单刃滚刀与双刃滚刀刀盘掘进对比分析

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016）

盾构在施工过程中会遇到各种不同地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等，其中刀盘刀具必须根据工程地质情况进行针对性设计[1～2］。刀盘、刀具是盾构的关键部件之一，直接影响盾构施工的效率和设备选型的成败。刀盘设计时，应充分考虑刀盘的结构形式、刀盘开口率、刀具的布置、使用寿命及刀具费用等因素对地质的适应性，在确保开挖面稳定的情况下，提高掘进速度[3～4]。

在单轴抗压强度比较高的岩层中掘进，能否高效率的破除岩石是主要矛盾，此种状况下合理的刀间距、滚刀刀圈的刃型、材质是主要考虑的问题。但在城市地铁施工中，存在较多的混合地层，比如在粉质粘土与强风化、中风化的泥灰岩、石灰岩、角砾岩等混合地质盾构区间掘进，岩石的单轴抗压强度不高，破岩不是主要矛盾，采用单刃滚刀的刀盘方案还是双刃滚刀的刀盘方案掘进施工一直是业内讨论的问题。

1 单刃滚刀与双刃滚刀结构特点

盘形滚刀技术是盾构/TBM 的核心技术之一，要求滚刀承载能力强、质量稳定性好；刀圈具备很好的冲击韧性，同时耐磨性和红硬性好。目前常用直径17 寸和19 寸的盘形滚刀，在大直径的TBM 中也采用20 寸的盘形滚刀。较大直径的盘形滚刀允许较大的刀圈磨损量、可降低滚动阻力系数、允许使用较大的轴承从而具有更大的承载力。

17寸单刃、双刃滚刀结构如图1、图2所示，主要由刀轴、下端盖、浮动密封、刀圈、刀体、轴承、上端盖、隔环等部件组成。17 寸单刃、双刃滚刀采用相同的轴承、密封结构，具备相同的轴承承载能力和密封压力。双刃滚刀刀圈采用并排安装的形式，可实现刀刃间距为80～100mm。

图1 单刃滚刀结构

图2 双刃滚刀结构

2 单刃滚刀与双刃滚刀刀盘分析

2.1 单刃滚刀与双刃滚刀刀盘布置

图3 安装单刃滚刀的刀盘布置图，开挖直径采用6 300mm，采用4 把双联滚刀，32 把单刃滚刀，共40 个刀刃，单刃滚刀正面布置刀间距100mm。图4 为安装双刃滚刀的刀盘布置图，开挖直径6 300mm，采用4 把双联滚刀，16 把双刃滚刀，共40 个刀刃，双刃滚刀刀刃间距100mm。

图3 单刃滚刀刀盘

图4 双刃滚刀刀盘

布置单刃滚刀与双刃滚刀的刀盘对比，在滚刀刀刃数量相同的情况，双刃滚刀数量少，双刃滚刀刀盘安装刀位少。从刀具经济性上考虑，安装双刃滚刀刀具费用低，刀具更换次数较少，费用较低。

2.2 单刃滚刀与双刃滚刀刀盘强度分析

对单刃滚刀刀盘、双刃滚刀刀盘整体结构进行有限元强度计算，校核两种刀盘结构是否满足强度要求及哪种刀盘强度更高。

刀盘主要承受主驱动的驱动扭矩和掌子面的破岩反力。经计算可知，取掘进推力600t，扭矩取主驱动扭矩6 900kNm。

在建立有限元模型时对刀盘的模型进行了简化，去除了辐条上的泡沫孔和膨润土孔以及连接法兰上的螺栓孔等局部特征。有限元分析选用的软件为ANSYS WORKBENCH，曲线边界进行了优化剖分，生成了121 218 个六面体单元，234 717 个结点。刀盘所用材料为Q345B，弹性模量2.0e11Pa；泊松比0.3，密度7 850kg/m3。

经过有限元软件强度计算可知，安装单刃滚刀的刀盘边缘处最大变形量为2.54mm，综合等效应力最大值为88MPa；安装双刃滚刀的刀盘边缘处最大变形量为1.79mm，综合等效应力最大值为69MPa。两种刀盘设计所用材料均为Q345B，该材料的许用应力为295MPa，虽然两种刀盘的结构设计都满足强度要求，但安装双刃滚刀的刀盘最大变形量小，综合等效应力水平低于安装单刃滚刀的刀盘，所以安装双刃滚刀的刀盘在结构强度上具有优势。

