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摘要：随着社会经济的快速发展，特别是在改革开放三十年以来，我国社会经济得到迅猛发展，一跃成为仅次于美国的世界第二大经济体。加速了我国的城市化进程，尤其是进入二十一世纪以来，随着国家大力度的扶持西部，进行西部大开发战略，以及振兴东北老工业基地等，需要对基础设施建设进行大规模的投入。这其中就包括了隧道建设，因此就需要更加安全、先进的技术进行开发。TBM刀盘就应运而生，它是专门运用于隧道建设的先进挖掘技术，它具有自动化程度高、施工安全、速度快等特点。因此，TBM刀盘就广泛应用于地下隧道、铁路隧道、公路隧道等设施工程。它是现在主要的隧道挖掘技术，形式多样，应用广泛，本文就是对TBM刀盘地质适应性设计方法及其应用的简单介绍。
关键词：TBM刀盘；适应性设计方法；现实应用
引言：
TBM是大型的隧道挖掘设备，广泛应用于各种不同环境的隧道建设。在隧道的挖掘建设中，刀盘是TBM的核心要件，是保证挖掘效率的关键因素，生产TBM刀盘的企业要根据实际作业的需要，并结合实际的作业环境从而设定刀盘结构的各项数据，制定刀盘制作的基本流程。因此在实际的制作过程中，要建设刀盘设计的关键的计算参数模型，针对不同的地质，提出不同的TBM刀盘地质适应性设计方法。要对TBM刀盘的刀具的布置参数进行有效的研究，包括刀盘的驱动性能、挖掘的效率、等进行综合性的分析，制作模型仿真演练。合理的刀盘的结构能够有效地降低工程的施工成本，提高工作效率，减少掘进的时间。因此掌握TBM刀盘的地质性设计方案及应用具有重要的意义。
一、TBM刀盘设计方法的流程。
（一）TBM刀盘的设计流程步骤。在TBM的刀盘设计过程中，设计的首要步骤是要根据具体的操作环境进行具有针对性的指标设计。这其中就主要包括了TBM刀具的性能优化配置、和刀盘的构造设计方案。合理的根据实际操作环境，对不同的数据进行分析，在初步确定刀盘的直径尺寸，刀具之间的间隔，是最终的TBM刀盘刀具具有最佳的切削性能。还要对隧道的出渣情况确定刀盘的开口率、以及渣槽结构设计是否合理。在得到了初步的刀盘设计方案后，对其刀盘的韧性、出渣能力等做最后的分析，确定最终的设计方案。具体的流程就是先确定刀间距转速到刀具的位置到出渣的结构布置到支撑结构到最终定型。
（二）关于TBM刀盘刀具的形状设计。在TBM刀盘刀具的形状方面，根据不同的作业环境分为了以下几种：一是平面圆角形的、二是球面形的、三是锥面形的，而最常用的TBM刀具形状是平面圆角形的，这种刀盘具有以下几种优势一是韧性强、刀具的位置布置范围广、作业的抗冲击性好。而且随着现在经济的发展，汽车的数量不断的增加，车道也变得越来越宽，隧道挖掘的直径也越来越大，因此就给TBM的刀盘刀具制造造成了很大的麻烦，和在运输方面的困难。所以在现实的刀盘制作中就会考虑分块制作，以减少制造困难和组装的不便。具体的分块模式有中心对称型、正五角型、正六角型等。
（三）TBM刀盘刀具的布局设计的关键参数。在实际的刀盘布局参考数据上，最主要的还是滚刀的数量和位置布置，以及出渣槽等的位置，还有一些小的入水孔支撑筋的布局设计。只有合理的TBM刀盘数据设计才能提高隧道的挖掘效率和破岩效率，提高性能。在滚刀的公式中，Ri为第i把刀盘的安装的半径，Bi为刀盘内侧与滚刀相位差造成的岩面倾角。Vk=1比上（1—P）乘以π乘以D的2次方除以4再乘以h。其中D为TBM刀盘的直径，h为刀盘安装位置的半径。再具体的布置中有以下的几个要求，一是回转支撑的位置要尽量小，二是刀盘的倾覆力距最小。
二、TBM刀盘的性能分析。
（一）对TBM刀盘的力学性能分析。当TBM刀盘采用四面体十节点单元的形式时，也就是SOLID的形状对其进行网格状的划分，且按照严格的单盘运动方式和安装的形式施加对其的约束的因素。并且将刀盘受到的最大的轴向的推动力均匀的分散到每把滚刀的节点上。这样就会看到在静力的拉动作用的最大的位置会出现在TBM刀盘的面板的中心处的位置，而且是随着半径的方向是不断地减少的，这是因为刀盘的中心点的位置受力最大，且刚度较小。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆当刀盘的最大压力为177MPa时，刀盘的面板和板筋的所在的位置都会受到较大的应力。因此刀盘的中心最大变形应该保持在0.7mm且板筋的最大压力为105MPa最好，满足强度要求。
