組合式切削刀盤在矩形隧道掘進(jìn)機(jī)上的應(yīng)用研究

上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

0 引言

隨著國內(nèi)城市化進(jìn)程的加快，城市交通面臨著巨大的壓力，傳統(tǒng)的地面道路和高架快速路由于空間有限，已經(jīng)無法滿足城市交通快速發(fā)展的要求。以隧道掘進(jìn)機(jī)為代表的非開挖技術(shù)已經(jīng)成為緩解城市交通壓力的一個(gè)重要途徑。矩形隧道掘進(jìn)機(jī)斷面形狀為矩形，斷面有效利用率較圓形隧道掘進(jìn)機(jī)提高20%以上。同時(shí)矩形隧道的高度低，容易實(shí)現(xiàn)淺埋，隧道的施工和維護(hù)成本低。某些特殊工程，例如地鐵車站的出入口建設(shè)中采用矩形截面更符合實(shí)際需要。因此，矩形隧道掘進(jìn)機(jī)在城市地下交通工程中發(fā)揮了越來越重要的作用。

矩形隧道掘進(jìn)機(jī)的切削刀盤是掘進(jìn)機(jī)的重要組成部分，主要通過自身的旋轉(zhuǎn)動(dòng)作切削土體，將切削產(chǎn)生的渣土進(jìn)行充分?jǐn)嚢枰孕纬梢琢鲃?dòng)、高塑性和具有一定止水性的改良渣土，以便產(chǎn)生土壓平衡效果，防止刀盤前方土體坍塌，并且使得渣土能夠順利通過螺旋機(jī)排至隧道外部。圓形隧道掘進(jìn)機(jī)由于天然的圓形優(yōu)勢(shì)，采用單個(gè)切削刀盤便可實(shí)現(xiàn)刀盤前方土體全斷面切削。而矩形隧道掘進(jìn)機(jī)由于斷面形狀呈矩形，直接采用單一切削刀盤容易產(chǎn)生較多的切削盲區(qū)，對(duì)施工較為不利。針對(duì)此問題，各個(gè)研究單位相繼開發(fā)了矩形偏心刀盤、帶仿形刀的圓形刀盤和偏心圓形切削刀盤等多種形式的矩形隧道掘進(jìn)機(jī)用的切削刀盤，而組合式切削刀盤方案以其結(jié)構(gòu)簡單、切削效率高和對(duì)環(huán)境影響小而受到了市場的歡迎[1,2]。

1 模數(shù)化組合式切削刀盤

1.1 組合式切削刀盤的特點(diǎn)

組合式刀盤是由多個(gè)小型輻條式切削刀盤組成。每個(gè)切削刀盤一般由攪拌棒、中空式刀桿、端塞、主刮刀和加強(qiáng)桿組成，每個(gè)刀盤的切削面積固定不變，如圖1所示。

圖1 輻條式切削刀盤結(jié)構(gòu)

普通組合式切削刀盤主要依靠在矩形斷面上布置多個(gè)切削刀盤來提高斷面切削率。常見的為大刀盤和小刀盤的組合和多個(gè)相同直徑的刀盤組合。在大刀盤和小刀盤的組合中，大刀盤負(fù)責(zé)斷面大部分土體的切削，而小刀盤負(fù)責(zé)對(duì)矩形斷面上的一些圓角進(jìn)行土體切削。在多個(gè)相同直徑的刀盤組合中，各個(gè)切削刀盤的切削直徑相同，為了獲得較大的斷面切削率，同時(shí)不發(fā)生刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)過程中相互干涉，一般將切削刀盤設(shè)計(jì)為前后雙層布置，各個(gè)刀盤的切削面積有重合部分，以此達(dá)到提高斷面切削率的目標(biāo)。

1.2 模數(shù)化的組合式切削刀盤

普通組合式刀盤在應(yīng)用中有許多問題，最重要的就是刀盤適應(yīng)能力差。眾所周知， 在矩形隧道設(shè)計(jì)過程中，為了滿足不同的行車和行人需要，不同位置和服務(wù)功能的矩形隧道斷面尺寸一般是不同的。對(duì)施工單位而言，需要針對(duì)每種類型的矩形隧道設(shè)計(jì)或者定做不同截面的矩形隧道掘進(jìn)機(jī)，由于配置刀盤切削直徑是按照截面形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)的，不同隧道掘進(jìn)機(jī)的切削刀盤的切削面積是不同的，從而造成各個(gè)切削刀盤無法實(shí)現(xiàn)互換和通用。上述問題造成施工單位設(shè)備投資大，設(shè)備利用率低，經(jīng)濟(jì)效益差。為了提高矩形隧道掘進(jìn)機(jī)切削刀盤的通用性和適應(yīng)性，本文提出了模數(shù)化組合式切削刀盤的設(shè)計(jì)方案。