盾构向前掘进过程中，盘形滚刀在刀盘推力作用下贯入掌子面岩石，一方面随着刀盘旋转作公转运动，一方面绕自身刀轴作自转运动。如图5 所示，掌子面岩石在滚刀刀刃的滚压作用下不断破碎、剥落，实现破岩开挖。在盾构/TBM 掘进过程中，多个滚刀刀刃在一定的刀间距下组合破岩。

图5 滚刀破岩原理

以刀盘上任意相邻的两个刀刃为例，如图6所示，设刀盘转速为n，假设刀间距为100mm。

单刃滚刀A1 安装半径r1，单刃滚刀A2 安装半径r2，r1+100=r2；双刃滚刀B1 刃安装半径r1，B2 刃安装半径r2。

单刃滚刀A1 线速度为v1=2πr1；单刃滚刀A2线速度为v2=2πr2；根据单刃滚刀破岩的特点，相邻两把单刃滚刀A1、A2 可独立运动，两把单刃滚刀性能互不影响。

根据双刃滚刀刀盘的特点，B1 刀刃理论线速度为v1=2πr1；B2 刀刃理论线速度为v2=2πr2。根据双刃滚刀的特点，B1刃和B2 刃安装在同一对滚刀轴承上，具有相同自转转速，B1、B2 刀刃外缘处具有相同的线速度，这是相互矛盾的。所以双刃滚刀掘进时，B1、B2 刀刃中任何一个刀刃与掌子面接触双刃滚刀都会自转，B1、B2 刀刃需具有相同的线速度，B1、B2 刀刃中除了刀圈正常滚动外，其中一个刀圈还具有相对掌子面的滑动，影响双刃正常的受力状态，一定条件下加速了刀圈的磨损。

图6 单刃滚刀、双刃滚刀刀盘线速度模拟

3 掘进性能评价指标

3.1 性能评价指标的建立

盾构在施工过程中会遇到各种类型地层，如何选择合适的掘进刀盘、刀具是一个比较复杂的研究对象[5]，影响掘进性能的因素是多方面、相关联的，需要建立一个具有多层次结构的性能评价指标体系对其进行描述[6～7]。通过对单刃滚刀与双刃滚刀及安装刀盘进行对比分析，采取定量指标与定性指标相结合的原则，从单刃滚刀与双刃滚刀互相干涉性、滚刀受力状态、刀盘强度刚度、刀具消耗经济性等方面建立评价指标，建立类似地质条件下掘进性能指标评价体系，合理确定指标评价体系中各方面指标的权重。

对单刃滚刀和双刃滚刀在类似地层的分析结果进行统计，优势指标记录为1，劣势指标记录为0，统计结果见表1。

表1 单刃滚刀与双刃滚刀刀盘对比

从统计结果看，单刃滚刀刀盘、刀具在相邻滚刀相互干涉性、滚刀受力方面占优，双刃滚刀刀盘、刀具在刀盘强度刚度、刀具经济性方面占优。

3.2 性能评价指标权重

从刀盘、刀具设计制造和工程使用效果分析，并结合部分行业专家意见，提出指标评价体系中各个指标的权重，并对单刃滚刀、双刃滚刀及刀盘掘进性能进行评价，评价指标权重见表2。

表2 评价指标权重

依据此权重指标计算，单刃滚刀刀盘=0.45，双刃滚刀刀盘=0.55，双刃滚刀刀盘、刀具方案得分优于单刃滚刀刀盘、刀具方案得分。

类似项目在南宁地铁3 号线施工中应用过，南宁地铁3 号线青秀山站-市博物馆站左线刀盘采用单刃滚刀刀盘方案，右线刀盘采用双刃滚刀刀盘方案，根据项目实际使用效果，右线采用双刃滚刀刀盘的方案在掘进效率和刀具消耗量上具有优势，与上述理论计算结果一致。

4 结论

经过上述分析计算，在粉质粘土与强风化、中风化的泥灰岩、石灰岩、角砾岩等单轴抗压强度不高的地质盾构区间掘进，采用双刃滚刀的刀盘、刀具方案在理论上优于采用单刃滚刀的刀盘、刀具方案。