（二）TBM的刀盘性能的系统功能分析。刀盘在隧道的挖掘中位于最前端，是最重要的挖掘的部件，对于整个作业的系统来说意义重大。具有三大系统功能，一是向前的的挖掘的功能，TBM刀盘在旋转的同时不断的向前推进，带动不同的部件进行作业，是隧道挖掘下来的渣土沿着通道进入入土舱。第二是支撑固定系统功能，在隧道的挖掘中最重要的就是要防止塌方问题的出现，TBM刀盘有一部分是不开口的，他们起着支撑的作用，防止地表变形和土体的塌方。第三就是TBM刀盘的搅拌功能，它可以将一些渣土搅碎，方便运输，满足流塑性的要求，提高隧道的作业效率。
（三）TBM刀盘刀具的出渣性能分析。在施工作业中，根据TBM刀盘的数据结构参数，施工的地质条件，来建立具体的TBM刀盘刀具出渣的模型。在隧道出渣过程中，要固定两面的岩壁，然后用滚刀在掌子面上随机的位置进行匀速旋转，均匀的产生渣土颗粒，并且把刀盘的转速设置为一分钟6转，赋予一个向下的的重力加速度。在TBM刀盘旋转了几周之后，就会看到大部分的出渣土都流进了刀盘的内部，然后在从TBM刀盘的背面看到，出渣土都会通过支撑板筋进入渣土斗排出。在刀盘旋转了四周之后，渣土的出渣效率能够达到百分之八十五点六，满足的出渣的要求。
三、TBM刀盘在应用中的方法及刀具损坏的形式和主要的原因。
（一）TBM刀盘在隧道施工作业应用中损坏的主要原因分析。TBM刀盘在隧道的作业中都会知道，会有大面积的岩石的脱落，在脱落的过程中，一块块的大岩石都会对破岩的滚刀和刀盘的面板造成巨大的冲击，这只是其中的一方面。还有另一方面就是，由于岩石的硬度本身就高，抗压能力强，因此刀盘在掘进中就会发生大量的二次冲击，造成刀具上面的螺丝的松动或损坏。另外一点就是大块的岩石不能及时的被刀具破碎，变成小块，就会堆积在刀盘的底部。且受出渣口空间的限制，不能够将渣土送到刀盘外，就会加剧TBM刀盘的冲击，造成刀盘损坏的原因。
（二）TBM刀盘在应用方法中刀盘面板的注意事项，防止损坏。在隧道挖掘的过程中，刀盘的面板都会受到大岩石的直接的冲撞和挤压变形，导致面板磨损。主要的表现形式就是以下几种：TBM刀具轴承的损坏、螺丝的松动或丢失、刀具受力断裂、变形。然而在真正的TBM刀盘作业中刀具的损坏率应该是在百分之十以下才算正常，否则将会给隧道的施工作业造成巨大的损失，因此在TBM刀盘的实际应用中就要对此加以重视，降低刀盘的损坏率，保证施工作业的质量，提高隧道作业效率。
（三）在TBM现场的应用中应该采取的防护措施。其实造成刀具损坏的主要的原因就是脱落的大块的岩石对刀具冲撞，因此在实际的隧道作业中就要对这方面进行防护。第一方面就是加强TBM刀具的强度，提高它的抗冲击能力，延缓失效的时间，比如改进一些滚刀，提高他们的整体的强度。第二方面就是要选择合适的隧道掘进参数，必须要在TBM刀盘的可控的范围之内，根据实际的情况选择不同的刀盘的转速和推动力。
总结：经济在不断地发展，人们对于道路的要求也越来越高，这就要求对TBM刀盘有更高的追求。因此，这就要求企业在生产TBM刀盘时，要制定具体详细的制作方案，选择合适的结构类型，掌握刀口布置、内部支撑等关键的参数。建立相关的计算模型，提出相对应的适应性方法。还有在实际的应用方法中要对TBM刀盘的保护提出具体有效的措施，延长刀盘的使用寿命，真正的实现TBM刀盘在未来隧道作业中的重要的作用。
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论文作者:余小松
论文发表刊物:《基层建设》2018年第4期
论文发表时间:2018/5/23
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