單刃滾刀與雙刃滾刀刀盤掘進對比分析

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構在施工過程中會遇到各種不同地層，從淤泥、粘土、砂層到軟巖及硬巖等，其中刀盤刀具必須根據工程地質情況進行針對性設計[1～2］。刀盤、刀具是盾構的關鍵部件之一，直接影響盾構施工的效率和設備選型的成敗。刀盤設計時，應充分考慮刀盤的結構形式、刀盤開口率、刀具的布置、使用壽命及刀具費用等因素對地質的適應性，在確保開挖面穩定的情況下，提高掘進速度[3～4]。

在單軸抗壓強度比較高的巖層中掘進，能否高效率的破除巖石是主要矛盾，此種狀況下合理的刀間距、滾刀刀圈的刃型、材質是主要考慮的問題。但在城市地鐵施工中，存在較多的混合地層，比如在粉質粘土與強風化、中風化的泥灰巖、石灰巖、角礫巖等混合地質盾構區間掘進，巖石的單軸抗壓強度不高，破巖不是主要矛盾，采用單刃滾刀的刀盤方案還是雙刃滾刀的刀盤方案掘進施工一直是業內討論的問題。

1 單刃滾刀與雙刃滾刀結構特點

盤形滾刀技術是盾構/TBM 的核心技術之一，要求滾刀承載能力強、質量穩定性好；刀圈具備很好的沖擊韌性，同時耐磨性和紅硬性好。目前常用直徑17 寸和19 寸的盤形滾刀，在大直徑的TBM 中也采用20 寸的盤形滾刀。較大直徑的盤形滾刀允許較大的刀圈磨損量、可降低滾動阻力系數、允許使用較大的軸承從而具有更大的承載力。

17寸單刃、雙刃滾刀結構如圖1、圖2所示，主要由刀軸、下端蓋、浮動密封、刀圈、刀體、軸承、上端蓋、隔環等部件組成。17 寸單刃、雙刃滾刀采用相同的軸承、密封結構，具備相同的軸承承載能力和密封壓力。雙刃滾刀刀圈采用并排安裝的形式，可實現刀刃間距為80～100mm。

圖1 單刃滾刀結構

圖2 雙刃滾刀結構

2 單刃滾刀與雙刃滾刀刀盤分析

2.1 單刃滾刀與雙刃滾刀刀盤布置

圖3 安裝單刃滾刀的刀盤布置圖，開挖直徑采用6 300mm，采用4 把雙聯滾刀，32 把單刃滾刀，共40 個刀刃，單刃滾刀正面布置刀間距100mm。圖4 為安裝雙刃滾刀的刀盤布置圖，開挖直徑6 300mm，采用4 把雙聯滾刀，16 把雙刃滾刀，共40 個刀刃，雙刃滾刀刀刃間距100mm。

圖3 單刃滾刀刀盤

圖4 雙刃滾刀刀盤

布置單刃滾刀與雙刃滾刀的刀盤對比，在滾刀刀刃數量相同的情況，雙刃滾刀數量少，雙刃滾刀刀盤安裝刀位少。從刀具經濟性上考慮，安裝雙刃滾刀刀具費用低，刀具更換次數較少，費用較低。

2.2 單刃滾刀與雙刃滾刀刀盤強度分析

對單刃滾刀刀盤、雙刃滾刀刀盤整體結構進行有限元強度計算，校核兩種刀盤結構是否滿足強度要求及哪種刀盤強度更高。

刀盤主要承受主驅動的驅動扭矩和掌子面的破巖反力。經計算可知，取掘進推力600t，扭矩取主驅動扭矩6 900kNm。

在建立有限元模型時對刀盤的模型進行了簡化，去除了輻條上的泡沫孔和膨潤土孔以及連接法蘭上的螺栓孔等局部特征。有限元分析選用的軟件為ANSYS WORKBENCH，曲線邊界進行了優化剖分，生成了121 218 個六面體單元，234 717 個結點。刀盤所用材料為Q345B，彈性模量2.0e11Pa；泊松比0.3，密度7 850kg/m3。

經過有限元軟件強度計算可知，安裝單刃滾刀的刀盤邊緣處最大變形量為2.54mm，綜合等效應力最大值為88MPa；安裝雙刃滾刀的刀盤邊緣處最大變形量為1.79mm，綜合等效應力最大值為69MPa。兩種刀盤設計所用材料均為Q345B，該材料的許用應力為295MPa，雖然兩種刀盤的結構設計都滿足強度要求，但安裝雙刃滾刀的刀盤最大變形量小，綜合等效應力水平低于安裝單刃滾刀的刀盤，所以安裝雙刃滾刀的刀盤在結構強度上具有優勢。

