基于TRIZ理论提高盾构机刀盘掘进效率

李智凤

(中国铁建重工集团股份有限公司 湖南长沙 410100)

1 引言

盾构机是隧道施工的利器，刀盘则是它的“铁齿铜牙”，承担着掘削岩土的功能。当刀盘扭矩不足、刀盘转速低、刀具强度不足、排渣系统堵塞、地质压力突变时，刀盘掘进效率降低[1－4]。针对这些情况直接采取如提高刀盘扭矩、提高刀盘转速、增加刀具强度、增大排渣速度等_解决方案，都存在驱动装置能力受限、地层压力可能失衡或地质难以预测[5－9]等缺陷，不能从根本上提高刀盘掘进效率。

TRIZ理论是解决发明创造问题的系统性理论，对根本性解决创新问题卓有实效。TRIZ的研究已经遍布各个领域，在工程机械行业很多学者进行了研究[10－15]。但是这些研究一般局限于具体工法、外观造型或局部结构优化等方面，均不是直接面向产品主要功能的系统性研究，更少有学者对盾构机及其部件进行系统性挖掘发明创造的研究。

本文基于TRIZ理论系统性优化刀盘设计，遵循TRIZ解题流程，利用系统功能分析和因果分析方法剖析问题，运用系统组件裁剪、物理矛盾分析、技术矛盾分析、HOW TO功能模型分析、技术系统进化分析等方法，得到了多个概念方案。这些方案经过理想度评估和文献检索分析后，付诸专利申请和实际应用。

2 问题分析

盾构机刀盘系统包括其刀盘体、刀具、排渣口、土舱、空气压缩系统，直接作用对象是岩石、土壤，与之关联的超系统有螺旋输送机、刀盘控制装置、排渣控制装置、皮带机以及空气。刀具工作原理为:刀盘控制装置驱动刀盘体带动安装在上面的刀具旋转，从而切削、破碎岩土，被切削掉落下来的岩土进入土仓，通过螺旋输送机排送至皮带机，再运出隧道外。刀盘破碎完一层岩层，随着推进系统往前推进一步，刀盘再破碎新的岩层。为保证掘进平稳，由压缩空气系统调节空气压力保证地层压力和掘进面压力平衡。

分析技术系统的所有组件和组件间的作用关系，列出如图1所示的组件模型。提高刀盘的掘进效率，要求新的技术系统一是掘进速度要快，二是保持挖掘面压力平衡、不扰动地层。

图1 刀盘组件模型

采用系统组件裁剪方法简化系统。螺旋输送机的排渣控制装置与刀盘控制装置功能相同，对其进行裁剪得出备选方案1:一种联络通道施工装备，刀盘和螺旋输送机共用一套控制装置，减少一套驱动装置及配套设备，能大大降低设备造价和施工成本。

对刀盘掘进效率低的问题进行因果链分析，如图2所示，得到要解决的7个末端原因。

图2 刀盘掘进效率低因果分析

3 解题过程

3.1 针对刀具传递载荷不足的问题

对当前S2刀具对S1岩土的切削作用建立如图3所示的物场，并根据标准解S2.1.2建立双物场模型，得到3种备选方案。

图3 刀具切削岩土作用物场分析

备选方案2:一种具有冷冻功能的常压刀盘，包括若干常压换刀辐臂，若干辅梁，若干常压换刀刀具以及设在常压换刀辐臂内的冷冻管路和隔热管路。

备选方案3:一种搭载微波辅助破岩装置的刀盘，该装置的主要部件高能热力束流发生器安装在刀盘后方，其产生的高能热力束流降低岩石的单轴抗压强度等力学性能，提升掘进效率。

备选方案4:一种高压水射流刀盘，将水射流喷头布置在靠近刀盘回转轴心的滚刀轨迹间，利用磨料水射流切割缝隙，可获得最大协同破碎效果，提高滚刀破岩效率。

3.2 针对刀具分布密度不足的问题

采用物理矛盾分析的方法来解决刀具密度不足的问题，流程如图4所示，得到备选方案5。

图4 通过物理矛盾分析布刀数量

备选方案5:一种可折叠回缩刀盘。根据时间分离原理，设计这种刀盘采用掘进/排渣间歇的方式作业，当掘进破岩时，刀具伸出提高刀具密度；当排渣时，刀具折叠，让出排渣空间。

