异型盾构机全断面切削研究
黄 键
（上海隧道工程股份有限公司）
摘 要：随着异型盾构机的普及，如何保证异型掘进断面的全断面切削成为迫切需要解决与完善的课题。本文首先介绍了异型盾构机的常见刀盘布置模式，提出了一种在综合旧有模式优点的基础上，更加完善可靠的偏心多轴刀盘加中心大刀盘组合式布置模式，可以对各种异型断面进行无盲区切削；同时针对这种新的刀盘布置模式，分析获得了专用于偏心多轴刀盘的刀具布置方法。
关键词：异型盾构机 全断面切削 偏心多轴刀盘 刀具布置 圆柱刀
1.全断面切削研究背景
地下掘进用的顶管及盾构机的常见截面均为圆形。在设计刀盘时，通过合理布置切削刀具，可以很方便的达到全断面切削的目的。这是因为圆形顶管及盾构都采用中心回转式刀盘，这种刀盘上刀具的切削轨迹均为同心圆，轨迹覆盖区域仅与刀具的分布半径有关，只要在不同区域布置刀具时遵循按半径依次覆盖延伸的原则，就可以简单、方便的达到全断面切削的目的。
圆形盾构机虽然技术成熟、使用范围广，但更多还是用于地下管网的掘进施工，施工获得的圆形断面与需要的使用断面相符，可直接使用。随着地下人行通道、地下车站等使用断面为矩形的地下工程开始增多，如果继续使用圆形顶管，施工断面的空间浪费是个无法忽视的问题。比方要建造一条6m×4m的地下通道，若采用圆顶管，则可供使用的空间直径必须大于7.2m，最终的空间利用率只有59%，不但造成了施工空间的浪费，盾构机的尺寸也不得不扩大，无形中增加了设备成本。那么，有没有办法既能提高空间利用率，又能通过减小设备尺寸来降低造价呢？最直接的方法，就是依据所需的空间断面尺寸，设计与之相匹配的矩形或其它异型盾构机。
单以矩形的地下通道为例，使用相匹配尺寸的矩形盾构机，空间利用率可以轻松达到90%以上，设备尺寸也将会是最小合适尺寸。但设计矩形盾构机，除去以上优势外，最大的设计难点为：刀盘全断面切削。刀盘的全断面切削，因为矩形、乃至异型盾构机的切削断面形状并非中心对称，如何重新设计刀盘及刀盘的布置方式，做到全断面切削无死角，也是异型盾构机设计的重点。
2.矩形顶管机常见的刀盘布置模式
目前常用的矩形盾构机，有两种刀盘设计方式：偏心多轴式及圆刀盘组合式2种形式。
2.1 偏心多轴式刀盘
图1 偏心多轴式刀盘与偏心多轴驱动
利用平行双曲柄机构的运动原理，由几组偏心曲轴同时驱动刀盘，每把刀具作平面圆周运动，与轴向推进的行程合成来完成全断面的切削掘进。施工时可根据隧道或地下通道所需截面形状来设计盾构机的外形，由螺旋输送机出土，可保持土压平衡，并维持开挖面的稳定。
如图，盾构机的切削刀盘有两个，左右各一，均为矩形，由偏心驱动带动，运转时各自切削左右的矩形区域，这种设计的优点是切削轨迹为全断面，不足之处在于偏心驱动的扭矩远小于大刀盘驱动，因此刀盘总扭矩较小，转动惯量小，对利用刀盘反向转动纠偏矩形盾构机左右偏角比较困难，另外，每个矩形刀盘由多个偏心驱动带动，对加工、装配的精度要求很高，驱动运转时的同步性控制也是难点之一。
2.2 圆刀盘组合式
图2 圆刀盘组合式矩形顶管
如图2所示是一台经过实际工程应用的圆刀盘组合式矩形顶管，采用了中心大刀盘与四角小刀盘的组合式设计，中心刀盘与边缘刀盘前后错开，一部分切削轨迹相互重叠。从图中可以看出，刀盘与刀盘的边缘轨迹之间，上下各两处，左右各一处，都是无法切削到的。原因很简单，几个圆形的切削轨迹，是无法交错组合成矩形的。