盾構向前掘進過程中，盤形滾刀在刀盤推力作用下貫入掌子面巖石，一方面隨著刀盤旋轉作公轉運動，一方面繞自身刀軸作自轉運動。如圖5 所示，掌子面巖石在滾刀刀刃的滾壓作用下不斷破碎、剝落，實現破巖開挖。在盾構/TBM 掘進過程中，多個滾刀刀刃在一定的刀間距下組合破巖。

圖5 滾刀破巖原理

以刀盤上任意相鄰的兩個刀刃為例，如圖6所示，設刀盤轉速為n，假設刀間距為100mm。

單刃滾刀A1 安裝半徑r1，單刃滾刀A2 安裝半徑r2，r1+100=r2；雙刃滾刀B1 刃安裝半徑r1，B2 刃安裝半徑r2。

單刃滾刀A1 線速度為v1=2πr1；單刃滾刀A2線速度為v2=2πr2；根據單刃滾刀破巖的特點，相鄰兩把單刃滾刀A1、A2 可獨立運動，兩把單刃滾刀性能互不影響。

根據雙刃滾刀刀盤的特點，B1 刀刃理論線速度為v1=2πr1；B2 刀刃理論線速度為v2=2πr2。根據雙刃滾刀的特點，B1刃和B2 刃安裝在同一對滾刀軸承上，具有相同自轉轉速，B1、B2 刀刃外緣處具有相同的線速度，這是相互矛盾的。所以雙刃滾刀掘進時，B1、B2 刀刃中任何一個刀刃與掌子面接觸雙刃滾刀都會自轉，B1、B2 刀刃需具有相同的線速度，B1、B2 刀刃中除了刀圈正常滾動外，其中一個刀圈還具有相對掌子面的滑動，影響雙刃正常的受力狀態，一定條件下加速了刀圈的磨損。

圖6 單刃滾刀、雙刃滾刀刀盤線速度模擬

3 掘進性能評價指標

3.1 性能評價指標的建立

盾構在施工過程中會遇到各種類型地層，如何選擇合適的掘進刀盤、刀具是一個比較復雜的研究對象[5]，影響掘進性能的因素是多方面、相關聯的，需要建立一個具有多層次結構的性能評價指標體系對其進行描述[6～7]。通過對單刃滾刀與雙刃滾刀及安裝刀盤進行對比分析，采取定量指標與定性指標相結合的原則，從單刃滾刀與雙刃滾刀互相干涉性、滾刀受力狀態、刀盤強度剛度、刀具消耗經濟性等方面建立評價指標，建立類似地質條件下掘進性能指標評價體系，合理確定指標評價體系中各方面指標的權重。

對單刃滾刀和雙刃滾刀在類似地層的分析結果進行統計，優勢指標記錄為1，劣勢指標記錄為0，統計結果見表1。

表1 單刃滾刀與雙刃滾刀刀盤對比

從統計結果看，單刃滾刀刀盤、刀具在相鄰滾刀相互干涉性、滾刀受力方面占優，雙刃滾刀刀盤、刀具在刀盤強度剛度、刀具經濟性方面占優。

3.2 性能評價指標權重

從刀盤、刀具設計制造和工程使用效果分析，并結合部分行業專家意見，提出指標評價體系中各個指標的權重，并對單刃滾刀、雙刃滾刀及刀盤掘進性能進行評價，評價指標權重見表2。

表2 評價指標權重

依據此權重指標計算，單刃滾刀刀盤=0.45，雙刃滾刀刀盤=0.55，雙刃滾刀刀盤、刀具方案得分優于單刃滾刀刀盤、刀具方案得分。

類似項目在南寧地鐵3 號線施工中應用過，南寧地鐵3 號線青秀山站-市博物館站左線刀盤采用單刃滾刀刀盤方案，右線刀盤采用雙刃滾刀刀盤方案，根據項目實際使用效果，右線采用雙刃滾刀刀盤的方案在掘進效率和刀具消耗量上具有優勢，與上述理論計算結果一致。

4 結論

經過上述分析計算，在粉質粘土與強風化、中風化的泥灰巖、石灰巖、角礫巖等單軸抗壓強度不高的地質盾構區間掘進，采用雙刃滾刀的刀盤、刀具方案在理論上優于采用單刃滾刀的刀盤、刀具方案。