全断面岩石隧道掘进机(TBM)是一种用于开挖地下通道的复杂机电液一体化工程机械，技术附加值高^[1].目前，我国大型TBM的设计能力薄弱，核心技术有较多空白.

很多学者在刀盘设计领域进行了大量的研究，在滚刀刀间距设计方面，Teale^[2]早在1965年就提出了比能的概念.1977至1979年间，Ozdemir等^[3]通过滚刀破岩实验发现刀间距与比能的关系.Snowdon等^{[4, 5]},Sanio^[6]，Gertsch等^[7]在此基础上定义了最优刀间距.

盘体结构设计包括盘体剖分形式设计、人孔布置、支撑筋布置、刀盘主结构参数设计以及出渣槽布置等方面内容^[4].刀盘布局是优化刀盘设计和掘进机性能的最重要的因素^[8].

出碴槽的作用是使刀盘能够及时有效地将破碎的碴土从掌子面和刀盘之间排出.如果出碴槽设计不合理，将导致岩碴堆积在刀盘盘面，造成刀盘盘面的磨损，甚至会致使滚刀非正常受力，从而导致滚刀损坏.鉴于刀盘空间有限，出碴槽的设计一般应优先考虑^[9].现有的TBM刀盘一般采用有利于降低刀盘旋转过程中的不平衡力矩与振动的对称式出碴槽布置方法^[10].

目前鲜有关于TBM出碴槽布置设计方面的研究资料.本文采用PFC3D离散元软件，以出槽数量，开口长度、宽度为设计变量，对不同出碴槽结构形式的刀盘进行出碴过程仿真分析，试图得到最优的出碴槽布置方法，总体研究思路如图 1所示.

图 1(Figure 1)

Fig. 1

图 1 总体研究思路 Fig. 1 The general research ideas

碴土的流动性主要从出碴效率和出碴的稳定性两方面来进行评价.仿真过程中，以刀盘与掌子面之间的颗粒N₁代表刀盘破碎岩碴的体积，以刀盘内部的颗粒数量N₂代表经由出碴槽进入刀盘内部的岩碴体积(出碴稳定性)，以从出碴口排出的颗粒数量N₃代表通过出碴口排出的岩碴体积(出碴效率).

本节研究不同出碴槽结构对TBM掘进过程中岩碴流动性的影响.本文用于仿真的TBM刀盘直径为5 550 mm，出碴槽总开口面积为3 m².根据表 1中所述设计参数建立相应的三维模型如图 2所示.

表 1

Table 1

表 1(Table 1)

表 1 不同出碴槽设计方案参数 Table 1 Parameters of different mucking slot design 方案 数量/个 长度/mm 开口宽度/mm 方案1 6 1 000 500 方案2 6 1 250 400 方案3 8 750 500 方案4 8 938 400

表 1 不同出碴槽设计方案参数 Table 1 Parameters of different mucking slot design

图 2(Figure 2)

Fig. 2

图 2 4种出碴槽设计方案 Fig. 2 Four kinds of mucking slot design (a)—方案1； (b)—方案2； (c)—方案3； (d)—方案4.

经过仿真计算，得到不同方案排出颗粒数量变化曲线如图 3所示.通过直线拟合图 3中4条曲线，得出4种方案的斜率为：方案1(k1=16.164)，方案2(k2=15.132)，方案3(k3=16.017)，方案4(k4=14.253).由以上结果可知：方案1,3的出碴效率明显高于方案2,4，因此，出碴槽的宽度应根据掘进岩体的特性选取以保证岩碴顺利排出，而出碴槽的长度越长则越有利于出碴.但是在出碴槽总面积一定的条件下，出碴槽数量越多反而会减小每个出碴槽的面积、降低出碴效率.

图 3(Figure 3)

Fig. 3

图 3 4种方案仿真计算结果 Fig. 3 Simulation results of the four plans

基于以上结论，考虑采用长、短出碴槽结合的方式来布置.提出的两种改进方案如表 2所示，改进方案的三维模型见图 4.

表 2

Table 2

表 2(Table 2)

表 2 改进方案A，B的参数 Table 1 Parameters of the improved plan A and B 方案 短出碴槽长度/mm 长出碴槽长度/mm 方案A 500×2 1 250×4 方案B 650×4 1 700×2

表 2 改进方案A，B的参数 Table 2 Parameters of the improved plan A and B

图 4(Figure 4)

Fig. 4

图 4 两种改进方案 Fig. 4 Two improved plans (a)—方案A； (b)—方案B.

以同样的方式进行仿真计算，所得结果如图 5所示.

