隧道工程中TBM刀盘的工作原理

全断面岩石隧道掘进机 (TBM) 是一种隧道专用施工机械，广泛应用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程。

刀盘是TBM的关键部件，具有开挖、稳定掌子面、搅拌渣土等功能。TBM盘形滚刀广泛应用于各种隧道掘进机，主要用于全断面岩石隧道掘进机、盾构TBM和顶管机。

一.TBM盘形滚刀的受力及破岩机理

每个TBM圆盘刀具在刀圈刀片和岩石之间通过三个方向的相互作用切割岩石。

1.法向推力指向挖掘面，由刀头推力提供。

2，切向滚动切削力指向圆盘刀的切向，由刀头的扭矩提供；

3.圆盘刀具边缘的侧向力是由圆盘刀具对岩石的挤压力和TBM滚子刀盘旋转的离心力产生的，它指向刀头的中心。它指向刀头的中心，并具有较小的值。它与其他两个力不属于同一数量级，一般不予考虑。

当刀盘工作时，圆盘刀首先接触挖掘表面，并在推力作用下压靠在岩石表面上。随着刀盘的旋转，TBM盘形滚刀一方面围绕刀盘的中心轴线旋转，同时又围绕其自身的轴线旋转。

TBM盘形滚刀在刀头推力和扭矩的共同作用下，在掌面上切出一系列同心槽。当刀具旋转并压入岩石时，TBM圆盘刀具将在岩石上产生挤压，剪切和拉伸开裂等综合作用。如此形成的炉渣由破碎体、破碎体和岩石碎片组成，各部分的比例取决于岩石性质、刀环几何形状、推动压力和刀间距。

Ⅱ.TBM盘形滚刀在刀盘上的布置

1.TBM刀具布置分析

TBM盘形滚刀在刀盘上的布置应满足一定的力学和几何规律。总体布置一般应符合以下要求。

尽可能使圆盘刀和刀盘受力均匀，使大轴承上的径向载荷为零。

前切刀应为后切刀提供破岩面，以便形成用于连续破岩的前切刀和后切刀。

因此，TBM盘形滚刀一般以单螺旋或双螺旋方式布置在刀盘上，相邻的刀具以一定的相位差布置。

的TBM刀盘通常有单盘、双盘和三盘三种类型。TBM滚刀在刀盘上的布置应有利于顺序破岩的形成。

由于双盘刀和三盘刀不能很好地满足所有TBM滚刀顺序破岩的要求，并且容易出现不均匀磨损，造成刀力恶化和刀具浪费，因此端面刀和量规刀应尽量选用单圆盘刀。

然而，为了节省刀头的空间，盾构机和隧道掘进机大多在刀盘中心安装双盘刀具或三盘刀具。

2.盘形滚刀间距的确定原理和方法

无论采用哪种方式布置刀具，刀具间距都是首先要考虑的技术问题之一。考虑刀具间距有两种方法。

(1) 在同一台机器上，刀具间距不变，从而改变tbm刀头的推力，以适应岩石强度的变化。

(2) 增加或减少同一刀头上的刀具数量或改变每个圆盘刀具上的刀环数量，以改变刀具间距，以适应岩石强度。

第一种考虑方法简单实用，具有多种应用。

考虑到the刀盘间距，在混合地层中开挖时，刀盘间距的选择原则一般如下。

(1) 当中心刀具较少时，按最佳刀具间距排列。它们通常以相对较小的刀具间距布置，以补偿TBM滚刀在掘进过程中可能遇到的困难的切削条件。

(2) 前刀之间的距离在50至120mm之间。对于软岩石层，取较大的值，对于硬岩石层，取较小的值。

(3) 当隧道主要由软岩组成且有少量硬岩时，根据软岩选择刀具间距，当坚硬的岩石段被挖掘时，隧道可能会很慢。

(4) 当隧道以硬岩为主，且为中硬岩时，刀具间距的选择应兼顾两者的原则。

(5) 量规刀具位于刀头的外边缘，速度高，磨损严重，很少按照最佳刀具间距排列。

综合利用高强度、耐磨损等技术，大大提高了盘形滚刀的切削深度，但是此时为了达到所需的临界推力，有必要相应地扩大刀具之间的距离，否则会导致TBM滚刀工作在前最佳区域。

在隧道施工中，刀盘是最重要的核心部件之一，俗称隧道掘进机机头。刀盘的管理直接决定着整个项目的成败、工程造价的投入和工程工期的保障。