0 引言
目前，國內(nei) 外既有土壓平衡盾構均采用刀盤－刀具切削係統。根據地質條件和工程條件的需要，在刀盤上安裝有滾刀、切刀、刮刀等各種刀具。刀具隨著刀盤的運動而運動，本身不做主動自轉。由於(yu) 刀盤的運動速率很低(每min幾轉)，因而刀具的切削線速度也很低，這就製約了切削效率的提高。同時，由於(yu) 刀具在刀盤上所處的位置不同，各個(ge) 刀具的切削線速度存在很大差異，因而使用壽命也存在很大差異。文獻對開挖異形斷麵隧道的全斷麵盾構的刀盤驅動機構進行了分析，需要複雜的運動學機構或隨動係統的支撐才能實現異形斷麵的開挖。文獻提供了采用懸臂式掘進機實現異形斷麵開挖的方法，但施工效率低，且不具備穩定開挖麵的功能，在軟弱地層中容易造成開挖麵坍塌現象。
針對目前采用刀盤－刀具的土壓平衡盾構存在的缺陷，吸納懸臂式掘進機的優(you) 點，創新一種無刀盤土壓平衡盾構，既能實現異形斷麵的開挖，又具備穩定開挖麵的功能，同時由於(yu) 不設置刀盤，每個(ge) 刀具能獨立主動自轉，提高了切削線速度，從(cong) 而提高了切削效率且刀具的使用壽命均衡。
1 功能設計
1.1切削效率高
刀具的切削效率與(yu) 刀具的線速度緊密相關(guan) 。以直徑為(wei) 4m的有刀盤單圓盾構為(wei) 例，其適中轉速為(wei) 3r/min，那麽(me) 安裝在刀盤上的刀具的平均切削線速度為(wei) 0.314m/s。而采用無刀盤且刀具獨立主動自轉的方式，切削刀具的適中轉速為(wei) 30r/min，切削刀具的回轉半徑若設為(wei) 400mm，則截齒的切削線速度可達1.256m/s，為(wei) 前者的4倍，可大大提高刀具的切削效率。
1.2刀具壽命均衡
對於(yu) 有刀盤盾構，由於(yu) 布置在刀盤上的各個(ge) 刀具的徑向位置不同，因而各個(ge) 刀具隨刀盤轉動所經曆的路徑長度也不同，勢必造成刀具的磨損速度也不相同。靠近刀盤外圈的刀具磨損快，靠近刀盤內(nei) 圈的刀具磨損慢，這樣會(hui) 增加換刀的次數，影響施工效率。
而無刀盤盾構，采用每個(ge) 刀具獨立主動自轉的方式，全部刀具主動自轉的轉速相同，因而所有刀具的切削線速度也基本相同，使用壽命非常接近，這樣可實現批量式整體(ti) 換刀，大大節省換刀時間，提高盾構掘進效率。
1.3無需滾動糾偏
對於(yu) 有刀盤盾構，由於(yu) 刀盤的轉動慣量很大，有可能使盾體(ti) 沿刀盤旋轉反方向滾動。為(wei) 了糾正這種滾動偏差，隻有使刀盤反轉。如此反複進行刀盤的正反轉操作，雖然可以穩定盾構的掘進方向，但存在著一定的操控難度。若掌握不好，會(hui) 使掘進方向出現較大偏差。采用相鄰刀軸反向旋轉的方式，可以平衡不同刀軸刀具之間的旋轉慣性力，避免出現盾體(ti) 滾動，因此無需進行滾動糾偏。
1.4適用於(yu) 各種隧道斷麵
對於(yu) 有刀盤盾構，最為(wei) 適應的是圓形斷麵。對於(yu) 矩形、橢圓形等異形斷麵，則必須通過複雜的曲柄連杆機構、擺動機構或仿形機構來控製刀具的切削軌跡。而對於(yu) 無刀盤矩陣式布刀的盾構，隻需改變矩陣排列的形式，即可適應各種複雜形狀的隧道斷麵。
2 結構設計
以適用於(yu) 矩形斷麵隧道的無刀盤土壓平衡盾構的結構設計為(wei) 例，說明以上功能是如何實現的。
圖1和圖2為(wei) 矩形無刀盤土壓平衡盾構結構示意圖，主要由切削係統、滑移機構、渣土輸送係統、土壓平衡係統、護盾係統、推進係統及空氣保壓係統等組成。
切削係統由截齒1、刀具2、刀具傳(chuan) 動軸3、分動箱4、減速機5和驅動電機6組成。驅動電機(或液壓馬達)通過減速機、分動箱、傳(chuan) 動軸將動力傳(chuan) 遞給刀具。刀具實現自轉，同時隨盾體(ti) 一起沿掘進方向移動，切削岩土。分動箱將驅動電機的動力分配給多個(ge) 刀具。分動箱為(wei) 一分四結構，即1個(ge) 驅動馬達可同時驅動4個(ge) 切削刀具旋轉。也可根據設計的需要選用1個(ge) 驅動馬達同時驅動2，3，5個(ge) 或其他數量的切削刀具旋轉。在截齒對隧道開挖麵進行切削的過程中，由於(yu) 地層被擾動，可能會(hui) 出現坍塌，因此必須采取措施，對開挖麵進行支護。矩形無刀盤土壓平衡盾構是通過土壓平衡係統對掌子麵進行支護。土壓平衡係統由土壓平衡艙9、前盾20、固定隔板19和移動隔板18等部分組成。調節切削刀具的切削速度和渣土輸送機11的排渣速度，可使土艙內(nei) 保存一定數量的渣土，渣土存量的大小取決(jue) 於(yu) 切削速度和排渣速度的配合。存量渣土起到傳(chuan) 力介質的作用，通過它將推進油缸25的推力向前傳(chuan) 遞到開挖麵上，以平衡盾構前方的水土壓力，起到防止坍塌的作用。渣土輸送係統由螺旋集渣器10、渣土輸送機11、渣土輸送驅動馬達12和渣土輸送減速機13組成。集渣器用於(yu) 收集刀具切削下來的渣土，通過渣土輸送機將渣土從(cong) 土壓平衡艙輸送到中盾後部料艙，由主運輸皮帶機輸送到洞外。渣土輸送機由電機通過減速機驅動。
