刘 娇
（中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016）
摘要：概括性论述了多圆软土刀盘、矩形刀盘、马蹄形刀盘等异形刀盘的设计特点，重点分析了马蹄形隧道掘进机组合刀盘的关键技术：1）掌子面流场仿真分析；2）刀盘静力学仿真分析；3）盲区处理研究；4）刀具破岩机制分析。通过对以上关键技术的研究，为软土马蹄形掘进机组合刀盘的设计提供了优化方法，并创造性提出刮削破岩和挤压破岩相结合的马蹄形硬岩刀盘设计方法，对马蹄形隧道掘进机刀盘设计有一定的指导意义，也为异形隧道掘进机的刀盘设计提供了设计参考。
关键词：隧道掘进机；马蹄形断面；刀盘设计；软土；硬岩
圆形隧道衬砌结构具有受力均匀、内力较小、设备制造简单、推进轴线容易控制、施工方便等优点，在地下隧道工程领域占有主导地位。随着地下空间的不断深入发展，异形断面隧道发展迅速，如矩形、马蹄形、双圆形等。相比于常规圆形隧道截面，异形隧道具有空间利用率高，能够有效减小开挖面积，减小切削土量、渣土处理量和回填土量，降低造价等优势［1－2］。
传统的马蹄形隧道通常采用矿山法施工，往往机械化程度低、施工效率不高且环境影响较大，因此，设计开发马蹄形隧道掘进机，对国家基础设施建设具有重要意义。
刀盘是隧道掘进机的重要组成部分，其作用是对掌子面的土体进行开挖、搅拌，并保持掌子面的稳定，然后使开挖后的土体顺利进入土舱内［3－4］。本文依托蒙华铁路白城隧道施工项目，根据不同地质条件以及不同的开挖方式，对比总结了异形隧道掘进机刀盘的设计特点，并重点分析了马蹄形隧道掘进机组合刀盘联合开挖的关键技术。
蒙华铁路白城隧道位于陕西省靖边县内，隧道全长3 345 m，为时速120 km双线电气化铁路隧道。隧道断面整体呈马蹄形（见图1），上部为圆拱，下部稍扁，左右两翼下侧的弧度较小，最大埋深为81 m。隧道纵断面如图2所示。隧道洞身范围内陆层主要为粉砂、细砂、砂质新黄土。隧道全段位于直线上，隧道纵坡为人字坡，坡度及坡长依次为4．5‰／1 935 m、－3‰／900 m、－11‰／510 m。本项目设计的马蹄形盾构，宽11．9 m，高10．95m，开挖断面面积约为106 m2，设计最大推进速度为60 mm／min。
图1 白城隧道马蹄形横断面
Fig．1 Horseshoe shaped cross section of Baicheng Tunnel
开挖异形断面隧道的掘进机大多采用多刀盘组合。异形掘进机刀盘可以根据地质条件不同进行分类：1）针对软土地层的辐条式组合刀盘；2）针对砂卵石地层的多面板组合刀盘；3）针对硬岩地层的面板式组合刀盘；4）针对硬岩地层的多机械臂组合刀盘。异形掘进机刀盘也可以根据开挖断面形式的不同分为多圆刀盘、矩形刀盘和马蹄形刀盘等。
刀盘的运动方式一般有旋转运动和摆动运动2种方式，见图3。异形隧道掘进机在利用组合刀盘进行土体开挖时，刀盘强度设计、渣土流动、盲区处理、土体扰动等是设计的重难点。旋转运动是刀盘最容易获得大扭矩实现土体切削的方式。摆动刀盘的组合运动是异形隧道全断面开挖的理想方式，但刀盘驱动系统相对复杂、可靠性不高。
图2 白城隧道纵断面图
Fig．2 Profile of Baicheng Tunnel
图3 刀盘的运动方式
Fig．3 Movement of cutterhead
2．1 多圆软土刀盘
多圆刀盘在软土地层应用较多，在硬岩地层中考虑到围岩层级差异、刀盘组合设计困难等因素，相对应用较少。多圆软土刀盘是圆形刀盘的组合。多圆掘进机的本质是圆形掘进机功能单元的并列组合，掘进时能够实现对掌子面的同步开挖和单独出渣，在双圆隧道和多圆隧道上已经得到成功应用。双圆隧道优点在于比单线并列圆形隧道占用宽度较小，比双线圆形断面覆土较浅［5－7］。如图4—6所示，多圆软土刀盘是在同一平面上布置2个及以上刀盘进行土体开挖，其掘进原理、地质适应性和掌子面的稳定方式，与圆形盾构相同。
2．2 矩形软土刀盘
矩形刀盘主要针对软土地层的特点，采用刀盘组合开挖，通常有偏心多轴式刀盘、组合式旋转刀盘和仿形刀盘等形式。
图4 名古屋市高速铁路双圆盾构
Fig．4 Double o tube（DOT）shield for Nagoya High Speed Rail
图5 三圆盾构及建设的地铁站台
Fig．5 Three round shieldmachine and constructed metro platform
图6 多圆盾构
Fig．6 Multi face shield
2．2．1 偏心多轴式刀盘
