王秀全，王亞威，于慶增

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016)

全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)是一種大型隧道專用機(jī)械設(shè)備，其單純依靠硬巖滾刀刀具實(shí)現(xiàn)對(duì)掌子面滾壓破巖，能同時(shí)完成開(kāi)挖、出渣、支護(hù)等作業(yè)，實(shí)現(xiàn)工廠化施工，配合長(zhǎng)距離連續(xù)皮帶機(jī)技術(shù)，可以完成連續(xù)掘進(jìn)，大大提高隧道的開(kāi)挖效率[1]。全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)廣泛應(yīng)用于地鐵、鐵路、公路、市政、水電隧道工程[2]。但它的存在對(duì)地質(zhì)條件的依賴性大、設(shè)備型號(hào)一經(jīng)確定后，開(kāi)挖斷面尺寸較難更改、一次性投資較大的劣勢(shì)。因此，設(shè)備選型是工程籌劃階段的一項(xiàng)重要工作。

全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)選型和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的選擇，主要根據(jù)工地現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、施工環(huán)境、經(jīng)濟(jì)性、使用要求等因素確定。刀盤(pán)是掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵核心部件之一，具有開(kāi)挖、穩(wěn)定掌子面、出渣等功能。刀盤(pán)對(duì)提高掘進(jìn)機(jī)破巖能力和掘進(jìn)效率，降低挖掘成本具有重要作用，是影響掘進(jìn)性能的決定性因素[3]。刀盤(pán)性能直接決定掘進(jìn)機(jī)主要功能的實(shí)現(xiàn)，刀盤(pán)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容包括刀具選擇、刀盤(pán)主要參數(shù)設(shè)計(jì)、刀具布置、刀盤(pán)盤(pán)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，與其他部件的接口設(shè)計(jì)[4]。因此，掌握刀盤(pán)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)提高自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)與制造能力，具有重要的戰(zhàn)略意義。

1 工程概況

某抽水蓄能項(xiàng)目位于山東省，電站裝機(jī)容量1 800MW，利用電力負(fù)荷低谷時(shí)的電能抽水至上水庫(kù)，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫(kù)發(fā)電的發(fā)電站。上層、中層、下層排水廊道施工均采用TBM 開(kāi)挖，上層排水廊道長(zhǎng)度926m，中層排水廊道長(zhǎng)度639m，下層排水廊道839m，總長(zhǎng)2.4km，開(kāi)挖直徑3.53m。工程隧洞圍巖完整性好，II、III 類圍巖占比超過(guò)90%，RQD 值70%～80%；主要由石英二長(zhǎng)巖、二長(zhǎng)花崗巖組成，抗壓強(qiáng)度100～130MPa，石英含量50%～60%。

2 刀盤(pán)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)工程地質(zhì)狀況和開(kāi)挖直徑要求，刀盤(pán)必須具有高效破巖能力、盤(pán)體具有高強(qiáng)度，強(qiáng)耐磨的特點(diǎn)。采用整體式結(jié)構(gòu)形式，新刀開(kāi)挖直徑3 530mm，盤(pán)體結(jié)構(gòu)鋼材選用Q355D，采用17 寸滾刀，布置中心滾刀6 把，正滾刀12 把，邊滾刀8 把，4 個(gè)渣口，6 個(gè)噴水孔。刀盤(pán)盤(pán)體采用箱體結(jié)構(gòu)焊接而成。刀具均采用背部安裝方式。

2.1 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

刀盤(pán)是鋼結(jié)構(gòu)焊接件，由前面板、弧板、大圓環(huán)、小圓環(huán)、錐板、背面板、背板、溜渣板、刀梁板、法蘭等焊接而成。

為了實(shí)現(xiàn)盤(pán)體結(jié)構(gòu)具有高強(qiáng)度和良好的韌性，選取具有較高強(qiáng)度、良好韌性，并具有良好焊接性的鋼材。前面板與刀箱、背面板焊接組成單元箱形結(jié)構(gòu)，具有良好的承載性能。刀盤(pán)盤(pán)體是大型焊接式箱形結(jié)構(gòu)，使刀盤(pán)整體具有較高剛度和強(qiáng)度，提高刀盤(pán)的疲勞壽命。

法蘭是刀盤(pán)與主驅(qū)動(dòng)連接的關(guān)鍵零件，傳遞推進(jìn)系統(tǒng)所提供的推力，并驅(qū)動(dòng)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)。法蘭的高可靠性直接影響刀盤(pán)受力情況的好壞，為提高法蘭的剛度和強(qiáng)度，法蘭采用鍛件，使法蘭在圓周方向上受力均勻，避免應(yīng)力集中。

在保證有效換刀空間的前提下，在邊刀刀座背部，設(shè)計(jì)支撐筋板，形成箱型結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)刀座的承載能力，提高刀座的整體剛度和強(qiáng)度，延長(zhǎng)刀座的使用壽命。

2.2 刀座刀具設(shè)計(jì)

滾刀非線性布置，能夠使刀具載荷傳遞均勻，避免出現(xiàn)較大應(yīng)力突變，有利于延長(zhǎng)刀盤(pán)使用壽命。刀盤(pán)振動(dòng)相對(duì)較小，有利于降低刀具消耗。

