滾刀工作原理分析盤形滾刀簡稱盤刀，是隧道掘進機滾壓破巖常用的一種刀具型式，經典的盤刀一般由刀圈、輪轂和軸構成。盤形滾刀在各類隧道掘進機上使用非常廣泛，重要用于全斷面巖石隧道掘進機、盾構及頂管設備。過去盤形滾刀重要用于全斷面巖石隧道掘進機刀盤破巖，伴隨隧道及地下工程的迅速發展，所碰到地層復雜性逐漸增長，開始在盾構刀盤上使用盤刀(同步布置切刀和滾刀)，形成所謂的復合式盾構，以應對多種軟硬不均或富水地層，如砂卵(礫)石地層、風化巖地層及越江、跨海隧道的高水壓地層_1]。實踐證明，這種盾構對地層具有良好的適應性，大大拓展了盾構的合用范圍。國際上目前有研發全能隧道掘進機的趨勢，復合式盾構應當是全能隧道掘進機的一種雛型。1

盤形滾刀的受力及破巖機理每把盤形滾刀在切割巖石的過程中，刀刃與巖石之間都存在3個方向的互相作用力：(1)法向推壓力FN，指向開挖面，由刀盤的推力提供；(2)切向滾動切割力FR，指向滾刀切向，由刀盤轉矩提供；(3)滾刀邊緣的側向力FIJ，由滾刀對巖石的擠壓力和刀回旋轉的離心力所產生，指向刀盤中心，其數值較小，與其他2個力不屬于同一數量級，一般不考慮。3個方向的作用力見圖1。切向滾動切割力重要取決于推力、切深及滾刀直徑。盤刀直徑一定，切深越大，所需滾動切割力越大；切深確定期，滾動切割力隨盤刀直徑的增大而減小。刀盤工作時，滾刀先與開挖面接觸，在推力作用下緊壓在巖面上，伴隨刀盤的旋轉，盤形滾刀首先繞刀盤中心軸公轉，同步繞自身軸線自轉。盤形滾刀在刀盤的推力和轉矩共同作用下，在掌子面上切出一系列同心圓溝槽。刀回旋轉并壓人巖石的過程中，盤形滾刀對巖石將產生擠壓、剪切、拉裂等綜合作用，首先在刀刃下會產生小塊破碎體，破碎體在刀刃下被碾壓成粉碎體，繼而被壓密形成密實核，隨即密實核將滾刀壓力傳遞給周圍巖石，并產生徑向裂紋，其中有一條或多條裂紋向刀刃兩側向延伸，抵達自由面或與相鄰裂紋交匯，形成巖石碎片，整個過程如圖2所示。由此形成的巖渣由破碎體、粉碎體及巖石碎片構成，各部分的構成比例取決于巖石性質、刀圈幾何尺寸、推壓力及刀問距。圖1

滾刀受力示意圖圖2

滾刀破巖原理示意圖2

盤形滾刀在刀盤上的布置2.1

布刀方式分析盤形滾刀在刀盤上的布置應滿足一定的力學和幾何學規律，布置時一般應滿足：(1)盡量使滾刀及刀盤受力均勻，使作用在大軸承上的徑向載荷為零；(2)使前面的刀具可認為背面的刀具提供破巖臨空面，形成前后滾刀順次破巖，如圖3所示。圖3

滾刀順次破巖原理因此，盤形滾刀在刀盤上一般按單螺旋線或雙螺旋線模式，相鄰滾刀按一定相位差布置。如R0bbins型和Java型掘進機的中心刀都布置在同一直線上；Robbins型掘進機正刀和邊刀都以相鄰2把刀為一組呈對稱布置(相位角相差180°，相鄰2組刀具沿刀盤軸線旋轉90°)；而Java型掘進機正刀和邊刀亦以對稱布置為原則，但相鄰刀具相隔160~～165°。盤形滾刀一般有單刃、雙刃及三刃3種形式。盤形滾刀在刀盤上的布置應便于形成順次破巖，即前一把滾刀先形成很好的切割軌跡及延伸裂紋，后一把滾刀抵達時產生的裂紋將終止于前把滾刀形成的裂紋(即裂紋貫穿、形成巖片)。由于雙刃和三刃滾刀不能很好地滿足所有滾刀順次破巖的規定，且輕易產生不均勻磨損，導致刀具受力惡化及刀具揮霍，應盡量選用單刃滾刀，邊刀也應采用單刃滾刀。但為了節省刀盤空間，無論盾構還是掘進機，在刀盤中心大都布置雙刃或三刃滾刀。2.2

刀間距確實定原則及措施無論是采用哪種方式布置刀具，刀間距都是首要考慮的技術問題之一。刀間距的考慮有兩種方式：(1)在同一臺機器上刀間距不變，以變化刀盤推力來適應巖石強度的變化；