图 5(Figure 5)

Fig. 5

图 5 改进方案的仿真结果 Fig. 5 Simulation results of the improved plans (a)—排出颗粒数量； (b)—盘内颗粒数量.

可以看出，改进的方案A，B的出碴效率均高于方案1，方案B(k_B=16.407)出碴效率稍高于方案A(k_A=16.197)，但是，方案A的N₃波动较小(方案A中S_A²=2 329，方案B中的N₃平方差S_B²=2 477)，方案A的出碴过程更加稳定.

根据已有的仿真数据，可以发现，采用长、短出碴槽交替布置的出碴槽设计方式有利于提高刀盘的出碴效率，但应该避免由相邻的出碴槽的开口面积差异过大而引起的刀盘的出碴不稳定.因此，适度减小方案B的长出碴口的开口宽度，增大短出碴口的开口宽度，以平衡长、短出碴口的刮碴能力.由此制定的改进方案C的参数为:长出碴槽×2,长度1 700 mm，宽度423 mm；短出碴槽×4,长度650 mm，宽度600 mm.模型如图 6所示.

图 6(Figure 6)

Fig. 6

图 6 改进方案C Fig. 6 Improved plan C

由图 7中的结果可以发现：方案C(k_C=16.284)出碴效率比方案B(k_B=16.407)仅低0.007%，但出碴过程稳定性提高16.67%(方案C中S_C²=2 064)，有利于TBM出碴系统稳定高效地排出岩碴.

图 7(Figure 7)

Fig. 7

图 7 改进方案B,C的结果 Fig. 7 Simulation results of the improved plans B and C (a)—排出颗粒数量； (b)—刀盘内颗粒数量.

综合上述分析，提出了以下出碴槽设计规则：

1) 在出碴槽开口面积相同的前提下，尽可能采用对称式布置；

2) 在出碴槽开口面积相同的前提下，尽可能使用长、短出碴槽交替布置的方式；

3) 在出碴槽开口面积相同的前提下，适当减小长出碴槽的开口宽度以提高出碴过程的稳定性.

按照本文提出的出碴槽的设计规则，优化后的结构尺寸如表 3所示.图 8为优化前后刀盘的出碴槽布置方法，所得结果如图 9所示.

表 3

Table 3

表 3(Table 3)

表 3 原始方案与优化方案出碴槽设计参数 Table 1 Parameters of the original and improved plans 出碴槽 原方案长、宽/mm 改进方案长、宽/mm 1 2 483/650 2 400/500 2 545/650 900/722 3 2 026/650 900/722 4 2 023/650 2 400/500 5 910/650 900/722 6 1 510/650 900/722

表 3 原始方案与优化方案出碴槽设计参数 Table 3 Parameters of the original and improved plans

图 8(Figure 8)

Fig. 8

图 8 出碴槽优化前后 Fig. 8 Mucking slot model before and after optimization (a)—优化前； (b)—优化后.

图 9(Figure 9)

Fig. 9

图 9 原始方案与优化方案结果比较 Fig. 9 Comparison of the simulation results betweenthe original and improved plan (a)— 排出颗粒数量； (b)—刀盘内部颗粒数量.

在图 9a中，通过线性拟合得到排出颗粒曲线，原始方案和改进方案的斜率分别为k=22.46和 k’=25.848，改进方案出碴效率提高15.08%.此外，在前50 s内，原始方案的生成颗粒数量大于其排出颗粒数量，出碴过程不稳定；而改进方案仅在开始的10 s内排出颗粒的数量略小于生成的颗粒数量，而后很快排出的颗粒数量便超过了生成的颗粒数量，说明改进方案出碴效果更好.而由图 9b可知，原始方案的方差为3 175而优化方案的方差则为2 795，出碴稳定性提高了11.97%.以上结果证明了本文提出的出碴槽优化规则是合理的.

1) 出碴槽总面积一定的条件下，不同出碴槽结构对TBM刀盘出碴效率和出碴稳定性影响较大：出碴槽的宽度应能够保证碴土的顺利排出，出碴槽长度越长越利于排碴；长短结合的出碴槽设计能有效提高出碴效率，但是如果面积差过大则会导致稳定性下降.

2) 在开口面积一定的情况下，为满足刀盘的出碴效率和出碴稳定性，在保证对称式布置的基础上尽可能采用长、短交替的出碴槽布置方法，并且适当减小长出碴槽的开口宽度.

3) 以“引洮”工程为例验证了本文提出的刀盘出碴槽结构设计方法的合理性和有效性：出碴效率和出碴稳定性分别提高了15%和12%左右.