3.3 针对刀具磨损的问题

采用物场分析的方法来解决刀具磨损的问题。对当前S1岩土对S2刀具的磨损作用建立如图5所示的物场，并根据标准解S1.2.1引入新的物质S3来阻隔或者削弱这种有害作用，得到备选方案6。

图5 刀具磨损物场分析

备选方案6:一种渣土改良高聚物复合试剂。该试剂组分包括高分子聚合物、钠基膨润土、泡沫剂、粘合剂等，盾构机掘进时向挖掘面注入该试剂，降低土体的抗剪强度，改善土体流塑性，减少岩石和刀具的直接接触，降低掘进过程中渣土对刀盘刀具的磨损。

3.4 针对岩土粒度过大的问题

采用技术矛盾分析的方法来解决岩土粒度过大的问题。IF增多刀具数量，THEN破碎的岩石粒度减小(改善参数F7运动物体的体积)，但是增大刀盘功率(恶化参数F21功率)。通过查找矛盾矩阵，得到创新原理:创新原理35—物理或化学参数改变原理；创新原理6—多用性原理；创新原理13—反向作用原理；创新原理18—机械振动原理。选择适用的18号机械振动原理形成备选方案7。

备选方案7:一种振动破岩刀盘。运用机械振动原理，刀具破岩时辅以局部振动，振动频率接近岩土的共振频率，岩土发生微振、产生裂纹源，更易从所在岩层脱离、剥落，破碎粒度更加细小均匀。

3.5 针对岩土流动速度不足的问题

采用HOW TO分析方法来解决岩土流动速度不足的问题，流程如图6所示，形成备选方案8和9。

备选方案8:一种泥浆管道高聚物减阻剂。利用E79 Thoms效应原理，在岩土中添加聚合物减阻剂将管内流动从紊流转变成层流，降低摩擦阻力、减少能耗损失，提高岩土的流动速度。

备选方案9:一种带压力调节装置的螺旋输送机。根据E10伯努利定律:理想流体压力能、动能和势能总和守恒，当螺旋输送机内压力低于某监测值时，该压力调节装置对螺旋输送机加压，从而提高岩土的流动速度。

3.6 针对排渣面积不足的问题

采用技术矛盾分析的方法来解决排渣面积不足的问题。IF增多排渣口，THEN增大排渣面积(改善参数F5运动物体的面积)，BUT降低刀盘强度(恶化参数F14强度)。通过查找矛盾矩阵，得到创新原理:创新原理3—局部质量原理；创新原理15—动态特性原理；创新原理40—复合材料原理；创新原理14—曲面化原理。选择适用的14号曲面化原理形成备选方案10。

备选方案10:一种“W”型刀盘，运用曲面化原理刀盘挖掘面采用W型设计，增加排渣口数量，增加排渣面积，并保证刀盘强度。

3.7 针对换刀速度不足的问题

采用技术系统进化法则来解决换刀速度不足的问题。基于完备性法则:系统不断由不完备向完备发展，逐步减少人的参与，以便提高系统效率，增加自动换刀装置，提高破损刀具换刀速度，形成如下备选方案11。

备选方案11:一种盾构机自动化换刀系统，包括刀盘以及依次设置在刀盘后的换刀仓、换刀机械臂、刀具临时存放装置、刀具输送系统，可以实现盾构机的自动化换刀，换刀人员只需要在安全位置将需要更换的刀具放到刀具输送系统即可，从而可以降低换刀成本、提高换刀效率，保障了换刀人员的生命安全。

3.8 最终理想解分析(IFR，Ideal Final Result)

刀盘掘进系统的最终目标是要破碎岩土，其最终理想解(IFR)可定义为岩土的自我破碎，如通过岩土所在的岩层、空气等资源，使岩土内部压力大于外部压力，实现岩土自我破碎。

这种最理想技术系统，当前虽作为物理实体并不存在，但是指引着隧道施工技术的进化方向。

4 实施应用情况

最终形成的方案如表1所示汇总，按公式:理想度＝有用功能/(有害作用＋成本)计算理想度，其中有用功能权重为40%，有害作用权重为30%，成本权重为30%。

表1 方案汇总与评估

根据产品实际情况，将相关创新点进行专利检索、分析，如表2所示，部分技术方案进行了专利申请。

表2 方案申请专利情况

部分方案也进行了制造实施和工程应用。具有冷冻功能的土压平衡盾构复合刀盘应用于广州地铁18号线和22号线，可回退式刀盘及顶管施工方法应用于重庆铁路枢纽东环线等管线铺设。