全断面岩石掘进机刀盘体结构的演化与发展

张照煌，柴超群，刘 钊，赵 宏

华北电力大学能源动力与机械工程学院 北京 102206

岩 石质隧道施工用全断面岩石掘进机 (Full Face Rock Tunnel Boring Machine，TBM) 刀盘位于其最前端，是破岩盘形滚刀和刮碴铲斗的安装载体，也是盘形滚刀和刮碴铲斗高效作业的基础。TBM 刀盘通常是指安装了盘形滚刀和刮碴铲斗的部件，因此，TBM 刀盘具有破碎岩石、铲运岩碴和稳定掘进面等功能，如文献 [1] 对 TBM 刀盘的研究和设计步骤进行了综述，介绍了刀具选型、刀间距、刀盘形状、刀盘廓面、刀具在刀盘上的布置和刮碴铲斗等内容。实际上，关于 TBM 刀盘，学者就上述内容分别进行了较深入研究，并取得了较丰富成果[2]。

TBM 在掘进作业过程中，其刀盘须承受巨大的挤压力、转矩和冲击载荷的作用，工作状况十分恶劣[3]。因此，国内外学者对 TBM 刀盘的受力特点及其状况非常重视，并进行了相应研究。文献 [4] 提出了进行 TBM 刀盘推力和转矩计算的滚刀受力预测模型；文献 [5] 通过盘形滚刀的线性切割试验，研究了不同贯入度、刀间距及节理间距等因素对盘形滚刀受力和破岩效率的影响；文献 [6] 结合现场数据，利用 NSVR预测模型研究了 TBM 刀盘转矩和围岩类别、刀盘转速和推进速度的关系；文献 [7] 建立了盘形滚刀在刀盘上平衡布置的理论、求解方案及解；文献 [8] 利用ABAQUS 建立数值仿真模型，对刀盘溜碴板结构进行了优化设计。上述研究有效推进了 TBM 刀盘设计技术的发展，但对 TBM 刀盘体自身的研究及其结构变化发展的研究在公开资料很少看到。基于此，笔者以TBM 的发展历程为出发点，对 TBM 刀盘体结构的发展脉络进行了梳理，发现了 TBM 刀盘体研究的薄弱环节，从而为 TBM 刀盘结构及其设计理论的完善提供了有益借鉴。

1 刀盘体结构演化

目前，TBM 刀盘的基本结构及作业状况如图 1所示[9]。将 TBM 刀盘上的破岩刀具、刮碴铲斗和大轴承等部件拆除后的部件如图 2 所示[10]。为研究内容清晰和叙述的方便，将图 2 所示部件称为 TBM 刀盘体。结合图 1 可知，TBM 刀盘体由相距分别为 t1和t2，厚度分别为δ1的前板、厚度为δ2的后板、厚度为δ3的联接板及盘形滚刀安装座和肋板焊接而成的，由支撑直径为 D2的大轴承支撑的盘状体或盘状箱型体。这种形式的确立，经历了半个多世纪，是通过实践一步步不断发展完善的结果。

图1 全断面岩石掘进机刀盘系统结构及盘形滚刀破岩示意Fig.1 Structure of cutterhead system of TBM and sketch of rock breaking with disc hob

图2 TBM 刀盘体Fig.2 TBM cutterhead body

我国 TBM 领域前辈王家騄[11]通过研究并总结发现，“特别值得一提的是国外那些有远识、勇于冒‘破产’之险的承包商们，他们不仅投下巨资购买机器，而且在机器遇到极大‘灾难’时，想方设法，解脱危难。国外掘进机的发展，与其说是来自于科学家的智慧，毋宁说是承包商们的功勋”。这说明，TBM是在实践过程中，通过克服各种“灾难”逐渐发展完善起来的，并将继续通过实践过程进一步发展和完善。作为 TBM 关键部件的刀盘体也经历了单板结构、双板结构和三板结构的发展阶段。

1.1 单板刀盘体

受实践发展和当时科学技术条件及人们认识水平的限制，初期的 TBM 刀盘体基本以单板结构为主，即刀盘体可以认为是由一块均匀的钢板组成，破岩刀具通过刀座安装其上。1952 年，美国 Robbins (罗宾斯) 公司为南达科他州奥瓦希坝施工项目研制的世界上第 1 台全断面岩石掘进机，其刀盘体如图 3 所示。通过近 5 a 的实践，即在 1956 年，Robbins 公司研制出了破碎岩石的盘形滚刀并应用于该工程项目，从此开启了岩石质隧道施工的“工厂化”时代。

图3 早期 TBM 刀盘体及刀盘结构Fig.3 Early TBM cutterhead body and structure of cutterhead

TBM 单板刀盘体通常采用螺栓直接固定在大轴承内圈 (一般带驱动大齿圈) 上，如图 4 所示。刀盘大轴承称为刀盘支撑，其内圈通常设置大齿圈，是TBM 传动链上的主要构件之一。

