構優化

由以上分析結果對初始方案做出以下優化設計：①將面板式設計調整為梁加筋板的結構以增大開口空間，為中途換刀和處理掌子面前方應急情況提供操作空間，具體結構如圖5 所示；②增加刀盤與筒體連接結構厚度，并在刀盤與筒體連接筋板增加加強筋，以增加刀盤整體的強度與剛度（圖6）。

圖5 刀盤正面結構優化

圖6 刀盤連接結構優化示意圖

3.2 優化后刀盤靜力學分析

以同樣的網格大小對優化后刀盤結構進行網格劃分，并以相同的約束與載荷加載。求解出的刀盤等效應力云圖和總變形，可知在正常工況下，優化后刀盤最大應力在刀盤中心塊與邊塊的連接處，應力值為122.9MPa，最大應力較原方案減小39.5MPa，并可通過焊接時增加圓弧焊腳[16～17]等方式降低刀盤應力集中。優化后刀盤最大變形量1.1mm，刀盤最大變形量較改進前方案減小約0.3mm。由以上結果可知，優化后刀盤整體強度、剛度較原方案有所提高。

4 刀盤掘進試驗

豎井掘進機設備試掘進及試驗用基坑采用沉井法澆筑而成，基坑開挖直徑為10m，成井后內徑為7.95m，井深3.75m，井筒底部填充C40 素混凝土，厚度為3.5m。

設備組裝、調試完畢后在基坑內做試掘進試驗，在掘進試驗期間，刀盤轉速由4r/min 增加至7r/min，主驅動設計額定扭矩為3 350kNm，最大推進力為10 000kN，實驗時上位機刀盤數據如圖7 所示。

圖7 刀盤上位機曲線

以上數據顯示，在試掘進過程中，刀盤轉速平穩，刀盤貫入度在8～13mm，掘進速度較快。轉矩基本穩定，在500～1 050kNm 范圍內波動，其扭矩波動主要是由刀盤貫入度變化引起，整體來說刀盤扭矩設計較為合理，沒有出現因局部工況負載過大帶來的驅動能力不足，也未出現安全系數太大、扭矩配置浪費的情況，驗證了刀盤扭矩計算模型的正確性。

設備試掘進時刀盤工作情況具體如圖8 所示。從試驗結果來看，刀盤井下開挖、出渣較順暢，且出渣粒徑較均衡，粒徑大小在設計范圍內，刀盤中心部位積渣較少，驗證了刀盤面板溜渣式中心錐面設計較合理；綜上所述，本次設計的豎井刀盤在試掘時，各項試驗參數在均在設計理論范圍內，設備運行平穩，出渣順暢，滿足正常施工要求。

圖8 刀盤井下工作情況

如圖9、圖10 所示，出井后刀盤整體結構較完整，刀盤盤體和刀具磨損量較小，主體結構與焊縫未出現裂紋、整體斷裂的情況，說明刀盤強度滿足設計要求。刀盤出井后手工復測刀盤最薄弱處（大圓環位置）變形量較小（1.2mm），說明刀盤結構剛度滿足設計要求。

圖9 刀盤出井情況

圖10 局部刀具和耐磨板圖

5 結語

1）設計了豎井掘進機刀盤結構并進行了優化設計，通過建立了豎井刀盤的載荷受力模型，利用數值模擬對刀盤的結構設計提供了理論依據。通過理論仿真結果和試掘進試驗應用情況表明，該刀盤結構設計滿足工程實際需要，研究結果可為同類刀盤的結構設計和工程施工提供參考依據。

2）設計了能夠安裝刮板輸送裝置的豎井刀盤結構，同時中心設置儲渣空間，可將刀盤開挖出的巖渣臨時提升存儲至刀盤中心筒體內，此外刀盤中心錐板設計能有效改善中心部位積渣情況，大大提高刀盤出渣效率。

3）由于該刀盤僅在廠區內進行了試掘進試驗，試驗地質性單一，還需結合實際施工案例進行結構設計合理性驗證，優化刀具選型、刀具布置形式以提高掘進效率是科研人員下一步著重探討的方向。