输水隧道掘进机刀盘的设计研究及应用

王秀全，王亚威，于庆增

(中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016)

全断面岩石隧道掘进机是一种大型隧道专用机械设备，其单纯依靠硬岩滚刀刀具实现对掌子面滚压破岩，能同时完成开挖、出渣、支护等作业，实现工厂化施工，配合长距离连续皮带机技术，可以完成连续掘进，大大提高隧道的开挖效率[1]。全断面岩石隧道掘进机广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电隧道工程[2]。但它的存在对地质条件的依赖性大、设备型号一经确定后，开挖断面尺寸较难更改、一次性投资较大的劣势。因此，设备选型是工程筹划阶段的一项重要工作。

全断面岩石隧道掘进机选型和结构特点的选择，主要根据工地现场地质条件、施工环境、经济性、使用要求等因素确定。刀盘是掘进机关键核心部件之一，具有开挖、稳定掌子面、出渣等功能。刀盘对提高掘进机破岩能力和掘进效率，降低挖掘成本具有重要作用，是影响掘进性能的决定性因素[3]。刀盘性能直接决定掘进机主要功能的实现，刀盘设计的主要内容包括刀具选择、刀盘主要参数设计、刀具布置、刀盘盘体结构设计，与其他部件的接口设计[4]。因此，掌握刀盘设计的关键技术，对提高自主创新设计与制造能力，具有重要的战略意义。

1 工程概况

某抽水蓄能项目位于山东省，电站装机容量1 800MW，利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的发电站。上层、中层、下层排水廊道施工均采用TBM 开挖，上层排水廊道长度926m，中层排水廊道长度639m，下层排水廊道839m，总长2.4km，开挖直径3.53m。工程隧洞围岩完整性好，II、III 类围岩占比超过90%，RQD 值70%～80%；主要由石英二长岩、二长花岗岩组成，抗压强度100～130MPa，石英含量50%～60%。

2 刀盘整体设计

根据工程地质状况和开挖直径要求，刀盘必须具有高效破岩能力、盘体具有高强度，强耐磨的特点。采用整体式结构形式，新刀开挖直径3 530mm，盘体结构钢材选用Q355D，采用17 寸滚刀，布置中心滚刀6 把，正滚刀12 把，边滚刀8 把，4 个渣口，6 个喷水孔。刀盘盘体采用箱体结构焊接而成。刀具均采用背部安装方式。

2.1 刀盘结构设计

刀盘是钢结构焊接件，由前面板、弧板、大圆环、小圆环、锥板、背面板、背板、溜渣板、刀梁板、法兰等焊接而成。

为了实现盘体结构具有高强度和良好的韧性，选取具有较高强度、良好韧性，并具有良好焊接性的钢材。前面板与刀箱、背面板焊接组成单元箱形结构，具有良好的承载性能。刀盘盘体是大型焊接式箱形结构，使刀盘整体具有较高刚度和强度，提高刀盘的疲劳寿命。

法兰是刀盘与主驱动连接的关键零件，传递推进系统所提供的推力，并驱动刀盘旋转。法兰的高可靠性直接影响刀盘受力情况的好坏，为提高法兰的刚度和强度，法兰采用锻件，使法兰在圆周方向上受力均匀，避免应力集中。

在保证有效换刀空间的前提下，在边刀刀座背部，设计支撑筋板，形成箱型结构，增强刀座的承载能力，提高刀座的整体刚度和强度，延长刀座的使用寿命。

2.2 刀座刀具设计

滚刀非线性布置，能够使刀具载荷传递均匀，避免出现较大应力突变，有利于延长刀盘使用寿命。刀盘振动相对较小，有利于降低刀具消耗。

在刀座焊接到盘体后，对刀座进行整体精加工，避免由于焊接产生应力变形，造成刀具与刀座配合精度降低，从而提高刀座和刀具的使用寿命。

单刃滚刀和中心滚刀，均采用背部安装结构形式，楔块拉紧固定，具有稳定可靠，方便拆卸和更换刀具的优点。

2.3 刀间距设计

根据工程地质状况和类似工程的成功应用案例，按照高效破岩和最小刀具损耗的原则，经过计算，共布置26 把滚刀，中心刀刀间距84mm，正滚刀刀间距75mm。

2.4 刮渣装置设计

进渣口是剥落下来的岩石的输出通道。在刀盘盘体周边上共设计4 个进渣口（图1），确保具有足够的出渣能力，有效避免由于渣石堆积造成对盘体和刀具的二次磨损。进渣口处焊接有刮渣座，并通过螺栓连接刮渣板，刮渣板具有良好的耐磨性，磨损后可以方便更换。进渣口前面焊接有格栅板，用来限制大粒径岩石进入进渣口。

图1 进渣口结构示意图

2.5 耐磨保护设计

在确保刀盘盘体具有较高强度和良好韧性的前提下，为了提高盘体的使用寿命，需要对盘体表面焊接耐磨保护层，避免岩石直接与盘体接触，对盘体造成磨损。

在刀盘前面板、圆弧过渡板、大圆环、小圆环、圆锥板、进渣口、喷水装置防护块等位置，均需进行耐磨保护设计，用来保护盘体结构（图2）。耐磨保护材料要满足耐磨冲击要求和良好可焊接性要求。对边刀座凸出盘体部分堆焊耐磨保护焊层，避免岩石直接磨损刀座。在刀盘旋转方向上的滚刀前方，焊接刀具保护块，减小渣石对滚刀的二次磨损和冲击。

图2 耐磨保护装置示意图

2.6 降温除尘设计

在刀盘面板上设置6 个喷水口，能够覆盖刀盘的整个开挖面，起到冲刷掌子面粉尘和冷却刀具的功能，从而延长刀具使用寿命，净化刀盘区域的工作环境。喷水装置采用背部安装结构形式，喷水套筒能够从刀盘背面板抽出，方便现场检修和更换。

3 强度校核

刀盘是掘进机关键核心部件，其可靠性就显得尤为重要，因此需要对刀盘盘体结构进行强度校核。按照方案设计，创建的刀盘盘体三维模型，按照模型网格划分的规则，对刀盘盘体模型进行局部简化。对盘体模型整体施加扭矩和推力，约束刀盘法兰连接面的全部自由度作为位移边界条件。

盘体结构设计所用钢材为Q355D，材料的许用应力为295MPa，经计算，盘体结构的安全系数和变形量，均满足设计要求。

4 结论

项目已于2020 年9 月实现全隧贯通，经现场查看，刀盘盘体结构良好，没有出现主体结构的异常损坏情况，甚至在掘进过程中，岩石抗压强度达到近200MPa，也能够实现安全掘进。

根据本工程项目刀盘结构设计和应用情况，结合相关领域工程项目成功应用案例，对刀盘结构设计总结如下。

破岩和出渣是刀盘的主要功能，刀具选型和布置是关键，直接影响掘进机破岩效率。综合考虑刀具和出渣口布置，使破岩和出渣能力相匹配。盘体结构的设计强度是刀盘高可靠性、高强度、高耐久性的基本保障。耐磨防护设计和喷水装置是实现高效持久开挖的必要辅助功能。