图4 单板刀盘体支承结构Fig.4 Support structure of single-plate cutterhead body

这个时期 (至20 世纪 70 年代初)，TBM 施工岩石的抗压强度一般为 30～ 100 MPa，属软岩或中等硬度偏下的岩类；刀盘体外形轮廓[11]有平面 (美国的Robbins、Jarva 公司)、锥面 (德国的 Demag、Wirth 公司) 和球面 (Robbins 公司)；刀盘支撑相对简单，一般采用交叉滚子轴承 (Robbins 公司)、双圆锥滚子轴承(Robbins、Jarva 公司) 和径向滚子调心轴承+平面止推滚子轴承 (Demag 公司) 等结构形式；单板刀盘体盘形滚刀安装座采用“凸置式”结构设计，即盘形滚刀安装座直接焊接 (或螺栓联接) 在刀盘前表面上；刀盘上开设人孔，供技术人员进入刀盘前面 (掘进面)，一方面对盘形滚刀进行检查与更换，另一方面对掘进面及其前方岩体进行处理或预处理等操作。

1.2 双板刀盘体

20 世纪 60 至80 年代，西方发达国家基础建设相继进入高潮，交通隧道、引输水隧洞等岩石质地层广泛采用 TBM 施工，曾一度出现专门研制 TBM 的公司，如美国的 Robbins、Jarva 和德国的 Demag、Wirth四强并列的局面。这段时期[12]，TBM 施工岩石抗压强度范围更广，如伊瓦尔工程，局部施工段岩石抗压强度高达 350 MPa，而智利的 Rio Blanco 工程，局部施工段岩石抗压强度甚至高达 410 MPa。为提高 TBM 的作业能力和地质地层适应性，其刀盘体也由单板结构逐渐过渡到双板结构的箱型体，如图 5 所示。

图5 TBM 双板刀盘体结构Fig.5 Structure of TBM double-plate cutterhead body

在这一时期，工程施工中发现盘形滚刀座经常被剥落的岩碴砸坏且易磨损，因此，在该时期的后期，发展出了“凹置式”(背装式) 盘形滚刀座，即将盘形滚刀座设置在 TBM 刀盘体的内部，采用拉拔固定方式，如图 6 所示。同时，也发展出了从刀盘后面进行刀具更换作业的技术，即“背后换刀”技术，既减轻了换刀作业人员劳动强度，也提高了更换刀具作业人员的安全性。这时的刀盘支承已采用能承受大推力的滚柱轴承，典型结构如图 7 所示。

图6 盘形滚刀拉拔固定方式Fig.6 Pulling and fixing mode of disc hob

图7 双板结构刀盘体支承结构示意Fig.7 Support structure of double-plate cutterhead body

1.3 三板刀盘体

进入 20 世纪 90 年代，TBM 的发展重心逐渐由国外转移到国内。我国基础建设规模的扩大，如引输水工程隧洞、铁路公路隧道、城市地铁隧道 (岩石质地层) 等地下工程的建设为 TBM 在我国的发展提供了充足动力。为提高破岩盘形滚刀检测和更换效率，从而提高 TBM 掘进作业率 (利用率)，产生并发展了TBM 三板刀盘体，如图 1 所示，这是目前 TBM 上普遍采用的刀盘结构形式。为提高换刀作业效率，还广泛采用盘形滚刀联结的拉拔结构，进一步缩短了盘形滚刀更换作业时间。

2 TBM 刀盘体理论研究发展与现状

相较 TBM 刀盘体结构的发展，TBM 刀盘体的理论研究相对滞后。目前，只有弹性力学中的弹性薄板弯曲理论可对 TBM 单板刀盘体进行力学变形的分析。

例如，考虑 TBM 刀盘上盘形滚刀基本均匀分布，因此破岩盘形滚刀产生的作用在刀盘上的力也可认为是基本均匀分布，设其载荷集度为 q，根据弹性力学理论，其中面 (与刀盘前后面等距离的面) 的弹性变形微分方程为

式中：D 为抗弯刚度，由刀盘结构和材质决定的常数，N·m；r 为考察点距离刀盘旋转中心的距离，m；w 为刀盘上考察点的挠度，以掘进反方向为正，m；E 为刀盘材料的杨氏模量，Pa；t 为刀盘体厚度，m；µ为刀盘材料的泊松比。

以刀盘体与其大轴承的联接关系为边界条件，可求得式 (1) 的解，从而就可确定 TBM 作业过程中刀盘体的变形，或据此研究刀盘体的最优支撑条件。

但对双板和三板结构的 TBM 刀盘体，就不能直接应用式 (1) 分析其作业过程中刀盘体的变形或据此研究刀盘体的最优支撑条件，因为其中的抗弯刚度 D涉及到的 E、t、µ相互影响且存在某种确定的关系。亦即，应用式 (1) 分析 TBM 作业过程中刀盘体的变形或据此研究其刀盘体的最优支撑条件时，首先应研究物理量 E、t、µ与 TBM 刀盘体及其结构间的关系，亦即，求得 E、t、µ的当量值。因此，对双板和三板结构的 TBM 刀盘体的研究多借助软件模拟实现。

