第5期
2021年5月
广东水利水电
G U A N G D O N G WA T E R R E S O U R C E S A N D H Y D R O P OW E R
N o .5
M a y 2
021关埠引水隧洞超高强度岩石T B M 刀具选型及布置 胡江涛1
，乔晓锋1,
2
(1.广东水电二局股份有限公司，广东广州 511340;
2.广东省水利水电工程技术研究中心，广东广州 511340
)摘 要：榕江关埠引水工程输水隧洞采用双护盾T B M 掘进机施工，隧洞围岩大部分为弱风化 微风化花岗岩，围岩坚
硬完整㊁岩石强度高(最高强度达190~230M P a )㊂刀盘是T B M 重要部件，刀盘设计的合理性对提高T B M 掘进效率，降低施工成本起着决定性的作用㊂通过对隧洞岩石强度以及滚刀破岩机理综合分析，初步确定刀具形式㊁滚刀间距㊁滚刀直径等刀盘参数，为硬岩掘进创造基本条件；通过对滚刀启动扭矩及单刀承载力等的分析，对刀盘初期设计参数进一步优化，适当增加滚刀数量，提高了T B M 的掘进效率㊂关键词:T B M 刀盘；滚刀；破岩机理；滚刀扭矩；滚刀间距 中图分类号:U 445.3 文献标识码:B 文章编号:1008-0112(2021)05-0078-05
刮刮卡制作收稿日期:2020-12-23；修回日期:2021-03-05
作者简介：胡江涛(1988-
)，男，本科，工程师，从事水利水电工程技术管理工作㊂1 概述
全断面硬岩掘进机(T B M )
压铸机料筒的设计是集机㊁电㊁液㊁光于一体，使用国内外先进技术集成，专门为隧道施工开发的一套设备，广泛用于各施工领域中，例如地铁建设㊁引水工程㊁铁路建设㊁电力工程㊁煤矿开采等隧洞工程的建设㊂刀盘作为T B M 的重要部件，在掘进工作中有着极其重要的意义，刀盘设计的合理性对提高T B M 掘进效率，降低施工成本起着决定性的作用㊂
全断面硬岩掘进机刀盘的设计不仅要考虑刀盘直径㊁滚刀间距㊁刀具形式㊁滚刀直径㊁滚刀启动扭矩及单刀承载力，还要根据具体的围岩地质条件㊁现场具体情况等进行综合考虑，使刀盘的特性符合施工要求㊂该文以榕江关埠引水工程中使用的中铁装备C R E C 5060E 2100刀盘设计为例展开讨论㊂
2 T B M 刀盘结构形式及破岩机理2.1 刀盘结构形式刀盘按照结构形式分为3种：辐条式㊁复合式㊁
T B M 硬岩刀盘
[1]
㊂管状电机
辐条式刀盘特点：对刀盘磨损较大，渣土改良较
困难，不利于保持土压平衡㊂辐条式刀盘结构特点为：辐条式大开口(70%~75%)
，易于进渣，刀具磨损小㊂辐条式刀具布置：刀盘中心为中心鱼尾刀，切削刀分层布置，加大合金尺寸以及合金数量以加强其耐冲击及耐磨性能㊂
复合式刀盘特点：针对硬岩地层和卵石地层具有较强的破岩能力㊂复合式刀盘结构：辐条+面板，面板易于稳定支撑掌子面㊂复合式刀具布置：刀盘中心为中心双联滚刀+单刃滚刀+刮刀+边刮刀；滚刀主要起破岩作用，刮刀和边刮刀主要带动渣土流动㊂
T B M 硬岩刀盘特点：针对极硬岩地层具有较强
的破岩能力㊂T B M 硬岩刀盘结构：面板分块焊接，能充分破碎岩石，面板能防止过多坍塌，有利于掌子面的稳定，开口率过小，刀盘底部容易积渣，极易造成滚刀的二次磨损，直接影响掘进速率和滚刀的破岩量，开口率过大，影响刀盘布刀，且较大的岩渣会对
损坏主机皮带[2
]㊂T B M 硬岩刀盘刀具布置：刀盘中心
为双联滚刀+单刃滚刀+T B M 铲斗齿；滚刀起破碎岩石的作用,T B M 铲斗齿用于清除边缘部分开挖岩渣，防止岩渣沉积，确保开挖直径，防止刀盘边缘的间接磨损㊂
刀盘作为T B M 最主要的部件之一，是刀具破岩
立体电视承重载体㊂在设备掘进过程中，地质条件变化很大,
㊃
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刀盘承受滚刀传递的各种力的集成，所以对刀盘结构有特别高的要求㊂刀盘的结构设计包含很多方面，例如刀具的布置㊁盘体结构拓扑参数㊁出渣系数设计㊁分布形式及支撑结构等方面的内容㊂滚刀在工作中受到3个方向的力：正向力㊁滚动力㊁侧向力[3]㊂
中铁装备C R E C5060E 2100刀盘选用尺寸为Φ5060ˑ1860，分2块进行安装，耐磨板护板材质为G P5060+H A R D O X450+硬质合金块，采用形式为T B M 硬岩刀盘㊂
2.2盘形滚刀破岩机理[4]
盘形滚刀破岩机理直接影响到受力分析㊂目前, T B M盘形滚刀的破岩机理有3种不同的理论:
1)由楔块作用引起剪切破坏;
2)岩体在滚刀楔块作用下产生径向裂纹，裂纹扩张到岩体表面进行破坏，或有相邻裂纹交错引起的岩石破碎;
3)滚刀楔入并滚压岩石时，岩石破坏属几种机理的结合，有裂纹扩展拉伸破坏㊁剪切破坏及挤压破坏㊂上述3种情况是假设岩石在理想的状态下，不存在裂隙㊁孤石等多种不利因素㊂