在模數(shù)化切削刀盤設(shè)計(jì)中，刀盤的切削面積不再根據(jù)某一特定的斷面尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是通過對(duì)城市地下交通工程的功能進(jìn)行調(diào)查研究，分析各個(gè)不同功能地下交通通道的尺寸范圍，經(jīng)過科學(xué)的優(yōu)化比選，最終確定模數(shù)化的刀盤直徑。在布置切削刀盤時(shí)，通過增加或者減少切削刀盤數(shù)量來適應(yīng)不同斷面尺寸的各種類型矩形隧道。上述設(shè)計(jì)方法首先保證了切削刀盤的適應(yīng)能力強(qiáng)，通過增減刀盤數(shù)量便可以適應(yīng)不同類型的矩形隧道斷面尺寸；其次切削刀盤的通用程度高，切削刀盤的各個(gè)零件的互換性強(qiáng)；最后，切削刀盤的利用率高，各個(gè)不同斷面尺寸的隧道可以使用同一種類型的切削刀盤，施工單位可以用較少的投資取得比較大的經(jīng)濟(jì)效益。

1.3 切削面積可微調(diào)的模數(shù)化切削刀盤

模數(shù)化切削刀盤在適應(yīng)不同矩形隧道斷面尺寸上具有強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，但隨著矩形隧道的發(fā)展，大跨度的隧道項(xiàng)目在城市地下交通工程中也越來越受重視。在大跨度的條件下，為了保證隧道具有良好的力學(xué)性能，在隧道設(shè)計(jì)中，對(duì)組成隧道斷面的4條邊線進(jìn)行了起拱處理，即大跨度的矩形隧道斷面形狀不再是比較規(guī)整的矩形，而是近似矩形的橢圓形。在此條件下，為了保證斷面切削率和刀盤切削直徑模數(shù)化，本文提出了切削直徑可以微調(diào)的新型切削刀盤。新型切削刀盤通過增加改變刀桿長度的伸縮裝置來實(shí)現(xiàn)調(diào)整刀盤切削面積的目的。

新型輻條式切削刀盤基本結(jié)構(gòu)與原有的刀盤結(jié)構(gòu)類似，由攪拌棒、刀桿、刮刀和加強(qiáng)桿等主要部分組成，所不同的是，將原有固定長度的刀桿末端安裝了可伸縮部分，在伸縮桿的末端安裝有刮刀，新型刀盤刀桿的可伸縮機(jī)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖2 新型刀盤刀桿的伸縮裝置（伸出狀態(tài)）

圖3 新型刀盤刀桿的伸縮裝置（縮回狀態(tài)）

新型刀盤的可伸縮機(jī)構(gòu)采用套筒連接的方式，即取消原有中空式刀桿端部的悶頭，增加伸縮桿、伸縮桿刮刀、抗剪板和定位銷等機(jī)械結(jié)構(gòu)[3,4]。

伸縮桿為鋼制圓筒結(jié)構(gòu)，可在原有的中空式刀桿內(nèi)部滑動(dòng)。在伸縮桿的端部設(shè)置悶頭結(jié)構(gòu)，防止切削刀盤在切削土體過程中發(fā)生渣土涌入刀盤刀桿內(nèi)部造成伸縮桿伸縮困難的情況。為保證刀盤的伸縮桿伸出后刀盤仍具備良好的切削功能，在伸縮桿的末端焊接成組的刮刀。伸縮桿在伸縮動(dòng)作過程中需確定伸縮長度和伸縮完成后的固定位置，因此在伸縮桿和主刀桿上設(shè)置了一排定位銷孔，當(dāng)伸縮桿的伸縮長度達(dá)到需要的長度后，在伸縮桿和主刀桿的銷孔內(nèi)安裝定位銷即可實(shí)現(xiàn)伸出長度的定位工作。

在應(yīng)用中，當(dāng)需要增大切削面積時(shí)，拆卸抗剪裝置和定位銷，將伸縮桿從主刀桿中抽出至適當(dāng)位置，安裝定位銷和抗剪裝置即可以實(shí)現(xiàn)增大切削面積的目的。當(dāng)需要減少切削面積時(shí)，先拆卸抗剪裝置和定位銷，將伸縮桿縮回至適當(dāng)位置后，再安裝定位銷和抗剪裝置，刀盤的切削面積將隨之減少。

2 新型組合式切削刀盤的應(yīng)用

2.1 在矩形隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤布置上的應(yīng)用

在進(jìn)行矩形隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)時(shí)，通過對(duì)現(xiàn)有的車行、人行地下通道的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行調(diào)查和優(yōu)選，提出了以2 500 mm作為切削刀盤切削直徑的基本模數(shù)值，為了適應(yīng)近似矩形的橢圓形斷面，上述切削刀盤可以實(shí)現(xiàn)在基準(zhǔn)模數(shù)值2 500 mm的小范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，刀盤布置方案見圖4。