(2)在同一刀盤上增減刀具數量或變化每把滾刀上的刀圈數來變化刀間距，以適應巖石強度。第一種考慮方式簡樸且實用性強，應用較多。刀間距確實定重要取決于開挖巖層的狀況及巖石的種類與強度等，其與巖石強度的關系見圖4。按照剪切破巖理論，破巖模式如圖5所示。由圖可知，當刀回旋轉一周，滾刀的切入深度為PR，則按剪切破巖理論，破裂寬度a=

PRtanα，要使同一安裝半徑上的盤形滾刀在刀回旋轉一周的切深相等，切破巖量相似，在相鄰滾刀之間就不應存在累積巖脊。因此為保證巖石切割的條件，刀間距應為：S≤2a+b=2PR/tanα+b

(1)式中S——刀間距；PR——切人深度；α——巖石壓裂角，一般在18～30°左右；a——巖石破裂寬度；b——刀圈寬度，與刀圈形式及刀圈直徑有關。盤形滾刀布置間距計算舉例見表1。按照上述刀間距計算理論，并考慮刀盤空間，在混合地層中掘進時，刀間距的選擇原則一般為：(1)中心刀較少按最優刀間距布置，它們往往以比較小的刀間距布置，以賠償掘進過程中滾刀也許碰到的困難切割條件。(2)正刀的刀間距在50～120mm之問，對于軟巖層取大值，硬巖層取小值。(3)隧道以軟巖為主并有少許硬巖時，刀間距按軟巖選擇，掘到硬巖地段時，可以慢速掘進。(4)隧道以硬巖為主并有中硬巖時，刀間距按兩者兼顧原則選擇。如石灰巖地層的刀間距取80mm，花崗巖地層取50mm，在綜合布置時刀間距取70mm為宜。(5)邊刀處在刀盤外緣，速度很高，磨損嚴重，很少按最優刀間距布置。邊刀的刀間距從鄰近正刀開始，向外緣逐漸減少，最終2把相鄰邊刀的刀間距弧長一般為20～25mm，最終一把邊刀的刀傾角一般為70°。邊刀的布置采用圓弧過渡，過渡區的曲率半徑及邊刀數量取決于掘進機直徑的大小。對于小直徑掘進機，曲率半徑為300～350rnm，邊刀數為6～8把；對于大直徑掘進機，曲率半徑為600～650mm，邊刀數為15～18把。伴隨滾刀的高強度、耐磨性等技術的綜合運用，滾刀的切深得到了很大的提高。但此時為了到達所需的臨界推力，需對應地擴大刀問距，否則會使滾刀處在前最優區工作。這也可理解為，采用較寬的刀間距后，為使滾刀處在最優間距下工作，必須對應地增長單把滾刀的推壓力。在比切深不變的狀況下，增大刀間距可以產生更多的巖石碎片，提高切割效率。因此，采用較寬的刀間距，減少了刀具的數量，有助于減少單位進尺的刀具消耗，同步，可以減小所需的總轉矩和總推力。不過，滾刀直徑從20世紀70年代的280mnl發展到90年代的480mm，刀間距并沒有變化。究其原因，有兩個方面：(1)工程實踐中總存在保守的觀念；(2)采用較寬的刀間距時，將額外地增長預測機一巖互相作用的隨機性，尤其是在圍巖條件較差時更為明顯。Ozdemir和Do1linger(1987)、Hartwing(1993)等的研究都表明了上述觀點。圖4

刀間距與巖石強度的關系圖5

盤形滾刀切入巖體示意圖表1

滾刀間距計算舉例3

盤形滾刀的切割力分析為研究滾刀切割力，設定基本參數如圖6、圖7所示，其中：m——滾刀數量；d——滾刀直徑，mm；PR——每轉的滾刀切深，。mm/r；Ri——滾刀旋轉半徑，m；D——TBM開挖直徑，m；S——滾刀間距，mm；n——刀盤轉速；Fz——TBM刀盤總推壓力，kN；FN——滾刀法向推壓力，kN；FR——滾刀切向力，kN；Tz——刀盤轉矩，kNm；Vz——掘進速度，mm/min；m——滾刀數量，m=D/25。圖6

滾刀切割力計算原理圖之一圖7

滾刀切割力計算原理圖之二刀盤刀具設計時，認為總推力在每把滾刀上平均分布，因此有：單把滾刀的推壓力可根據巖石的性質及刀圈幾何尺寸來確定。刀盤轉矩為每把滾刀到刀回旋轉中心的力矩之和，即：式中R為滾刀的平均旋轉半徑，良可按式(4)近似計算：滾刀滾動切割阻力為：式中μN為滾刀滾動切割阻力系數，一般μN≈0.1～0.15，詳細與巖石物理力學性質及滾刀切深有關。需要闡明的是，滾動軸承摩擦系數一般取0.002，遠不不小于腳，因此可以忽視滾動軸承的摩擦阻力。由此可得刀盤轉矩：式(7)中，令

,稱之為轉矩系數。因此，TBM開挖所需的刀盤轉矩為：Tz=βD2

(7)該式不一樣于盾構刀盤轉矩Tz

=αD3。[算例]已知某TBM，