在实际施工过程中，围岩的变化是非常复杂的，在T B M掘进过程中，操作手应不断对参数进行调整，应对各种不利因素，例如孤石㊁上软下硬㊁裂隙㊁掌子面渗水㊁残余应力等㊂
刀盘上布置盘形滚刀，设备掘进过程中，推进油缸将整个刀盘压向隧道掌子面，同时旋转刀盘，刀具在刀盘旋转的带动下，在与岩石接触的摩擦力作用下同时产生滚动，刀具会在掌子面上形成按刀间距排列的同心圆轨迹㊂该过程中，刀圈刃部切入岩石，使岩石破裂产生横向裂纹，相邻刀位的刀具压裂岩石产生的横向裂纹互相影响并相互交叉，形成片状的剥落岩碴(见图1~2)㊂在刀盘的旋转推进过程中，整个掌子面的岩石不断的破裂剥落，被刀盘碴斗收集后通过输送机构带出洞外，隧道掘进机得以不断的向前推进[5]㊂在滚刀破岩的过程中，切削力㊁刀间距㊁贯入度㊁岩石力学性能及其相互关系直接硬岩破岩效果，是刀盘设计与选用的重要依据[6]㊂
3 T B M刀盘设计与选用
3.1刀盘直径的确定
榕江关埠引水工程选用的T B M为双护盾,
根据
①破碎后的岩石;②/⑤破碎岩石横向裂纹;
③/④破碎岩石纵向裂纹;⑥滚刀刀刃
图1
刀具破岩示意
图2相邻刀具压裂岩石示意
现场实际围岩特点及设备具体情况，其刀盘直径主要取决于以下几点:
①管片规格尺寸;
②护盾类型(单护盾或双护盾);
③盾尾设计方式(密封盾尾或开放盾尾);
④刀盘中线相对于护盾中线的偏移量;
⑤边刀磨损范围(一般取值为10~15mm);
⑥径向超挖量(一般取值为30mm)㊂
护盾式刀盘直径可按式(1)进行计算:
D=D0+2(H+T)(1)式中D为理论刀盘直径,m m;D0为成洞后直径, m m;T为管片厚度,mm;H为充填豆砾石和灌浆厚度之和(当D取值为3000~8000mm时,H为60~ 150mm)㊂
根据式(1)代入计算(D0取值4300mm㊁T取值250mm㊁H取值130mm):
D=4300+2(250+130)=5060mm(如图3所示)㊂
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2021年5月第5期胡江涛，等：关埠引水隧洞超高强度岩石T B M刀具选型及布置N o.5 M a y2021
图3 刀盘直径示意
3.2 滚刀的选用
盘形滚刀装刀形式分为前装式和背装式，前装式刀具换刀时需进入刀盘与掌子面之间作业，为了保证施工人员的安全，只在地质条件较好时使用，背装式刀具换刀作业在刀盘的背面进行，能够较好地保证人员的安全㊂
中铁装备C R E C 5060E 2100刀盘采用43.18c m 双
联刀和48.26c m 单联刀以及T B M 铲斗齿形式，滚刀主
要用于破碎岩石,T B M 铲斗齿用于清除边缘部岩渣，防止岩渣沉积，确保开挖直径，防止刀盘边缘间接磨损㊂滚刀最大承载力为311k N ，滚刀间距为72m m ，刀盘采
取六边形蜂窝状形式，刀盘开口率为7.5%，溜渣槽为6个，最大允许推力为10000k N ㊂这种形式的刀盘，既能
保持结构强度，又能保持较快的出渣速度[
7
]㊂中铁装备C R E C 5060E 2100刀盘滚刀采取背装式,
对滚刀的拆装可在土仓内进行，选用直径为48.26c m 的
滚刀27把,43.18c m 的滚刀8把(
见图4)，滚刀能承受载荷见表1所示[
8
]㊂表1 对应尺寸刀具与载荷关系
c m
特性43.18
48.26额定载荷/k N 250
311oadm
径向额定载荷/k N 326
432
额定比值
/%777
2
图4 刀盘布置形式示意
3.3 滚刀扭矩调整
在T B M 刀具管理中，应根据不同围岩类别对滚刀启
动扭矩调节，避免刀具发生刀圈崩刃㊁刀圈偏磨㊁刀圈移位㊁轴承失效㊁密封失效㊁刀体及刀轴等结构件失效等非正常失效(见图5
)㊂据统计，刀具失效多数是由于轴承失效引起的[
9
]
㊂图5 刀具失效形式示意
榕江关埠引水工程T 3工区在施工过程中，围岩地质
变化较大，围岩单轴抗压强度在100~200M P a 之间，不
同的围岩强度对刀盘的起动扭矩要求也不同㊂经过对前期掘进过程刀具损耗统计分析，将滚刀的启动扭矩控制在28~39N ㊃m ，并根据不同的地质条件匹配合适的刀
电机接线柱具起动扭矩，当围岩单轴抗压强度在100M P a 以下时，刀具的启动扭矩为28N ㊃m ；当围岩单轴抗压
强度在150
M P a 左右时，刀具的启动扭矩为31~33N ㊃m 之间；当
围岩单轴抗压强度在200M P a 左右时，刀具的启动扭矩
为35~39N ㊃m 之间㊂这样能够使轴承在不同的工况下
适应相应地质条件，降低刀具损耗，有效降低了隧道施
工成本[
10
]㊂㊃
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3.4 确定滚刀间距和滚刀数量
