基于ANSYS 的地鐵盾構機刀盤擴徑改造與加固設計

楊懸

（上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海200235）

目前我國城市軌道交通正處于高速發(fā)展階段，全國已有三十多個城市建設或規(guī)劃了軌道交通項目，有大量的地鐵隧道需要采用盾構機設備。盾構機作為地鐵隧道施工的重要設備，通常根據(jù)施工隧道地質(zhì)情況“量體裁衣”式研制，具有“專土專用”的特點。而按照某一隧道工程參數(shù)設計制造的盾構機在完成該工程掘進后，通常還剩余相當長的使用壽命，對盾構機進行回收改造再利用可以有效節(jié)約地鐵隧道建設成本。刀盤作為盾構機的核心受力構件，必須保證其結(jié)構強度和開挖能力，其改造設計方案是盾構機改造項目成功與否的關鍵。

上?，F(xiàn)已有20 余條軌道交通線路投入運營，是目前世界范圍內(nèi)線路總長度最長的城市軌道交通系統(tǒng)。自2013 年起，為適應新版《地鐵設計規(guī)范》對地鐵盾構隧道限界的新要求，上海所有采用A 型車的區(qū)間隧道盾構管片結(jié)構內(nèi)徑均由φ5500mm 增大到φ5900mm，外徑均由φ6200mm 增大到φ6600mm。這一重大調(diào)整，使得原來用于舊線路施工的盾構機設備將無法滿足新線軌道交通區(qū)間隧道的施工要求。這種情況下，對盾構機進行擴徑改造具有顯著的工程意義，經(jīng)過比選研究，部分型號的舊盾構機可以擴徑改造至φ6760mm 以滿足新線建設要求。本文以小松φ6340mm 土壓平衡盾構機為研究對象，重點研究其刀盤擴徑改造與加固設計方案，使其成功應用于上海地鐵新線建設。

1 盾構機刀盤擴徑改造方案簡介

小松φ6340mm 盾構機為日本進口的土壓平衡式盾構機，適用于上海地區(qū)淺覆土地鐵隧道掘進施工。其刀盤結(jié)構形式為輻條面板式，盤體直徑φ6330mm，由于原刀盤在經(jīng)過了幾個區(qū)間隧道的掘進施工后已經(jīng)出現(xiàn)了一定的疲勞損壞，而且擴徑后的刀盤將承受更大的載荷，故刀盤的改造包括擴徑改造和結(jié)構加固兩部分：

1.1 擴徑改造：（1）保留主體結(jié)構，在外圈板上沿輻條方向焊接延長結(jié)構，并制作外徑為φ6750mm 新外圈板，結(jié)構形式與原刀盤保持一致；（2）仿形刀安裝位置徑向外移210mm，相關內(nèi)部管路采用硬管接長；（3）刀盤注水口位置保持不變，檢查并修復注水口逆止閥，并為每個注水口位置增加一把保護刀，共4把；（4）為每個標準刀切削軌跡加裝貝殼刀，共28 把；（5）另外增加標準刀12 把以滿足擴徑后掘進切削要求，外圈周邊雙標準刀座相應外移；（6）增加刀盤延伸盤面和圈板外表面堆焊硬質(zhì)合金。

1.2 結(jié)構加固：（1）對已經(jīng)出現(xiàn)疲勞裂紋的扇形輻條根部進行局部加強處理，改變該部位的受力形態(tài)，保護疲勞裂紋區(qū)域，避免裂紋擴散；（2）對全部6 個刀盤支撐牛腿進行加固，通過增加筋板并形成圓滑封閉的腔體，增大牛腿與刀盤輻條的夾角，增大牛腿根部的抗彎強度，改善牛腿根部外側(cè)出現(xiàn)的應力集中情況；（3）在直徑φ4200mm 位置加焊一圈40mm 厚的圈板，增大刀盤的整體剛度和穩(wěn)定；（4）對已經(jīng)出現(xiàn)局部面板塌陷變形的扇形區(qū)內(nèi)部加焊隔筋板，增大扇形區(qū)腔體的強度和剛度。