偏心多轴式刀盘设计采用平行双曲柄机构的运动原理，2个偏心曲轴驱动2个矩形仿形刀盘，刀盘上的各个刀具绕着曲轴回转中心做平面圆周运动，与轴向推进运动合成共同完成全断面的切削掘进。偏心多轴式刀盘如图7所示。
图7 偏心多轴式刀盘
Fig．7 Eccentric multi axis cutterhead
偏心多轴式刀盘根据开挖的截面尺寸设计出类似的仿形刀盘，加上一定的曲柄长度，即可实现全断面开挖，不存在切削的盲区；但由于各个点均围绕各自的圆心做旋转运动，其上布置的刀具受到的反力无法相互抵消，导致切削反力传递给盾体，容易造成盾体的滚转或偏移，从而引起土体扰动［8－9］。
2．2．2 组合式旋转刀盘
组合式旋转刀盘是在常规圆形刀盘基础上组合而来的，其结构形式通常有以下2种：1）依靠前后刀盘开挖面的相互弥补，尽可能减少矩形区域的开挖盲区；2）将所有刀盘布置在同一平面，增大了刀盘的搅拌区域，使渣土具有良好的流动性、塑性和止水性。
图8示出3前3后两平面布置组合式旋转刀盘，其采用大小一致刀盘，开挖率可以达到91．79%，并且刀盘可以实现单独控制。
图8 组合式旋转刀盘
Fig．8 Multi rotating cutterhead
组合式旋转刀盘利用圆形刀盘前后布置，驱动方式简单可靠。相对于偏心多轴刀盘，组合式旋转刀盘开挖过程中，刀盘的切削反力可以相互抵消，对周围土体的扰动小，但由于其每个刀盘的开挖范围都是圆形，因而无论如何组合，都无法做到矩形截面的全断面开挖，存在切削盲区是其最大的缺点［10］。
2．2．3 仿形刀盘
仿形刀盘利用控制理论，使刀盘的超挖刀在指定区域里伸出特定的长度，仿形开挖出需要的形状。仿形刀盘结构形式如图9所示，其结构多采用圆形刀盘的辐条式结构，在辐条的末端安装有超挖刀，在辐条结构内放置有液压油缸，通过辐条后部不同半径上布置的搅拌棒，对切削下来的土体进行搅拌［11］。
图9 仿形刀盘
Fig．9 Structural form of profiling cutterhead
仿形刀盘基于控制理论实现对矩形断面的仿形开挖，其结构对称、受力均匀，对土体的扰动小，有利于机头的顶进，开挖率可以达到100%。地下工程施工的不可逆性和操作空间的限制对掘进设备的可靠性提出了苛刻的要求［12］。仿形刀盘由于传动系统较为复杂，长矩离掘进的可靠性受恶劣工作环境的制约较大。
2．3 矩形砂卵石刀盘
矩形砂卵石刀盘主要根据地质松散的特点（存在粒径较大的砂卵石），对刀盘进行同平面布置。刀盘采用复合刀盘设计：主要利用切刀对前方掌子面进行开挖，同时配置滚刀以减小刀盘扭矩并对粒径较大的卵石进行破碎［13－14］。
图10示出常用的矩形砂卵石刀盘同平面组合布置方式，其开挖率达89．1%，搅拌率达30%。采用该种方式可防止大粒径卵石卡住刀盘，避免刀盘和轴承损坏，能够有效维持掌子面的稳定。
矩形刀盘同平面组合布置方式的开挖盲区较大，主要适应于含有砂卵石的松散地层。
图10 矩形砂卵石刀盘
Fig．10 Rectangular cutterhead for sandy pebble strata
2．4 矩形硬岩刀盘
矩形硬岩刀盘一般利用敞开式掘进机对地层进行开挖，其岩石强度一般比较高。
矩形硬岩刀盘通常配有多个机械开挖臂，并在开挖臂前端安装有滚刀，利用滚刀对掌子面的岩石进行开挖，见图11。其岩石破碎机制不再类似于圆形刀盘依靠推力进行滚刀挤压式破碎，而是依靠机械臂前端的滚刀对岩石进行刮削破碎，见图12。
图11 移动式隧道掘进机及开挖断面
Fig．11 Mobile tunnelminingmachine and excavation cross section
图12 机械臂刮削掌子面
Fig．12 Rock cutting by disc cutterhead
2．5 马蹄形软土刀盘
马蹄形软土刀盘的布置形式类似于矩形软土刀盘的前后布置形式，通过前后刀盘开挖区域的重叠最大限度地保证开挖区域，减小盲区。同时，在盾体的开挖轮廓上通过焊接刮刀保证开挖轮廓［15］。
图13示出马蹄形软土刀盘采用3前4后的组合刀盘布置形式，其开挖率达到90%，各刀盘均可实现单独控制，以进行渣土开挖和搅拌。
图13 马蹄形软土刀盘
Fig．13 Horseshoe shaped cutterhead for soft soil
2．6 马蹄形硬岩刀盘
马蹄形硬岩刀盘适用于围岩不是十分稳定的硬岩地层，其最大难点为开挖盲区的处理。斯洛伐克公路隧道应用的马蹄形掘进机，其刀盘的主切削部分为2个交叉的圆形刀盘，如图14所示。在2个圆形刀盘无法开挖的马蹄形断面上部采用桶形刀具挖掘（见图15），下部根据岩石工况选择桶形或鼓形的刀具进行挖掘。