理论上，影响滚刀间距因素主要有以下3点:①岩
石类型;②岩石物理力学属性;③岩体节理分布等
因素㊂
根据美国科罗拉多矿业学院的滚刀岩石机理的推力
计算公式,T B M 在掘进时的刀间距(S )按式(3
)计算[11
]:S =2h t a n θ2+F V D 0.51h 1.5t a n
θ2
-4
3σc
h 2τ(3
)式中 F V 为总推力;δC 为岩石单轴抗压强度;
τ为岩石无侧限抗剪强度;D 1为滚刀直径;Φ为盘形滚刀刀刃角;
h 为盘形滚刀切深㊂
根据公式(3)代入相应值:Φ=60ʎ(厂家提供);h =
3m m (厂家提供);F V =100000N ;D 1=482.6m m ;
δC =
200M P a (技术部提供);τ=30M P a (技术部提供)㊂S =2h t a n θ2+F V D 0.51h 1.5t a n
θ2-4
3σc
h 2τ=2ˑ3ˑ0.58+(1506-40)ˑ0.05ʈ76(mm )
㊂刀盘滚刀数量由下式计算可知:
N =D /2S (4
)式中 N 为滚刀数量;D 为刀盘直径;S 为刀间距㊂
根据公式(4)代入相应值计算(D =5060mm ;S
=76.4mm )
㊂N =D /2S =5060/2ˑ76.4=33.1把㊂
中铁装备C R E C 5060E 2100刀盘初期设计为33
把滚刀，刀间距约76mm ，经过分析地质资料，考虑地质围岩以花岗岩为主，围岩完整性好，局部岩石单轴抗压强度可达到230M P a
，经与设备厂家沟通协调增加2把滚刀，实际配置为35把滚刀，滚刀的平均间距约为72mm ㊂滚刀在刀盘上采取同心圆布置法，同
时考虑以下2点:①刀具在刀盘上布置，尽量使刀盘
受力均匀，且不受径向载荷的影响;②在设备掘进过
程中，滚刀上产生的力对刀盘产生的倾覆力矩代数和趋于无穷小
[12
]㊂
4 现场实施情况
榕江关埠引水工程输水隧洞长约27.055k m ，其
中采用T B M 工法隧洞长为24.588k m ㊂该施工区域
围岩以弱风化微风分花岗岩为主，围岩坚硬完整㊁石英含量高㊁岩石强度高(围岩最高可达190~230M P a
，如图6所示)
㊂图6 现场围岩取样示意
中铁装备C R E C 5060E 2100硬岩刀盘在实际掘
进过程中效率较高，在以弱风化微风化花岗岩为主的围岩中，当推力保持在8500k N 以上时，贯入度能保
持在4~5mm 之间，速度能保持在35~45mm /m i n 之间(见图7)；在以全风化强风化花岗岩为主的围岩中，当推力保持在4000~6000k N 时，贯入度能保
持在6~8mm 之间，速度能保持在75mm /m i n 之
间㊂在项目实施过程中，平均月进尺达到了600m ，月最高进尺达到693m ㊂实践证明，该刀刀盘选型合
理㊂相对于项目建设初期策划阶段，厂家提供的在弱风化 微风化花岗岩中，贯入度仅保持在3mm 左右,
当在以全风化强风化花岗岩为主的围岩中，贯入度仅保持在5mm 左右，月进尺保持在500m 有了较大的
提升
㊂
图7 现场掘进参数示意
5 结语
刀具是T B M 的核心部件，是掘进的载体和具体
执行单元，其质量和现场管理对掘进有着十分重要的意义㊂刀具的耐磨性和抗冲击性能越好，在掘进中的贯入度越高，掘进效率相应就越高㊂对于围岩整体性好，且岩石强度高时，适当增加滚刀数量减小刀间距可以提高破岩效果㊂
㊃
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(本文责任编辑王瑞兰)
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R o c k i n G u a n b u D i v e r s i o n T u n n e l
HU J i a n g t a o1,Q I A O X i a o f e n g1,2
(1.G u a n g d o n g N o.2H y d r o p o w e r E n g i n e e r i n g C o.,L t d,G u a n g z h o u511340,C h i n a;
2.W a t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o p o w e r C o n s t r u c t i o n E n g i n e e r i n g T e c h n o l o g y R e s e r r c h C e n t e r
o f G u a n g d o n g P r o v i n c e,G u a n g z h o u51134,C h i n a)
