一種EPB&TBM雙模盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及有限元分析

劉偉，羅鴻，羅懷錢

（中鐵工程服務(wù)有限公司，四川 成都 610082）

深圳、廣州等華南地區(qū)地質(zhì)復(fù)雜多變，經(jīng)常出現(xiàn)軟硬不均的復(fù)合地層，且往往伴隨孤石、結(jié)泥餅、磨損和上軟下硬等一系列工程重難點(diǎn)問(wèn)題。由于不同地層的水文和力學(xué)特征具有顯著差異，單一模式盾構(gòu)機(jī)已難以滿足工程施工。目前，已逐步推廣雙模盾構(gòu)機(jī)，可根據(jù)不同的工程地質(zhì)和水文條件進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。本文詳細(xì)介紹了一種適用于EPB和TBM兩種模式的盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并對(duì)刀盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度進(jìn)行有限元分析。

1 工程概況

深圳地鐵某區(qū)間全長(zhǎng)2104.597m。線間距10.0～32.5m，最大縱坡為29.5‰，隧道覆土約15.0～44.61m。

區(qū)間地質(zhì)為強(qiáng)、中和微風(fēng)化角巖層，微風(fēng)化角巖天然單軸抗壓強(qiáng)度最大值為165MPa，平均值為103MPa；中風(fēng)化角巖飽和單軸抗壓強(qiáng)度最大值為135MPa，平均值為92MPa。區(qū)間采用EPB&TBM雙模盾構(gòu)法施工，以EPB模式始發(fā)，進(jìn)入全端面微風(fēng)化角巖約20m后轉(zhuǎn)換為TBM模式，適應(yīng)于硬巖地層掘進(jìn)（圖1）。

圖1 地質(zhì)斷面圖

2 刀盤結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

2.1 刀具布置

對(duì)于硬巖復(fù)合地層地質(zhì)，重點(diǎn)考慮刀具破巖能力和貫入度，選用滾刀和切刀進(jìn)行布置。滾刀具有先導(dǎo)破巖的作用，切刀的主要作用將渣土刮進(jìn)開口。

刀盤開挖直徑為Φ6990mm，共設(shè)計(jì)49條滾刀軌跡線，為了有效保證開挖直徑，在最外軌跡線路布置2把邊滾刀，可減少邊滾刀換刀次數(shù)。超出前盾直徑邊滾刀設(shè)計(jì)3把，可減少卡盾概率，增強(qiáng)刀盤保徑能力。刀間距越小，裂紋貫通越容易，破巖的能力越好。中心滾刀運(yùn)動(dòng)線速度低，渣土流動(dòng)性差，選用12把17寸雙聯(lián)滾刀，刀間距為90mm；正面滾刀選用26把19寸正面滾刀，刀間距為75mm；外周選用12把19寸邊滾刀。19寸滾刀承載力為30T，滿足硬巖下大推力的掘進(jìn)需求，滾刀在六主梁上進(jìn)行均勻布置。滾刀安裝高度160mm，刮刀安裝高度115mm，滾刀于刮刀之間的高度差為45mm。滾刀與刮刀的布置層次不同，一方面，能夠發(fā)揮滾刀破巖的先導(dǎo)作用；另一方面，保護(hù)了刮刀，延長(zhǎng)了其使用壽命（圖2）。

圖2 滾刀軌跡布置圖

2.2 刀盤鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在EPB模式下，雙模刀盤需要有合適的開口率；在TBM模式下，雙模刀盤必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度。本區(qū)間以TBM模式為主、EPB為輔，為達(dá)到刀盤在TBM掘進(jìn)時(shí)一定的剛度和強(qiáng)度，犧牲一定的開口率，開口率設(shè)計(jì)為28%。刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為6輻條+6輔梁重型結(jié)構(gòu)，主輻條根據(jù)刀箱的布置進(jìn)行輻條鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主輻條與刀箱單邊留出2mm間隙；刀盤大圓環(huán)板厚設(shè)計(jì)為120mm，保證各主梁間外圍結(jié)構(gòu)的連接；內(nèi)部圈梁為3層厚板疊加，用于安裝刀盤扭腿；刀盤面板上均勻布置6根輔梁，輔梁上左右兩側(cè)安裝邊刮刀和刮刀。為了提高刀盤在復(fù)合地層下的耐磨性，保證刀盤在巖層內(nèi)進(jìn)行長(zhǎng)距離掘進(jìn)，在刀盤面板及周圍易磨損處，覆蓋耐磨鋼板，在刀盤大圓環(huán)加焊整圈耐磨合金塊進(jìn)行防護(hù)（圖3和表1）。

