復(fù)合型土壓平衡盾構(gòu)刀盤設(shè)計與結(jié)構(gòu)有限元分析

趙才

摘 要：為設(shè)計滿足于實際施工需要的盾構(gòu)機(jī)刀盤，通過地質(zhì)勘測報告得到掘進(jìn)地層的特點，論述了刀盤的框架結(jié)構(gòu)、刀具的配置以及泡沫注入口的設(shè)計，建立了刀盤主體結(jié)構(gòu)有限元分析模型，分析了刀盤在受均勻荷載與偏載的條件下的受力特性，得到了刀盤在兩種工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律。分析結(jié)果表明：在兩種不同載荷工況下刀盤的最大等效應(yīng)力和最大位移變形量分別為108MPa， 171MPa及1.4mm， 3.2mm。刀盤受到最大的等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，而且兩種情況下的變形量較刀盤直徑均很小，設(shè)計滿足刀盤實際施工的強(qiáng)度與剛度要求。

關(guān)鍵詞：土壓平衡盾構(gòu)；刀盤；有限元分析；結(jié)構(gòu)分析

中圖分類號：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）08-0104-03

盾構(gòu)機(jī)的刀盤是隧道掘進(jìn)的關(guān)鍵部件，它在施工中主要用來破碎剝離巖土和支護(hù)隧道開挖面及攪拌渣土等。盾構(gòu)刀盤在掘進(jìn)過程中會遇到各種不同的地質(zhì)情況，從軟土、黏土、軟巖到風(fēng)化層硬巖，不同的地質(zhì)的物理參數(shù)區(qū)別很大，刀盤的工作環(huán)境及其惡劣，刀盤承受的隨機(jī)突變載荷變化很大，這些都對盾構(gòu)刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了較為嚴(yán)格的要求，因此刀盤性能的好壞將直接影響盾構(gòu)機(jī)的工作效率。此外，刀盤的設(shè)計質(zhì)量決定了隧道成洞的質(zhì)量，如果刀盤剛度不夠或刀盤上刀具布置不合理，將導(dǎo)致盤面受力不均，出現(xiàn)偏斜，這就需要糾偏機(jī)構(gòu)不斷地進(jìn)行調(diào)整，不僅影響了成洞質(zhì)量，還降低了開挖效率。因此，有必要在刀盤設(shè)計階段對刀盤性能進(jìn)行預(yù)評估。

劉志杰、陳饋等[1-3]根據(jù)施工實際條件，從刀盤的盤形、刀具類型入手，通過分析刀具破巖機(jī)制和刀盤切削參數(shù)對刀盤刀具的布局進(jìn)行了分析和總結(jié)；呂強(qiáng)、朱合華等人[4-5]通過制造等比例的小型化刀盤，進(jìn)行土箱實驗對刀盤掘進(jìn)過程進(jìn)行模擬，得到了較好的實驗結(jié)果。

有限元分析方法的出現(xiàn)為大結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變分析提供了一種較好的方法，有限元分析與實際實驗相比，具有代價小、分析時間短、方便更改設(shè)計參數(shù)等優(yōu)勢，因此被廣泛用于結(jié)構(gòu)設(shè)計分析。周奇才、夏毅敏、曾曉星等人[6-8]運用有限元分析法建立三維刀盤模型，分析了刀盤在極限載荷情況下的受力及變形情況，取得了理想的分析效果。

目前，盾構(gòu)刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計已成為盾構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)之一，本文從刀盤的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計、刀具的配置以及泡沫、膨潤土注入口的設(shè)計入手，對刀盤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行分析，為刀盤在實際施工過程中的應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)，具有較好的實際工程應(yīng)用價值。

1 盾構(gòu)刀盤的設(shè)計特點

根據(jù)地質(zhì)勘察巖土工程單位對深圳市城市軌道交通在建的地鐵2號線東延線提供的勘察報告可知，該隧道洞身范圍地層情況較復(fù)雜，地層為上軟下硬，主要穿越全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化及中風(fēng)化凝灰?guī)r，局部為粉質(zhì)粘土及微風(fēng)化凝灰?guī)r；中風(fēng)化凝灰?guī)r單軸極限抗壓強(qiáng)度值<49MPa，微風(fēng)化極限抗壓強(qiáng)度值<59MPa。因此，根據(jù)施工需求，刀盤的直徑設(shè)計為，隧道管片外徑為，內(nèi)徑為。

