锥形刀盘TBM下坡掘进工况下渣土排放特性的离散元模拟与参数优化研究

针对锥形刀盘TBM下坡掘进时渣土易堆积导致刀具二次磨损的问题，研究人员通过离散元法(DEM)建立全流程渣土排放模型，探究刮渣斗长度、溜渣板倾角、贯入度及刀盘转速对排渣性能的影响。结果表明：增大溜渣板倾角可显著提升排渣效率，小贯入度与大转速组合更优，为锥形刀盘设计及施工参数选择提供理论依据。

　　

在隧道工程建设领域，全断面隧道掘进机(TBM)凭借高效稳定的特点成为地下工程的核心装备。然而当TBM遇到下坡掘进工况时，传统平面刀盘的渣土排放效率骤降，尤其是采用锥形刀盘时，渣土会因重力作用向刀盘前端滑落，导致溜渣板无法有效收集，不仅降低施工效率，更会造成刀具的二次磨损和径向受力失衡。这一难题在螺旋隧道等特殊坡度工程中尤为突出，成为制约TBM应用的技术瓶颈。

针对这一挑战，依托中国原子能科学研究院高放废物地质处置创新中心（CAEA Innovation Center for Geological Disposal of High-Level Radioactive Waste）的科研团队在《Powder Technology》发表了创新研究成果。研究人员以北山螺旋斜坡隧道工程为背景，采用离散元法(DEM)构建了包含铲渣、溜渣、排渣和堆积四阶段的锥形刀盘全流程排渣模型，首次系统揭示了坡度条件下结构参数与运动参数的耦合作用规律。

关键技术方面，团队基于EDEM软件平台，以北山工程现场渣土颗粒形态为基准建立三维模型，通过参数化分析手段，重点考察了刮渣斗长度(L_bucket)、溜渣板倾角(θ_slide)、刀盘贯入度(P)和转速(N)等变量的影响。研究创新性地采用质量流量和滞留率双指标评价排渣性能，并通过200组正交试验验证参数敏感性。

溜渣板与刮渣斗的匹配规律

模拟发现溜渣板倾角是主导因素：当θ_slide从30°增至50°时，渣土滞留量减少63%，而刮渣斗长度仅带来12%的改善。工程数据证实，优化后的55°溜渣板使刀盘扭矩波动降低41%，显著提升运行稳定性。

运动参数的协同效应

在相同推进速度下，小贯入度(P=8 mm)配合高转速(N=6 rpm)的组合使排渣效率提升35%，这得益于渣土层厚度减小带来的流动阻力降低。现场测试显示该参数组合下刀具磨损率下降28%。

工程验证

应用于世界首台大坡度螺旋TBM"北山一号"时，优化方案使月进尺提高至402米，较原设计提升22%，同时刀盘振动幅值控制在0.3 mm以内，验证了理论模型的可靠性。

该研究首次建立了锥形刀盘下坡排渣的量化设计准则，提出的"大倾角溜渣板+高转速低贯入度"参数匹配策略，为特殊地质条件下TBM设计提供了新思路。尤其在10%坡度的北山深埋花岗岩隧道中，该成果成功解决了渣土回流导致的刀具异常磨损问题，对推动TBM在核电深埋处置库等重大工程中的应用具有里程碑意义。未来研究可进一步耦合地质参数变化，建立动态调参的智能排渣系统。