圆刀盘组合式盾构机使用了圆刀盘组合式方案布置刀盘，优点是是圆刀盘切削扭矩大、效率高、技术成熟，刀盘之间也各自独立，装配、控制都比较简单。这种刀盘结构的劣势也很明显，就是无法做到全断面切削，这是因为圆刀盘的切削轨迹都是圆形区域，而圆形与圆形在矩形平面内交错布置，总是会有无法覆盖的“死角”，所以小范围的切削死角可以依靠壳体挤压来完成切削功能，但是这样就对土体的扰动较大，地面沉降难以控制。
3.中心大刀盘加偏心刀盘组合布置模式
在介绍过这2种已有的矩形掘进刀盘后，我们不禁会想，两种方法各自有优势和局限，那么，有没有一种新的方案，能够结合两者的长处，既能全断面切削无死角、能保证刀盘的承载能力，又能扩大使用范围，适用多种地层？
我们的解决办法，就是将这2种方法结合起来，采用中心大刀盘+边缘偏心多轴刀盘的组合式设计，来达到使用要求。
3.1 组合式刀盘的全断面切削布置
图3 超大断面矩形顶管组合式刀盘
我们承接了用于郑州市中心地下通道工程的大型矩形顶管机设计任务，该顶管机断面尺寸为10.4m×7.5m，而且为改善壳体的受力状况，外形并不是四边平直的规整矩形，而是近似椭圆。因为尺寸和外形的先决条件，顶管机的切削载荷会比较大，同时考虑到郑州地下土的干硬特点，刀盘布置上也应尽量避免出现切削死角。我们在这一设计中就使用了中心大刀盘+偏心多轴刀盘的方案。
从完成制造的实物图上可以看出，中心大刀盘与边缘的偏心刀盘前后错层布置，这样可以保证两者的切削轨迹互补而又不相互干涉。将中心大刀盘靠前布置，是因为中心刀盘承载能力好，施工时可以先一步接触土体，能够分担大部分的切削应力，对后侧的偏心刀盘起到一定的保护作用。
由于壳体断面四边均为弧形，四角的偏心刀盘不再是传统的矩形刀盘，而是随着壳体外轮廓线的弧度进行外形设计。从图中可以看到，偏心刀盘外沿与壳体外轮廓相似，只是在大小上有所区别。图中的四个刀盘各处于转动轨迹的不同位置，恰好分别与壳体外沿或中线相吻合，这表明，偏心刀盘在各转动位置，都可以保证切削轨迹与负责切削的区域边缘相重合。
这样设计的偏心刀盘，在刀盘外形随切削断面外形改变的理念下，不仅能用于矩形盾构机，而且可以适用于多种外形的异型盾构机，椭圆形、马蹄形等等，都可以采用这一方法达到全断面切削的目的，拓展了偏心多轴刀盘的应用空间。3.2偏心多轴刀盘切削轨迹
在简单介绍了新的组合式刀盘能达到全断面切削的原理后，我们再来细看一下利用偏心刀盘达到全断面切削的详细过程。
图4 偏心多轴刀盘的转动轨迹
首先验证刀盘轨迹线与壳体外缘的吻合度。上图中，左上偏心刀盘按逆时针转动，从左至右，刀盘依次经过转动轨迹的最高、最左和最低点，图中的外缘弧线代表盾构机壳体外轮廓线，1/4圆弧代表大刀盘覆盖区域，大刀盘中心即为盾构机中心，因为盾构机四角的偏心刀盘轨迹类似，所以只选取了顶管机左上1/4区域进行说明。从图上可以看出，因为偏心刀盘的外形轮廓是仿照盾构机的外缘轮廓设计，所以刀盘转动时，边缘能很好的沿着盾构机外缘切削，避免产生切削死角。
图5 正面圆柱刀 图6 侧边割刀