圖4 切削刀盤的模數(shù)化布置

在圖4（a）中，隧道為2車道小型車輛地下通道，整個(gè)矩形隧道的斷面寬10 m、高5 m，呈扁平狀，隧道斷面的4邊由不同半徑的弧線組成。在進(jìn)行刀盤布置時(shí)，采用了8個(gè)大刀盤分2排布置的方案，3個(gè)小刀盤用來對(duì)大刀盤的切削盲區(qū)進(jìn)行土體切削。為了適應(yīng)斷面4個(gè)圓角，對(duì)位于四角的大刀盤的切削直徑進(jìn)行了微調(diào)。在圖4（b）中，隧道為2車道大型貨車的地下通道，整個(gè)矩形隧道的斷面寬度為10 m，而高度為7.50 m，斷面4邊仍然由各種弧線組成。在進(jìn)行刀盤布置時(shí)，采用了12個(gè)大刀盤分3排布置的方案，6個(gè)小刀盤用來對(duì)2個(gè)大刀盤之間的切削盲區(qū)的土體進(jìn)行切削。同樣，對(duì)四角處的刀盤切削直徑進(jìn)行了微調(diào)。

通過上述增減刀盤數(shù)量來適應(yīng)隧道斷面的刀盤布置方案，不僅可以提高刀盤對(duì)隧道斷面的適應(yīng)能力，同時(shí)還提高了刀盤利用率，其社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益是不言而喻的。

2.2 刀盤組合在施工糾偏中的應(yīng)用

隧道掘進(jìn)機(jī)在施工中不可避免地會(huì)出現(xiàn)繞軸線偏轉(zhuǎn)的情況，嚴(yán)重的偏轉(zhuǎn)對(duì)施工和隧道使用都有很大的危害。圓形隧道掘進(jìn)機(jī)由于自身為圓形，糾偏時(shí)的阻力相對(duì)較小，而矩形隧道掘進(jìn)機(jī)由于斷面近似為矩形，糾偏的阻力相對(duì)較大，因此防止矩形隧道掘進(jìn)機(jī)出現(xiàn)大的偏轉(zhuǎn)和對(duì)出現(xiàn)的偏轉(zhuǎn)進(jìn)行有效地糾正是矩形隧道掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

矩形隧道掘進(jìn)機(jī)發(fā)生偏轉(zhuǎn)的主要原因是掘進(jìn)機(jī)周圍的土體無法全部抵抗由于刀盤旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的反力矩，導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)在上述反力矩的作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在多刀盤組合的切削刀盤系統(tǒng)中，通過將掘進(jìn)機(jī)左右兩側(cè)的刀盤以相反的方向進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，如圖5所示，使矩形隧道掘進(jìn)機(jī)左側(cè)刀盤產(chǎn)生的反力矩與矩形隧道掘進(jìn)機(jī)右側(cè)刀盤產(chǎn)生的反力矩相等，將大大減少由于刀盤旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的反力矩，降低了矩形隧道掘進(jìn)機(jī)發(fā)生大偏轉(zhuǎn)的風(fēng)險(xiǎn)。

當(dāng)矩形隧道掘進(jìn)機(jī)發(fā)生較大的偏轉(zhuǎn)時(shí)，將掘進(jìn)機(jī)的全部刀盤以與偏轉(zhuǎn)方向相同的方向旋轉(zhuǎn)，如圖6所示。由此產(chǎn)生的反力矩作用在矩形隧道掘進(jìn)機(jī)上，該力矩為矩形隧道掘進(jìn)機(jī)提供糾偏的動(dòng)力[5,6]。

圖5 兩側(cè)刀盤的旋轉(zhuǎn)方向相反

圖6 兩側(cè)刀盤的旋轉(zhuǎn)方向相同

3 結(jié)語

本文通過研究組合式切削刀盤的實(shí)現(xiàn)形式，提出模數(shù)化的組合式切削刀盤和切削面積可調(diào)的切削刀盤裝置，實(shí)現(xiàn)了切削刀盤的模數(shù)化和通用化。在應(yīng)用中，通過增加或者減少切削刀盤數(shù)量的方法可以使得切削刀盤能夠適應(yīng)各種不同類型的矩形隧道。組合式切削刀盤設(shè)計(jì)方案在施工時(shí)還可以起到防止出現(xiàn)偏轉(zhuǎn)和有效糾偏的作用。上述設(shè)計(jì)方案可以提高切削刀盤的適應(yīng)能力和設(shè)備利用率，具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。