盾构机刀盘设计要点探究
盾构机刀盘设计五花八门，主要设计依据是盾构隧道的地质条件。
但针对相同地质条件，各制造厂家基于各自的理念设计出的刀盘又不尽相同。
作为使用单位，在进行设计联络、设计评审时，如何入手，如何判定优劣呢？
刀盘设计的适应性判断是考虑问题的出发点。
刀盘结构外形的差异并不重要，只要结构强度满足力学要求，即满足极限条件下的推力、扭矩的要求即可。
我们需要关心的是另外几方面的问题：
一、刀盘开口率
刀盘开口率是指刀盘留空面积占整个刀盘面积的百分比。
这部分留空面积，是切削渣土的运动通道。
渣土脱离土体后，在重力及刀具刮削作用下，沿刀盘开口流动到土仓。
搅拌后，从土仓底部螺旋输送机排出。
开口率的大小对应的是渣土排放的效率。
若取值过小，破碎（切削）的渣土不能及时进入土仓，滞留在刀盘前方，跟随刀盘做摩擦运动，随着温度升高，会固结在刀具、辐条等部位形成泥饼。
因此，在结构强度允许的情况下，开口率尽可能地取较大的值较好。
开口率的取值对应刀盘的常态转速。
开口率的计算公式：K=1/（r+1）
其中：K——开口率（%）
r——刀盘转速（rpm）
刀盘转速是一个从0到Rmax的范围值。
通常是连续可调的。
但刀盘的开口率是固定的，一经设计、制造成型就不可更改。
因此，确定刀盘开口率需要预先评估针对隧道地质条件下刀盘的经常工作状态，根据刀盘的常态转速来确定刀盘的开口率。
岩土硬度高、结理发育差的地层，刀盘转速应较大。
相应的，对刀盤开口率要求就小。
这与高硬度岩土开挖效率低，出渣量小的施工形态是对应的。
反之，岩土硬度低、结理发育丰富地层（如全、强风化地层），刀盘转速应较小。
对刀盘开口率要求就大。
例如，我单位施工的莞惠城际轨道交通GZH-6项目隧道地质主要是弱风化混合片麻岩，岩体较硬。
对于这类地层，施工时刀盘常态转速的经验值在1.5～2rpm之间。
据此，计算出开口率的值K在40%～33%范围内。
根据强度优先的
原则，采用辐条+面板的结构形式。
结合刀具的布置等其它因素，刀盘开口率最后结果值是31%。
根据K值范围看，这个结果偏小。
为保证在局部软弱地层中的开挖效率，盾构设计方采用了加大中心区域刀盘开口的方法来提高刀盘的适应性。
即将中心刀（双刃）一线排列，中心部位其余地方留空，将中心1.6m范围内的开口率提高到41%。
二、刃间距
刀盘旋转时，每一个滚刀运动轨迹都是一个以刀盘回转中心为圆心的轨迹圆。
两个相邻轨迹圆之间的距离就是刃间距。
轨迹相邻的两把刀不是物理相邻，而通常是关于圆心对称。
刃间距的确定同样有赖于盾构隧道的岩土性质。
确定合理的刃间距是要实现良好的破岩效率。
既不浪费，也不欠缺。
理想的破岩状态是相邻两轨迹的破碎截面恰好相接。
如下图：
刃间距S的计算式是：
S=2L+T
=2P*tan（a/2）+T
其中：
P——贯入度；
a——岩石破碎角；
T——刃尖宽度。
混合片麻岩的破碎角是160°，17”滚刀的刃尖宽度是20mm。
贯入度P取值为5mm时，计算的刃间距是76.48mm。
公式中，刃间距与贯入度（P）之间是正比关系。
贯入度P并不是一个恒定值，较好的围岩中，贯入度值可能会更大，可以达到10mm/r以上。
而且，围岩不变的情况下，贯入度的值也无法保持恒定。
因此，成正比变动的刃间距值也就难有一个确定值。
而要在刀盘上动态调整刃间距是难以实现的。
目前的刀盘刀具布置还都是固定间距设计。
所以，确定贯入度的取值还是必要的。
三、滚刀数量
从几何意义上讲，滚刀数量与刃间距之间有一个简单的对应关系。
即：滚刀数量=刀盘半径/刃间距+1。
但实际情况并不如此。
这是因为各个轨迹上的刀具的破岩体积是不一样的。
随着切削轨迹半径的增加，对应位置的滚刀切削路径（转动周长）逐次加大。
破岩量也随之加大。
因此，外缘的刀具磨损速度肯定远大于中心区域的刀具。
导致的直接结果是外缘刀具频繁损坏，需停机更换，整体施工效率不高。
解决的思路是缩短外缘刀具的刃间距，增加外缘刀具数量。
如此，刃间距在整个刀盘面上表现出一种不均匀性。
即内圆轨迹均匀分布，而外圈的刃间距逐渐变小。
因此，滚刀的数量就再不是上述关系式的简单计算值，而是比这个计算值要大。
例如我单位承建的莞惠城际轨道交通GZH-6项目使用的两台Φ8830盾构机刀盘直径为8830，按80mm刃间距计算的滚刀数量是56把滚刀（4415/80+1），而厂家设计为54把滚刀，比计算数量少。
显然，厂家对刃间距的设计取值比80mm 要大。
考虑到76.48mm（80mm）刃间距的值是一个下限参考值。
大于这个值也是可以接受的。
但通过对破岩量的对比分析，我们认为，将刀具数量增加到60把更加合理。
因此，要求厂家将刀盘刀具配置调整到60把。
图表-1是两种设计方案的每个滚刀的破岩体积对照图。
从图表-1中可以看出，25#～45#刀具的破岩体积明显减小。
曲线变化趋于柔和，这意味着刀具的磨损不均匀性得到进一步缓解。
图表-1
四、偏心矩
偏心矩是一个力学概念，但可以理解为另一个表征刀具布置均匀性的概念。
掘进时，刀具对前方岩土施加作用。
对应的，也受到一个大小相等，方向相反的反作用力。
这些力因为作用在不同的刀具上，每一个力都有一个相对于刀盘回转中心的力臂，产生力矩。
对称分布的刀具，相互之间能抵消彼此的力矩。
该力矩作用在主轴承上，导致刀盘运转不平稳。
另一方面，会对刀具产生一个侧向力，造成刀刃非正常损坏。
因此，刀具分布应尽可能降低这个偏心矩。
偏心矩计算公式是：
T=SQRT （T x²+Ty²）
其中，a——第i把刀在刀盘上的分布角（象限角）；
θ——刀圈平面与盾构机轴线的夹角；
Fi——第i把刀受岩土的反作用力；
Ri——第i把到的轨迹半径；
n——刀具总数。
仍以上例所举刀盘为例。
根据该计算公式得出优化前后的偏心矩分别为：优化前：T=1853 KNm
优化后：T=100.6 KNm
因此，可以看出，所做优化是有效的。
五、结语
综上所述，刀盘设计需要涉及的内容很繁杂。
既要充分了解针对地层的地质条件，又要有相关的施工经验作为设计依据，更需要耐心地反复调整、验算。
本文只涉及到刀盘设计的某些方面，还有更多机械制造、结构分析等方面的工作要做。
另一方面，使用单位还应在施工生产中详细认真地做好数据采集工作，并从各项数据中分析、总结出更加合理的施工、运行参数，为进一步完善盾构机设计做出有益而坚实的贡献。