刀盘上布置最多的刀具是正面圆柱刀，与传统切削刀相比，圆柱刀顶端刀刃成辐条式圆周分布，而普通切削刀刀刃都是同方向布置。这是因为当偏心多轴刀盘转动时，圆柱刀将以偏心距为圆心转动，但其本身的姿态是不变的，也就是说，圆柱刀在工作时，每片刀刃的切削方向与刀体的转动方向之间的夹角总在时刻变化，无法时刻正对切削方向的，而布置在圆形刀盘上的刀具，刀刃姿态会随刀盘转动而转动，始终保持正对切削方向。所以我们设计了多片刀刃圆周分布的形式，每片刀刃间互成角度，这样就能保证在任何时刻，都有刀刃能大致正对切削方向，保证切削效率。
因为上述原因，偏心多轴刀盘正面的刀具均为圆柱刀，侧边割刀只安装于刀盘侧面，与主切削方向垂直，来避免因刀具姿态导致的切削效率下降问题。
3.3 偏心多轴刀盘刀具布置
当确定了使用中心大刀盘加偏心多轴刀盘的组合式布置方案能达到全断面切削后，接下来必须考虑每个偏心多轴刀盘，在其轨迹所覆盖的切削区域中，刀盘上的刀具轨迹能否达到“全断面”
对于刀盘的周边侧向区域，在上文中已提到侧向刀具将沿断面外沿无死角、不间断的覆盖切削面，可想而知是能做到边缘全断面切削的。对于正面的圆柱刀，其切削时的覆盖范围才是重点研究方向。
图7 单把圆柱刀的切削轨迹
上图中，阴影部分表示圆柱刀以偏心距为半径转动时，刀具的切削区域。该区域成环形，环宽是圆柱刀直径。可以看出，圆柱刀在切削时，切削范围就是一个圆环，环内及环外都是切削不到的。要使这样一个个圆环状的切削轨迹全断面覆盖切削面，仅靠随意摆放刀具是做不到的，必须使每把刀圆环轨迹中心的盲区被相邻刀的圆环轨迹交错覆盖。极限状态自然是在刀盘正面紧挨着布满刀具，但这是不现实的做法，所以我们需要找出全断面切削条件下，圆柱刀最经济可行的布置方法。
图8 圆柱刀轨迹布置方案1 图9 圆柱刀轨迹布置方案2
如图，将圆柱刀的环形轨迹尝试不同的排列组合。方案1中，使用的是最简单的排列方法，即相邻轨迹间圆环的环形区域与中心盲区相交错，因为将轨迹覆盖区域看作为长方形，而实际上，在这一长方形区域中，还是有部分边角是覆盖不到的，不过随着刀具数量的增多，不能切削的边角区域占总面积的比例将不断减小。
在方案1之后，又考虑了方案2的布置形式，这种布置形式中，圆环的圆心之间组成正六边形。尝试使用正六边形排列，是因为联想到空间利用率相当高的蜂巢结构，就是由正六边形组成，在使用作图法布置后发现，正六边形布置的圆环轨迹相互交错后，中心区域轨迹覆盖率几乎达到100%，虽然图中每个圆环中心的盲区外侧区域没有轨迹覆盖，但这是因为仅画了6个轨迹的缘故，如果在外圈持续增加环状轨迹，可以发现圆环中心盲区未被覆盖的地方将被新增加的轨迹圆环覆盖，做到全断面切削。
在设计中，可以看出方案2的轨迹覆盖面积要大于方案1的轨迹覆盖面积。从图上也可以很明显的看出，将圆柱刀中心按正六边形布置，要比普通的依次排列布置方法要高效、经济（相同切削面积所需的刀具少）。
事实上，在设计刀具布置时，也尝试了其它形式的平面布置方案，但相比较之下，还是以正六边形的布置方法最完善，真正做到了无死角的全断面切削。
4.结语
在参考已有的矩形盾构机刀盘布置形式后，结合两种已有刀盘设计模式的优点，提出了新的圆形大刀盘加偏心多轴刀盘组合式布置方式，使用该种组合式刀盘可以在多种异型断面盾构机设计中达到全断面切削的目的。同时，针对这种新模式中的偏心多轴刀盘，使用圆柱刀，并且以正六边形布置刀具，才能在总体和局部上同时做到全断面切削。
参考文献
[1]余彬泉，陈传灿.顶管施工技术[M].北京：北京人民交通出版社,1998.