在刀座焊接到盤(pán)體后，對(duì)刀座進(jìn)行整體精加工，避免由于焊接產(chǎn)生應(yīng)力變形，造成刀具與刀座配合精度降低，從而提高刀座和刀具的使用壽命。

單刃滾刀和中心滾刀，均采用背部安裝結(jié)構(gòu)形式，楔塊拉緊固定，具有穩(wěn)定可靠，方便拆卸和更換刀具的優(yōu)點(diǎn)。

2.3 刀間距設(shè)計(jì)

根據(jù)工程地質(zhì)狀況和類似工程的成功應(yīng)用案例，按照高效破巖和最小刀具損耗的原則，經(jīng)過(guò)計(jì)算，共布置26 把滾刀，中心刀刀間距84mm，正滾刀刀間距75mm。

2.4 刮渣裝置設(shè)計(jì)

進(jìn)渣口是剝落下來(lái)的巖石的輸出通道。在刀盤(pán)盤(pán)體周邊上共設(shè)計(jì)4 個(gè)進(jìn)渣口（圖1），確保具有足夠的出渣能力，有效避免由于渣石堆積造成對(duì)盤(pán)體和刀具的二次磨損。進(jìn)渣口處焊接有刮渣座，并通過(guò)螺栓連接刮渣板，刮渣板具有良好的耐磨性，磨損后可以方便更換。進(jìn)渣口前面焊接有格柵板，用來(lái)限制大粒徑巖石進(jìn)入進(jìn)渣口。

圖1 進(jìn)渣口結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 耐磨保護(hù)設(shè)計(jì)

在確保刀盤(pán)盤(pán)體具有較高強(qiáng)度和良好韌性的前提下，為了提高盤(pán)體的使用壽命，需要對(duì)盤(pán)體表面焊接耐磨保護(hù)層，避免巖石直接與盤(pán)體接觸，對(duì)盤(pán)體造成磨損。

在刀盤(pán)前面板、圓弧過(guò)渡板、大圓環(huán)、小圓環(huán)、圓錐板、進(jìn)渣口、噴水裝置防護(hù)塊等位置，均需進(jìn)行耐磨保護(hù)設(shè)計(jì)，用來(lái)保護(hù)盤(pán)體結(jié)構(gòu)（圖2）。耐磨保護(hù)材料要滿足耐磨沖擊要求和良好可焊接性要求。對(duì)邊刀座凸出盤(pán)體部分堆焊耐磨保護(hù)焊層，避免巖石直接磨損刀座。在刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向上的滾刀前方，焊接刀具保護(hù)塊，減小渣石對(duì)滾刀的二次磨損和沖擊。

圖2 耐磨保護(hù)裝置示意圖

2.6 降溫除塵設(shè)計(jì)

在刀盤(pán)面板上設(shè)置6 個(gè)噴水口，能夠覆蓋刀盤(pán)的整個(gè)開(kāi)挖面，起到?jīng)_刷掌子面粉塵和冷卻刀具的功能，從而延長(zhǎng)刀具使用壽命，凈化刀盤(pán)區(qū)域的工作環(huán)境。噴水裝置采用背部安裝結(jié)構(gòu)形式，噴水套筒能夠從刀盤(pán)背面板抽出，方便現(xiàn)場(chǎng)檢修和更換。

3 強(qiáng)度校核

刀盤(pán)是掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵核心部件，其可靠性就顯得尤為重要，因此需要對(duì)刀盤(pán)盤(pán)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核。按照方案設(shè)計(jì)，創(chuàng)建的刀盤(pán)盤(pán)體三維模型，按照模型網(wǎng)格劃分的規(guī)則，對(duì)刀盤(pán)盤(pán)體模型進(jìn)行局部簡(jiǎn)化。對(duì)盤(pán)體模型整體施加扭矩和推力，約束刀盤(pán)法蘭連接面的全部自由度作為位移邊界條件。

盤(pán)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所用鋼材為Q355D，材料的許用應(yīng)力為295MPa，經(jīng)計(jì)算，盤(pán)體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)和變形量，均滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

項(xiàng)目已于2020 年9 月實(shí)現(xiàn)全隧貫通，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看，刀盤(pán)盤(pán)體結(jié)構(gòu)良好，沒(méi)有出現(xiàn)主體結(jié)構(gòu)的異常損壞情況，甚至在掘進(jìn)過(guò)程中，巖石抗壓強(qiáng)度達(dá)到近200MPa，也能夠?qū)崿F(xiàn)安全掘進(jìn)。

根據(jù)本工程項(xiàng)目刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和應(yīng)用情況，結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域工程項(xiàng)目成功應(yīng)用案例，對(duì)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總結(jié)如下。

破巖和出渣是刀盤(pán)的主要功能，刀具選型和布置是關(guān)鍵，直接影響掘進(jìn)機(jī)破巖效率。綜合考慮刀具和出渣口布置，使破巖和出渣能力相匹配。盤(pán)體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)強(qiáng)度是刀盤(pán)高可靠性、高強(qiáng)度、高耐久性的基本保障。耐磨防護(hù)設(shè)計(jì)和噴水裝置是實(shí)現(xiàn)高效持久開(kāi)挖的必要輔助功能。