A b s t r a c t:T h e d o u b l e-s h i e l d T
B M t u n n e l i n g m a c h i n e i s u s e d i n t h e w a t e r c o n v e y a n c e t u n n e l o f t h e G u a n b u w a t e r d i v e r s i o n p r o j e c t i n R o n g j i a n g R i v e r.T h e s u r r o u n d i n g r o c k
o f t h e t u n n e l i s m o s t l y w e a k l y d i f f e r e n t i a t e d t o s l i g h t l y w e a t h e r e d g r a n i t e.T h e s u r r o u n d i n g r o c k i s h a r d a n d i n t a c t,a n d t h e r o c k s t r e n g t h i s h i g h(t h e m a x i m u m s t r e n g t h i s190~230M P a).
C u t t e r h e a d i s a n i m p o r t a n t c o m p o n e n t o f t u n n e l b o r i n g m a c h i n T B M).T h e r a t i o n a l i t y o f c u t t e r h e a d d e s i g n p l a y s a d e c i s i v e r o l e i n i m p r o v i n g t u n n e l l i n g e f f i c i e n c y o f T B M a n d r e d u c i n g c o n s t r u c t i o n c o s t s.B y c o m p r e h e n s i v e a n a l y z i n g o f s t r e n g t h o f r o c k i n t u n n e l a n d t h e r o c k-b r e a k i n g m e c h a n i s m o f t h e h o b s,t h e p r e l i m i n a r y p a r a m e t e r s o f c u t t e r h e a d s u c h a s t y p e s o f c u t t e r s,s p a c i n g a n d d i a m e t e r o f h o b c u t t e r s w e r e r e a s o n a b l y d e t e r m i n e d,s o a s t o m e e t t h e b a s i c c o n d i t i o n s f o r h a r d r o c k t u n n e l l i n g.T h r o u g h a n a l y z i n g s t a r t i n g t o r q u e o f h o b c u t t e r s a n d b e a r i n g c a p a c i t y f o r e a c h h o b c u t t e r,t h e p r e l i m i n a r y p a r a m e t e r s w e r e f u r t h e r o p t i m i z e d.A s a r e s u l t,t h e t u n n e l i n g e f f i c i e n c y o f T B M i s i m p r o v e d w i t h a n a p p r o p r i a t e i n c r e a s e i n t h e n u m b e r o f h o b c u t t e r s.
K e y w o r d s:T B M c u t t e r h e a d;h o b;r o c k b r e a k i n g m e c h a n i s m;h o b t o r q u e;h o b s p a c i n g
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