3 TBM 刀盘体模拟研究

由于 TBM 刀盘为大型结构件，且造价昂贵，对其进行等比例的实物试验不仅费用高且难以实现，因此学者们对其研究主要以计算机数值模拟为主。目前，一般采用 SolidWorks、Pro/E、UG 等三维建模软件构建刀盘模型，然后导入 PFC3D、ADAMS、LY-DYNA、ANSYS 或 ABAQUS 等数值模拟软件进行分析，以得到对工程应用有借鉴价值的研究结果。

3.1 单板刀盘体

单板刀盘体的数值模拟一般应用 Drucker-Prager 构建刀盘-岩石相互作用三维模型，如图 8 所示。研究发现，单板刀盘的中心区域变形最大，边缘区域次之，且在刀盘的最佳支撑半径，即刀盘支撑半径为刀盘半径的 0.55～ 0.65 倍时[13]，刀盘的变形较为均匀[14]，并且通过 ABAQUS 模拟验证了大轴承的支撑形式介于简支和夹支之间[15]。

图8 单板刀盘体三维模型Fig.8 3D model of single-plate cutterhead body

通过单板刀盘体的数值模拟研究发现，作用在刀盘面板上的推力和转矩是影响其作业性能的关键参数[8,16-18]，而围岩类别[19]、滚刀贯入度、刀盘转速、刀盘推进速度、刀盘直径、刀盘厚度等参数则与刀盘推力和转矩紧密相关。文献 [20] 通过 ABAQUS 软件建立非线性动力学三维数值仿真模型，并采用正交试验发现，刀盘直径对刀盘总推力的影响最大，盘形滚刀贯入度和岩石单轴抗压强度次之，刀盘转速对刀盘总载荷影响最小。此外，也可以通过材料选择或 (和) 成型工艺的创新[21]提高刀盘体的作业性能。

3.2 双板刀盘体

由于 TBM 双板刀盘体属箱型结构件，其抗弯刚度 D 中的 E 和µ均与 2 块钢板的厚度及其间距有关，建模相对复杂，因此，从公开资料中尚未看到对TBM 双板刀盘体变形理论及相应分析方法的研究。

3.3 三板刀盘体

目前，从公开资料中几乎查阅不到研究 TBM 刀盘三板结构理论的相关文献，很多学者在对三板刀盘数值模拟时一般是将三板模型简化为双板模型。对三板刀盘体结构研究的文献中，文献 [22] 具有一定代表性和典型性，该文献以青海“引大济湟”输水隧道为例，采用多目标遗传算法对直径为 5.930 m 的刀盘主要结构进行了优化，如图 9 所示。刀盘结构参数初始值及其优化值如表 1 所列。在优化过程中，该文献忽略了刀盘前后板间距 t1、t2等参数对刀盘变形的影响。

图9 三板刀盘结构设计参数Fig.9 Design parameters of three-plate cutterhead

表1 三板刀盘结构设计参数及优化Tab.1 Design parameters of three-plate cutterhead and optimization

由于刀盘多采用大直径设计，为了方便运输，常将刀盘分为中心对分式、偏心对分式、中方五分式及中六角七分式的分体式结构设计，而中方五分式在三板刀盘中最为常见。文献 [23] 通过对中方五分式刀盘建模分析，发现前后面板间距和支撑肋板厚度对分体刀盘的变形和稳定性有较大影响。文献 [21]、[24] 和[25] 分析了刀盘的静态特性，发现法兰与支撑肋的焊接部位容易产生应力集中现象，如图 10 所示。现阶段对 TBM 三板刀盘的研究多为联接板与刀盘后板间支撑结构的优化，如支撑肋的厚度、数量以及安装位置等。文献 [26] 和 [27] 对刀盘支撑肋进行了优化，其中文献 [26] 设计了一种 L 形支撑肋结构 (见图 11)，文献[27] 还对溜碴板结构进行了改进 (见图 12)。

图10 A、B 2 种刀盘应力分布Fig.10 Stress distribution of cutterhead A and B

图11 L 形支撑肋Fig.11 L-shaped supporting rib

图12 改进的溜碴板Fig.12 Improved ballast board

4 结语

全断面岩石掘进机刀盘体经历了单板、双板和三板结构的演化和发展。单板刀盘体演化到双板刀盘体，有利于刀盘体强度和刚度的提高，但两板间加强肋、盘形滚刀座的设置等决定着演化结构的效果，如两板变形的协调性及刀盘体变形的均匀性等；双板刀盘体演化为三板刀盘体，使背后换刀更加方便和安全，但三板结构进一步增加了双板结构的不确定性，如变形的协调性和不均匀性等，概而言之，全断面岩石掘进机刀盘体设计理论的发展严重滞后其结构的发展，对 TBM 刀盘体结构的地质适应性设计和发展提出了严峻挑战。