1.1 刀盤的結(jié)構(gòu)分析

土壓平衡盾構(gòu)刀盤主要有兩種結(jié)構(gòu)形式：面板式和輻條式，結(jié)構(gòu)如圖1所示；輻條式刀盤對單一軟土地層具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，掘進(jìn)速度較快，而對于面板式刀盤可以通過設(shè)計刀盤的開口限制進(jìn)入土艙的卵石粒徑，通過安裝滾刀刀具可以應(yīng)用于開挖包含巖石地層的盾構(gòu)隧道，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在復(fù)雜的復(fù)合地質(zhì)條件下，由于開挖地層的不穩(wěn)定性，刀盤往往對開挖面起著重要的支撐作用，刀盤不僅要承受很大的推進(jìn)力和扭矩，還要受很大的整機(jī)振動沖擊，為了保證刀盤具有足夠的強(qiáng)度和剛度，一般情況下刀盤的形式都采用面板式箱形結(jié)構(gòu)，從現(xiàn)有的施工經(jīng)驗來看，面板式刀盤結(jié)構(gòu)雖然能夠保證刀盤的強(qiáng)度和剛度，但沒有完全考慮到刀盤整體受力特點和土體的流動性，這樣會導(dǎo)致阻力增大、出土不暢、開挖面壓力控制不穩(wěn)定，不利于控制地面沉降，從而導(dǎo)致切削效率較低。而復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的刀盤采用的設(shè)計是先進(jìn)的主副梁結(jié)構(gòu)設(shè)計，盤體結(jié)構(gòu)簡潔，刀盤開口率合適，刀架輕巧，刀具布置合理，刀盤盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計充分考慮到土體的流動方向。

1.2 刀盤刀具配置與布置方式

刀具安裝在刀盤正面，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，通過刀盤旋轉(zhuǎn)與盾體向前推進(jìn)帶動刀具完成對前方巖土的切削任務(wù)，刀盤刀具如何配置及其布置方式是土壓平衡盾構(gòu)設(shè)計與研究的一個重要方向。復(fù)合式刀盤的顯著特點就是多元化的刀具配置和合理的刀具分布方式，通過合理的選用刀具類型及分布位置，從而提高盾構(gòu)掘進(jìn)過程對地質(zhì)層的適應(yīng)性和掘進(jìn)功效，而且降低對刀具的磨損。針對深圳地鐵本標(biāo)段上軟下硬地質(zhì)條件的特點，設(shè)計的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)刀盤刀具配置如表1所示。

此外，刀盤的注入口設(shè)計采用5個泡沫注入孔與2個徑向注水孔相結(jié)合的方式，通過刀盤上布置的注入口加注膨潤土或泥漿，用以改良土體，達(dá)到了提高渣土流動性、改善土體切削性能及降低刀具磨損的目的，同時也拓寬了土壓平衡盾構(gòu)的地質(zhì)適應(yīng)范圍。

2 刀盤模型的建立

按照盾構(gòu)刀盤設(shè)計尺寸，首先在三維建模軟件Solid works中建立刀盤的實體模型，為了保證分析計算的可行性及分析的效率，因此在導(dǎo)入Ansys中建立物理模型前，將實體建模中的刀具等進(jìn)行了簡化刪除，這樣不僅降低了有限元模型網(wǎng)格劃分的難度以及復(fù)雜程度，而且加快了計算的分析速度[9-10]。劃分網(wǎng)格要選擇合適的劃分密度，如果網(wǎng)格過密，需要很大的計算運行速度，分析時間較長，而過疏的密度則會導(dǎo)致分析結(jié)果的不精確，本文采用的是自由劃分形式。本文中設(shè)計的刀盤直徑為，選用材料為Q345B，材料的屈服極限為345MPa，彈性模量取GPa，泊松比取。刀盤共劃分了51690個單元，64284個節(jié)點。