图14 斯洛伐克公路隧道马蹄形硬岩刀盘
Fig．14 Horseshoe shaped cutterhead for hard rock used in Slovakia highway tunnel
图15 马蹄形硬岩刀盘上部的桶形刀盘
Fig．15 Upper barrel cuttehead of horseshoe shaped cutterhead for hard rock
3．1 掌子面流场仿真分析
在软土地层中，刀盘的不同布置形式对地层开挖、土体扰动、渣土流动等都有重要影响。采用Fluent软件进行流场分析。
图16和图17示出旋转刀盘在马蹄形某截面的土舱内土体速度和绝对压力的仿真计算结果。从图16速度分布图中可以看出，旋转刀盘主要影响自身旋转区域，对周围土体影响较小，包括刀盘无法开挖的盲区。可见，盲区位置土体的有效开挖和搅拌尤为重要。从图17绝对压力分布图来看，旋转刀盘对土舱内压力的影响微乎其微。
图16 掘进方向（Z向）马蹄形掘进机刀盘某截面的速度分布（单位：mm／s）
Fig．16 Directional distribution of horseshoe cross section in heading direction（Z direction）（mm／s）
图17 掘进方向（Z向）马蹄形掘进机刀盘某截面的压力分布（单位：Pa）
Fig．17 Pressure distribution of horseshoe cross section in heading direction（Z direction）（Pa）
通过对马蹄形断面的刀盘布置形式进行流场分析，得到对土体扰动最小、渣土流动更畅、有利于稳定土舱压力和控制地表沉降的刀盘设计方案。综合以上分析，马蹄形组合旋转刀盘设计是针对软土地层的最佳设计方案。
3．2 刀盘静力学仿真分析
基于ANSYSWorkbench中的静力学仿真对马蹄形旋转刀盘受力情况进行模拟分析，以辅助刀盘强度设计，根据隧道埋深及开挖地层的物理性质，合理选取刀盘的掘进边界条件。
刀盘的变形及受力分析云图见图18和图19。由受力分析结果可知，在黄土地层中，辐条式刀盘满足马蹄形隧道开挖强度要求。
图18 旋转刀盘的变形云图（单位：mm）
Fig．18 Deformation of rotary cutterhead（mm）
图19 旋转刀盘的应力云图（单位：MPa）
Fig．19 Stress of rotary cutterhead（MPa）
在切削力及开挖面土压力的作用下，分析面板式刀盘和辐条式刀盘的开挖效果，比较2种刀盘的变形量、应力和应变结果，得到强度足够、开口率合适的刀盘形式。此外，更需要注意刀盘设计对掘进效率、土体扰动、盾体跳动、设备姿态及地表沉降的影响。
蒙华铁路白城隧道处于黄土地层中，经分析后采用大开口率的辐条式刀盘。考虑到长距离掘进要求，在刀盘上堆叠耐磨焊条，提高耐磨性能。
3．3 盲区处理研究
3．3．1 盲区分布分析
对马蹄形盾构组合旋转刀盘的开挖盲区进行分析。隧道穿越土质主要为砂质新黄土，重度为16 kN／m3，黏聚力c＝22 kPa，内摩擦角φ＝26．5°。根据刀盘布置，盲区面积为10．6 m2，单位长度产生的重力为169．6 kN／m。当该区域土体处于即将掉落的临界状态时，上方土体对其有一个由剪切力τ＝c引起的上拉荷载，单位长度上拉荷载为黏聚力的水平分力在盲区长度上的积分。
3．3．2 盲区处理方法
马蹄形组合式旋转刀盘的开挖特性决定了开挖盲区的存在。在开挖盲区以及搅拌作用较弱的位置通过布置高压水冲刷以及改良孔，对盲区进行渣土处理，同时在盾体周边布置盾体切刀，保证开挖断面尺寸。
3．4 刀具破岩机制分析
常规圆形截面硬岩掘进机的刀盘破岩机制为滚刀挤压式破碎，如图20（a）所示。滚刀挤压式破岩可以分为3个步骤：挤压阶段；起裂阶段；破碎阶段。当相邻滚刀的间距使起裂阶段产生的裂缝相互连通时，表面部分岩体便被裂缝分割，形成碎片并脱离开挖面［16－17］。硬岩马蹄形隧道掘进机的刀盘多采用组合面板式刀盘，对岩石采用滚刀挤压式破碎，但盲区问题无法解决，可以采用桶形或鼓形刀盘对盲区进行处理，但其破岩能力不强。
滚刀刮削式破岩不同于挤压破碎，其主要利用伴随多个机械臂旋转的滚刀对岩石进行刮削式破碎，如图20（b）所示。由于机械臂可以实现随意移动，刮削式破碎可以对盲区进行处理。马蹄形隧道可以考虑由固定在旋转刀盘上的滚刀进行挤压式破碎，完成主开挖；而在盲区位置由旋转机械臂进行滚刀刮削破碎，完成辅助开挖。