表1 刀盤主要技術(shù)參數(shù)

圖3 雙模刀盤示意圖

2.3 EPB模式針對(duì)性設(shè)計(jì)

EPB模式下，刀盤處于低轉(zhuǎn)速、高扭矩模式。對(duì)于軟土和軟巖地層，巖石容易軟化而導(dǎo)致黏性增加，進(jìn)而在刀盤處相互黏結(jié)形成泥餅。故對(duì)于較軟地層，需充分考慮渣土改良。刀盤設(shè)計(jì)8路渣土改良通道，單管單泵，通過(guò)注入泡沫和膨潤(rùn)土，改善渣土的和易性，降低固結(jié)泥餅危險(xiǎn)；刀盤背部設(shè)計(jì)3根可拆卸攪拌棒，在同一軌跡均勻布置，與前盾被動(dòng)攪拌棒間錯(cuò)布置，充分?jǐn)嚢柙粒坏侗P中心設(shè)計(jì)L形梁與中心回轉(zhuǎn)體進(jìn)行連接，內(nèi)部布置液壓和流體管路（圖4～圖6）。

圖4 渣土改良示意圖

圖5 攪拌棒示意圖

圖6 L梁示意圖

2.4 TBM模式針對(duì)性設(shè)計(jì)

TBM模式下刀盤處于高轉(zhuǎn)速、小扭矩模式。針對(duì)硬巖地層，設(shè)計(jì)為中心螺機(jī)出渣。均勻設(shè)計(jì)6個(gè)導(dǎo)料板，通過(guò)刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)，循環(huán)收集渣土，將底部渣土通過(guò)導(dǎo)料板循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)，從上方流入中心固定的溜渣槽，最后落入螺機(jī)接料斗，通過(guò)螺旋輸送機(jī)向外運(yùn)渣（圖7）。

圖7 L梁示意圖

導(dǎo)料板采用焊接方式均勻布置在副輻條上和六個(gè)扭腿組焊，將土倉(cāng)內(nèi)部分割成6個(gè)獨(dú)立的空間，導(dǎo)料板頂部布置鏟刀（圖8）。

圖8 導(dǎo)料板示意圖

中心溜渣槽和螺機(jī)接料斗為分塊結(jié)構(gòu)，通過(guò)端部法蘭與主驅(qū)動(dòng)中心隔板進(jìn)行連接（圖9）。

圖9 中心溜渣槽和螺機(jī)接料斗示意圖

3 模式轉(zhuǎn)換流程

EPB模式轉(zhuǎn)換TBM模式：由于TBM模式不需渣土改良，故需拆除攪拌棒、L梁和中心回轉(zhuǎn)體。并在刀盤內(nèi)焊接導(dǎo)料板和安裝溜渣槽（圖10a）。

由于土倉(cāng)內(nèi)空間有限，且對(duì)焊接工藝要求高，故此工序消耗時(shí)間長(zhǎng)。

TBM模式轉(zhuǎn)換EPB模式：割除導(dǎo)料板和取下溜渣槽，再回裝渣土改良配置設(shè)備（圖10b）。

圖10

在一個(gè)區(qū)間如果地質(zhì)變化過(guò)于頻繁，需要經(jīng)常轉(zhuǎn)換模式，模式轉(zhuǎn)換過(guò)多一定程度上影響施工效率。

4 刀盤結(jié)構(gòu)有限元分析

刀盤在盾構(gòu)機(jī)施工過(guò)程中主要運(yùn)動(dòng)為自身的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和掘進(jìn)方向的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。由于刀盤轉(zhuǎn)速和推進(jìn)速度相對(duì)較低，故可對(duì)刀盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜應(yīng)力分析。

4.1 建立刀盤有限元模型

主要對(duì)刀盤鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行有限元分析，刀盤強(qiáng)度不足會(huì)導(dǎo)致在掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生變形，降低疲勞壽命和工作效率，剛度不足會(huì)使得刀盤受力不均勻產(chǎn)生傾斜。在保證計(jì)算精度要求的前提下，為提高模型計(jì)算效率，建立分析模型時(shí)，忽略耐磨板、刀具、磨損檢測(cè)、渣土改良噴口等對(duì)刀盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度影響較小的部件。賦予刀盤模型Q355B材料屬性，其基本物理屬性為彈性模量3.0E+11Pa、泊松比0.3、密度7850kg/m3（圖11）。