擴徑并加固改造后的刀盤盤體直徑為φ6750mm，刀盤開口率約為36.5%，改造增重約9.3 噸，改造后的總重約為34.3 噸，最終盤體結(jié)構如圖1 所示。改造前后的刀盤盤體三維模型分別如圖2 和圖3 所示。

圖1 擴徑改造后的刀盤盤體結(jié)構

圖2 原刀盤盤體三維模型

圖3 擴徑改造后的刀盤盤體三維模型

2 土壓平衡盾構機刀盤的受力分析

在對盾構機刀盤進行受力分析時，推力和扭矩是最主要的兩個載荷參數(shù)。土壓平衡盾構機在地下掘進過程中，刀盤的正面、側(cè)面均受到土體壓力，從而對作業(yè)中的刀盤產(chǎn)生摩擦阻力；土壓倉內(nèi)充滿了刀盤開挖下來的碴土，在壓力的作用下會對刀盤的背面產(chǎn)生摩擦阻力；刀盤上的刀具在切削土體時受到地層抗力，從而對刀盤產(chǎn)生摩擦阻力扭矩；刀盤攪拌棒及支撐梁也會受到土壓倉內(nèi)土體的摩擦阻力；密封及主軸承在刀盤旋轉(zhuǎn)過程中也會產(chǎn)生摩擦阻力扭矩。因此，土壓平衡盾構機刀盤扭矩的構成是[1-2]：（1）刀盤正面與土體之間的摩擦阻力扭矩T1；（2）刀盤背面與壓力艙內(nèi)的土體摩擦阻力扭矩T2；（3）刀盤側(cè)面與土體之間的摩擦阻力扭矩T3；（4）刀具切削土體時的地層抗力產(chǎn)生的扭矩T4；（5）刀盤攪拌阻力扭矩T5；（6）刀盤主密封摩擦阻力扭矩T6；（7）主軸承摩擦阻力扭矩T7。

則總的刀盤扭矩可表示為

實際在盾構機的設計中，往往需要采用經(jīng)驗公式對刀盤的扭矩和盾構的推力進行估算。

刀盤扭矩的經(jīng)驗公式[3](kN·m)

式中：α'為扭矩系數(shù)，通常地鐵施工用6m 系列土壓平衡盾構機α'在18～22 左右選取；D1為盾構機開挖直接，單位m。

式中：Pj為單位掘削面積上的經(jīng)驗推力，6m 系列土壓平衡盾構機Pj一般為1000～1300kN。

本文對盾構機刀盤進行強度校核受力分析計算，模擬盾構施工過程中刀盤處于極限狀態(tài)的情況，即盾構刀盤受到前方土層阻力，導致刀盤停轉(zhuǎn)，而刀盤驅(qū)動轉(zhuǎn)矩保持輸出，最大達到6176 kN·m。

3 刀盤盤體結(jié)構有限元分析與加固方案的優(yōu)化

為了驗證刀盤擴徑改造及結(jié)構加固方案的可靠性，利用ANSYS 有限元分析軟件對刀盤進行三維有限元靜力分析，校核刀盤盤體的結(jié)構強度和剛度。根據(jù)工程使用環(huán)境，選取極限工況（脫困扭矩）進行校核計算，對刀盤背部聯(lián)接驅(qū)動的法蘭面進行全約束，對刀盤正面施加0.4 MPa 土壓力和6176kN·m 的扭矩，對改造刀盤盤體進行靜力分析計算。

由于原刀盤結(jié)構的材料為Q235B 鋼，為增加刀盤的強度，擴徑改造采用的新增材料為Q345B 鋼，為保證改造后的刀盤能夠滿足盾構掘進施工要求，必須確保擴徑改造后的刀盤在極限工況下的結(jié)構應力分布合理，新舊結(jié)構的最大應力均應保證在各自材料的許用應力范圍之內(nèi)。為此，在對擴徑刀盤進行ANSYS有限元分析計算的過程中，以刀盤的變形和應力分布情況作為校核標準，通過不斷調(diào)整加固方案，修改模型重新計算并對比分析結(jié)果，最終確定了擴徑刀盤的結(jié)構加固改造方案。具體過程及結(jié)果如表1 所示。