3 刀盤結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

有限元法的思想就是把連續(xù)的幾何體離散成有限個單元，并在每一個單元中設(shè)定有限個節(jié)點，從而將連續(xù)體看作僅在節(jié)點處相連接的一組單元的集合體，單元集合體代替原來連續(xù)體，又在節(jié)點上引進(jìn)等效力代替實際作用于單元的外力。有限元的分析的一般流程如圖3所示。

刀盤在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中主要是自身的回轉(zhuǎn)運動和軸向的推進(jìn)運動，由于轉(zhuǎn)動速度和推進(jìn)速度都比較慢，因此可以近似地采用靜態(tài)分析來對盾構(gòu)刀盤進(jìn)行應(yīng)力分析，主要在刀盤上施加推進(jìn)力與扭矩。

圖4是刀盤在均衡受力條件下得到的應(yīng)力場與位移場，根據(jù)有限元分析結(jié)果可以看到，在均衡受力條件下，圖4（a）中刀盤結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為108MPa，刀盤絕大部分區(qū)域的等效應(yīng)力小于50MPa，而刀盤設(shè)計所用材料為Q345B，該材料的最大屈服強(qiáng)度為345MPa，因此刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足強(qiáng)度要求。從圖4（b）中可以看到刀盤結(jié)構(gòu)最大綜合位移變形量為1.4mm，與刀盤的設(shè)計直徑相比變形量很小，約為直徑的0.224‰，該變形量在設(shè)計允許的范圍內(nèi)。綜上因此該刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足要求。

圖5是刀盤在均衡受力條件下得到的應(yīng)力場與位移場，根據(jù)有限元分析結(jié)果可以分析，刀盤在1/3偏載條件下（下部1/3區(qū)域施加5750kN，上部區(qū)域施加5000kN，扭矩5500kN.m），可以看到圖5（a）中刀盤結(jié)構(gòu)的最大等效應(yīng)力為171MPa及刀盤絕大部分區(qū)域的等效應(yīng)力小于100Mpa，相比刀盤設(shè)計所用材料為Q345B的最大屈服強(qiáng)度應(yīng)力為345MPa，在1/3偏載條件下刀盤的等效應(yīng)力只有材料最大屈服強(qiáng)度的一半左右，因此，在1/3偏載的條件下該刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足強(qiáng)度要求。從圖5（b）中可以看到由扭矩產(chǎn)生的最大綜合位移變形量為3.2mm，該變形量約為直徑的0.51‰，該變形量相較于直徑顯得很小，變形量在設(shè)計允許的范圍內(nèi)。因此該刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足要求。

綜上，在兩種不同載荷條件下刀盤的最大等效應(yīng)力和最大位移變形量分別為108MPa，171MPa及1.4mm，3.2mm，刀盤受到最大的等效應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，而且兩種情況下的變形量較刀盤直徑均很小，因此滿足刀盤設(shè)計的強(qiáng)度與剛度要求。

4 結(jié)語

（1）根據(jù)地質(zhì)勘察數(shù)據(jù)報告為刀盤的框架結(jié)構(gòu)設(shè)計、刀具的配置以及泡沫、膨潤土注入口的分布提供了較全面的優(yōu)化設(shè)計指導(dǎo)，為設(shè)計滿足實際工程需要的刀盤結(jié)構(gòu)提供了較好的基礎(chǔ)。（2）采用Solidworks和Ansys對刀盤在均勻荷載與有偏載的工況下的受力特性進(jìn)行了分析，得出了刀盤在兩種工況下的應(yīng)力應(yīng)變分布規(guī)律，在兩種工況下刀盤所受的結(jié)構(gòu)應(yīng)力均在設(shè)計采用的Q345B鋼允許的范圍內(nèi)，且最大綜合位移變形量相對刀盤直徑相對很小，分析的結(jié)果均滿足工程實際需求，為刀盤進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計提供了依據(jù)。

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