圖11 有限元模型示意圖

4.2 邊界條件確定

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，刀盤前部和背部有渣土，刀盤前部和背部受到的水土壓力是一個(gè)平衡狀態(tài)，即水土壓力對(duì)刀盤整體受力情況影響較小，可忽略不計(jì)。此外，刀盤受到底部渣土的支撐作用，因此其自身重力的影響也忽略不計(jì)，故主要考慮刀盤所受推力和扭矩的影響。

推力：刀盤采用6把雙聯(lián)滾刀、38把單刃滾刀。雙聯(lián)滾刀額定承載力為50t/把，單刃/雙刃滾刀額定承載力為35t/把，計(jì)算得到刀盤所受總推力為16300kN。

扭矩：盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)額定扭矩為5920kN.m。

主要有2種工況：

正常工況：即分析刀盤全盤滾刀承受額定載荷以及承受主驅(qū)動(dòng)額定扭矩的靜力學(xué)狀態(tài)。刀盤在正常工作狀態(tài)下的受力狀態(tài)，不考慮短時(shí)的沖擊載荷、變向載荷等，主要載荷為軸向推力和扭矩。

偏載工況：即分析刀盤環(huán)梁外側(cè)區(qū)域受最大推力以及承受主驅(qū)動(dòng)額定扭矩的靜力學(xué)狀態(tài)。

4.3 邊界條件確定

為平衡有限元求解效率與求解精度之間矛盾，設(shè)置全局單元尺寸為40mm，添加Patch Conforming Method 設(shè)置，并將所有可調(diào)節(jié)項(xiàng)設(shè)置為最優(yōu)（圖12）。

圖12 網(wǎng)格示意圖

4.4 計(jì)算結(jié)果分析

（1）正常工況有限元分析：在刀盤法蘭與主驅(qū)動(dòng)連接面上添加固定約束，在滾刀刀箱所在位置逐一添加刀盤推力，在大圓環(huán)外表面添加刀盤扭矩（圖13）。

圖13 等效應(yīng)力和變形云圖

計(jì)算結(jié)果顯示，最大等效應(yīng)力為195.6MPa，出現(xiàn)在扭腿與刀盤法蘭連接處，此處，鋼板厚度為100mm，材料許用應(yīng)力為254MPa；刀盤結(jié)構(gòu)的最大變形量為3.64mm，出現(xiàn)在刀盤大圓環(huán)上。

（2）偏載工況有限元分析：在刀盤法蘭與主驅(qū)動(dòng)連接面上添加固定約束，在下半部滾刀刀箱所在位置逐一添加刀盤推力，在大圓環(huán)外表面添加刀盤扭矩（圖14）。

圖14 等效應(yīng)力和變形云圖

計(jì)算結(jié)果顯示，最大等效應(yīng)力為191.2MPa，出現(xiàn)在扭腿與法蘭連接處的位置，此處鋼板厚度為100mm，材料許用應(yīng)力為254MPa；刀盤結(jié)構(gòu)的最大變形量為3.32mm，出現(xiàn)在刀盤大圓環(huán)上。

綜上所述，兩種工況中刀盤的最大等效應(yīng)力均低于材料許用應(yīng)力，最大變形量也較小，刀盤結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度可以滿足以上兩種工況的使用要求。與刀盤實(shí)際工作情況相符，刀盤法蘭與扭腿的連接處常出現(xiàn)焊縫開裂的情況，原因在于此處焊縫較多，焊縫產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力較大，盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過(guò)程中推力過(guò)大，刀盤扭矩過(guò)大，此處強(qiáng)度不足，容易造成焊縫開裂。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)華南地區(qū)硬巖復(fù)合地層設(shè)計(jì)了一種適應(yīng)于EPB和TBM兩種模式的盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)，優(yōu)化了刀具布置，在不同模式下進(jìn)行針對(duì)性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

對(duì)刀盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了受力特性有限元分析，在正常工況和在軟硬地層下的偏載工況，分別獲得了刀盤的應(yīng)力及變形情況。結(jié)果表明，雙模刀盤滿足強(qiáng)度和剛度的要求，能適應(yīng)掘進(jìn)區(qū)間的施工要求。對(duì)類似掘進(jìn)區(qū)間刀盤設(shè)計(jì)具有參考意義。