圖1 矩形無刀盤土壓平衡盾構結構示意圖
圖2 矩形無刀盤土壓平衡盾構結構示意圖
當切削到一定距離後，截齒損耗嚴(yan) 重，當截齒磨損量超限時，必須更換截齒。滑移機構和空氣保壓係統就是為(wei) 更換截齒而設計的裝置。滑移機構由拖拉油缸14、滑軌15和滑動支架16等組成。空氣保壓係統由人行閘門7，氣壓過渡艙8、中盾隔板22和止回閥23組成。更換截齒時，首先將土壓平衡艙內(nei) 的渣土排空，然後鬆掉緊固螺栓17，使土壓平衡艙活動隔板18與(yu) 固定隔板19及前盾20的連接脫開，通過拖拉油缸14的回縮，帶動滑動支架16和上半部分的驅動裝置以及刀具沿滑軌15向後移動一定的距離，現場作業(ye) 人員即可從(cong) 活動隔板18和固定隔板19之間的空隙進入到土壓平衡艙9內(nei) 對截齒進行更換。為(wei) 了保護換刀作業(ye) 人員的安全，在中盾隔板上設有止回閥23。根據開挖麵的地質情況，通過止回閥向中盾隔板22前方的密閉空間注入0～300kPa的壓縮空氣，用來平衡開挖麵的水土壓力，防止坍塌。為(wei) 了防止換刀、維修作業(ye) 人員患氣壓病，不允許直接從(cong) 高壓環境進入大氣環境，必須經過氣壓過渡艙8的過渡。
盾構沿掘進方向移動依靠護盾係統和推進係統來完成。護盾係統由前盾20、中盾21和尾盾24組成，護盾係統對開挖麵實施臨(lin) 時防護，用於(yu) 保護內(nei) 部設備和鋪設管片。推進係統由推進油缸和襯砌管片組成。推進油缸作用在襯砌管片上，由於(yu) 襯砌管片通過漿液的凝固與(yu) 隧道洞壁固結在一起，因此它所提供的支反力可以迫使推進油缸帶動整個(ge) 護盾係統向前推進，同時帶動切削刀具實現縱向進給運動。
切削刀具2在與(yu) 前盾垂直的橫截麵上的投影呈矩陣式排列(見圖3)，圖3中的實線圓為(wei) 切削刀具2的正投影，雙點劃線圓1為(wei) 截齒的最大半徑切削軌跡。從(cong) 圖3可以看出，切削刀具2的切削軌跡基本上可以覆蓋隧道的整個(ge) 開挖斷麵。相鄰刀具之間的小盲區中的土體(ti) ，可在刀具的擾動與(yu) 土壓艙隔板的擠壓下自然坍塌。盾構除可以製造成矩形外，還可製造成圓形、多邊形、橢圓形等各種形狀，用於(yu) 開挖各種斷麵形狀的隧道。無刀盤土壓平衡盾構的切削刀具無需刀盤的支承，所有刀具均由動力傳(chuan) 動裝置直接驅動，實現獨立主動自轉。
圖3 無刀盤矩形盾構的布刀示意圖
3 設備結構及特點分析
無刀盤土壓平衡盾構，是在分析常規土壓平衡盾構存在缺陷的基礎上，通過結構上的創新和工藝上的改進形成的一種概念性設計，主要有以下特點:
1)將常規土壓平衡盾構的整體(ti) 式大刀盤切削，分解成局部的小刀具獨立運動和切削。從(cong) 而避免了刀具由於(yu) 受刀盤直徑的影響，刀具切削速度急劇變化，導致刀具磨損不均的情況。同時可提高刀具的轉速，從(cong) 而提高盾構整體(ti) 的切削效率。
2)各刀具任意組合，可根據客戶需要切割任意形狀的斷麵。
3)各刀具獨立運動，相鄰刀具旋轉方向相反，相互抵消了不同刀軸刀具之間的旋轉慣性力，避免了常規土壓平衡盾構盾體(ti) 受刀盤切削力的影響出現反方向滾動的問題。
4 結論與(yu) 討論
無刀盤土壓平衡盾構，是針對軟岩地質條件而設計的一種新型盾構概念性設計，具有切削效率高，刀具磨損均勻，整機轉動慣量小、可切削任意斷麵等優(you) 點，改變了傳(chuan) 統的土壓平衡盾構的切削方式和結構形式，它克服了傳(chuan) 統土壓平衡盾構刀具切削效率低、磨損不均勻、刀盤轉動慣量大等不足。但同時也存在一些技術難題:
1)每個(ge) 刀具獨立運轉，雖然易於(yu) 提高切削速度，但整個(ge) 切削刀具的傳(chuan) 動係統較複雜，傳(chuan) 動係統的高可靠性是設備良好運行的基礎。
2)每個(ge) 刀具具有獨立的集渣係統，集渣係統與(yu) 刀具的傳(chuan) 動係統占用較多的設備空間，為(wei) 設備檢修造成一定的困難。
3)各刀具之間存在一定的切割盲區，且隨著刀具直徑的增加，切割盲區尺寸增大。這使無刀盤土壓平衡盾構在地質適應性上受到一定的製約。
作者：李建斌 王鍇
轉自《隧道建設》