表1 中，方案A 為擴徑刀盤不進行結(jié)構加固的情況，其分析結(jié)果的如圖4-圖6 所示；方案D 為經(jīng)過不斷調(diào)整結(jié)構加固方案得到的優(yōu)化方案，其分析結(jié)果如圖7-圖9 所示。對比擴徑刀盤結(jié)構加固方案的優(yōu)化過程和分析結(jié)果可知，在對刀盤進行結(jié)構加固以前，刀盤的整體剛度不佳，在極限工況下的最大變形達到了6.43mm，同時，扇形輻條與主輻條根部連接位置的應力達到了319.6MPa，大大超出了Q235 材料的許用應力值，并表現(xiàn)為根部接觸位置的應力集中，這一分析結(jié)果也與刀盤在使用一段時間后在該位置出現(xiàn)疲勞裂紋的實際情況相符。為解決這一問題，設計時考慮用加焊25mm 厚弧形小筋板的方式對該區(qū)域進行了加固保護，傳導應力的同時也形成了局部穩(wěn)定三角形結(jié)構，避免了裂紋的擴散。同時，為解決支撐牛腿與主輻條連接部位出現(xiàn)的應力集中問題，采用增加梯形加強筋板的方式對該部位進行了加固，考慮到增加背部筋板對刀盤背面與壓力艙內(nèi)的土體摩擦阻力扭矩T2 的影響，對筋板進行了倒圓和密封成腔體的操作，同時優(yōu)化了加強結(jié)構的形狀尺寸，使其在能滿足結(jié)構加強要求的同時盡量減小對T2 的影響。另外，為了增加刀盤的整體剛度和穩(wěn)定，經(jīng)過不斷優(yōu)化調(diào)整，在直徑φ4200mm 位置加焊一圈40mm 厚的圈板。從最終優(yōu)化加固方案的分析結(jié)果可以看出，加固后的擴徑刀盤在剛度和強度上都得到了合理的加強，整體最大變形減小到了4.00mm，刀盤Q235 舊結(jié)構的最大應力減小到了158.6MPa,改造新增Q345B 材料的最大應力也控制在229.8 MPa，刀盤整體結(jié)構強度滿足要求。

表1 擴徑刀盤加固改造方案優(yōu)化過程及靜力分析結(jié)果

圖4 不加固擴徑刀盤的位移云圖

圖5 不加固擴徑刀盤的應力云圖

圖6 不加固擴徑刀盤的最大應力部位局部放大

圖7 擴徑刀盤加固后的位移云圖

圖9 擴徑刀盤加固后的最大應力部位局部放大

4 擴徑改造盾構機刀盤的應用情況

經(jīng)過對小松φ6340mm 盾構機刀盤進行擴徑改造和加固設計后，結(jié)合新制的盾體結(jié)構，可在保留原有螺旋機、拼裝機、刀盤驅(qū)動、推進系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)及車架等主要部件的基礎上重新裝配形成新的φ6760mm 盾構機。刀盤改造設計方案滿足了多臺小松盾構機的擴徑改造需求，擴徑改造后的盾構機已成功應用于上海地鐵9 號線三期、14 號線、15 號線、17 號線、18 號線等多條軌道交通線路的區(qū)間盾構隧道施工中，避免了舊盾構機的閑置和浪費，有效節(jié)約了工程建設成本。

5 結(jié)論

隨著我國城市軌道交通工程建設的發(fā)展，盾構機的需求量不斷增加，雖然我國盾構機裝備制造技術已取得較好的發(fā)展，并已逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化生產(chǎn)和自主創(chuàng)新研發(fā)，但舊盾構機的更新改造技術同樣值得關注。本文對小松φ6340mm 盾構機刀盤的擴徑改造和加固設計，使其滿足上海地鐵軌道交通線路φ6760mm 盾構隧道的施工要求，從而使原本面臨報廢的舊盾構機得以回收再利用，繼續(xù)服務于地鐵建設，合理延續(xù)其剩余使用壽命，并有效節(jié)約工程成本，是一次比較成功的探索和實踐，可為同類型的盾構機改造與應用提供借鑒和參考。