图20 2种滚刀破岩方式
Fig．20 Two types of rock cutting
截至2017年4月30日，马蹄形隧道掘进机已经累计掘进超过1．2 km。组合辐条式刀盘对黄土地层具有良好的适应性，但在实际掘进过程中，由于黄土地质较硬且围岩不稳定，盲区的存在对渣土搅拌有一定影响。在开挖过程中，刀具和搅拌棒均出现不同程度的磨损，采取了进舱更换刀具、堆焊耐磨焊条等措施进行处理。
降低开挖盲区、提高搅拌效率对地层开挖、渣土输送有着重要意义。在黄土地质条件下，刀具和搅拌棒的磨损较大，需要增强刀盘的耐磨性。
马蹄形隧道掘进机的刀盘设计需要根据马蹄形断面的轮廓尺寸以及地质特点选择合适的刀盘型式和布置方式。
软土马蹄形隧道掘进机的刀盘采用辐条式旋转刀盘组合方式，不仅可以提高土舱渣土的流动性，保持土压平衡，并且对周围土体扰动较小。此外，需要根据地质特点对盲区采取合适的处理方式，避免地表沉降，提高开挖和搅拌效率。采取何种处理措施来有效解决开挖和搅拌盲区仍然有待进一步研究。
硬岩马蹄形隧道掘进机发展缓慢，主要因为盲区问题无法解决。提出刮削破岩和挤压破岩相结合的刀盘设计方法，对马蹄形隧道掘进机的刀盘设计有一定的指导意义。
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Discussion on Design of Cutterhead of Horseshoe shaped Tunnel Boring M achine
LIU Jiao
（China Railway Engineering Equipment Group Co．，Ltd．，Zhengzhou 450016，Henan，China）
Abstract：The design features ofmulti face soft soil cutterhead，rectangular cutterhead，horseshoe shaped cutterhead and other non circular cutterhead of tunnel boring machine are summarized；and the key technologies for combination cutterhead of horseshoe shaped tunnel boring machine，i．e．tunnel face flow field simulation，cutterhead static simulation，blind area treatment and rock breaking mechanism，are analyzed emphatically．By studying the above mentioned technologies，design optimization can be provided for combination cutterhead of horseshoe shaped tunnel boringmachine．The combination of scraping rock breaking and squeezing rock breaking for horseshoe shaped tunnel boring machine is proposed innovatively．The results can provide reference for cutterhead design of non circular cutterhead of tunnel boringmachine．
Keywords：tunnel boringmachine；horseshoe shaped cross section；cutterhead design；soft soil；hard rock
DOI：10．3973／j．issn．1672－741X．2017．S1．035
中图分类号：U 455．3
文献标志码：A
文章编号：1672－741X（2017）S1－0204－08
收稿日期：2017－02－13；
修回日期：2017－05－03
作者简介：刘娇（1989—），男，河南邓州人，2014年毕业于郑州大学，机械工程专业，硕士，助理工程师，主要从事隧道与地下工程装备设计与研发工作。E mail：liujiao0377＠163．com。
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