盾構盤形滾刀不同刀間距下破巖仿真研究

章 衛/ZHANG Wei（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100）

盾構盤形滾刀不同刀間距下破巖仿真研究

章 衛/ZHANG Wei
（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101100）

[摘 要]在考慮滾刀實際幾何形狀、滾刀與巖石的非線性材料特性基礎上，建立了盾構機滾刀擠壓破巖有限元三維模型,求解中對模型的特性參數、邊界條件及時間步長等進行設置，以適用盾構機滾刀與巖石相互作用過程中的動態仿真或瞬態破巖，并對仿真結果進行對比分析。并得到雙刃滾刀在破巖相互作用中刀具受力和巖石破碎規律，為以后盾構刀具在刀盤上優化配置提供了參考。

[關鍵詞]盾構；盤形滾刀；破巖；仿真

在硬質巖層施工盾構機主要靠安裝在刀盤上的滾刀來進行掘進，破巖過程是一個復雜多變的過程，滾刀受力也是變化的。利用計算機仿真模擬滾刀破巖過程簡單易行，仿真所得到的結果可以與實際的實驗做對比，分析破巖結果和數據。滾刀破巖的仿真需要有巖石材料，選擇合適的巖石材料參數可以更真實的反應工程巖體。刀盤掘進過程中滾刀既自身轉動又隨刀盤轉動，模擬滾刀切割巖石時，對于滾刀和巖石的相互作用設置尤為重要。開展不同刀間距下對滾刀破巖受力情況的模擬，有著重要的理論和實用意義。

1 滾刀破巖有限元模型

盾構機盤形滾刀破巖過程涉及到材料非線性和接觸非線性等復雜動態過程，要求分析軟件具有強大的動力學分析程序，LS-DYNA就是在工程實踐中最常用的動力學分析程序。在LSDYNA中計算接觸類問題有有態約束法和罰函數法。通過大量實驗證明了罰函數法是計算接觸問題中最為有效的算法之一。

1.1 巖石材料模型

本文所選取滾刀破巖的巖石材料是HJC動態損傷本夠模型，該模型廣泛應用于混凝土、巖石等材料的侵蝕分析。模型滿足強度方程、損傷方程和狀態方程。

1.2 建立雙滾刀模型

本文采用17吋滾刀進行仿真研究，以滾刀刀圈為研究對象，刀圈直徑432mm，在刀具發生磨損后，平刃刀圈能繼續正常切割巖石，其基本截面尺寸保持不變。其幾何參數包括:滾刀刀刃頂部寬度,過渡圓弧半徑和刀刃角。假設地層穩定不變，建立的巖石模型的尺寸高×長×寬分別為100mm×400mm×300mm。本文研究雙滾刀同時切割巖石，接觸面為兩把滾刀的刀刃處與巖石表面，兩滾刀布置位于同一軸線上。

1）模型網格劃分 將滾刀刀圈及巖石模型進行網格劃分，網格劃分采用六面體單元，將巖石模型表面網格細化，提高結果的穩定性。模擬過程中，軟件直接將剛體的運動傳遞給節點，選擇刀圈作為剛體，其模型為*MAT_RIGID，具體參數設置是：密度ρ=7 850kg/m3，彈性模量E=210GPa，泊松比μ=0.3，劃分網格后兩個刀圈所劃分成的單元數為148 148，土體材料模型劃分的單元數為97 500，滾刀切割巖石模型總共劃分的節點數為279 636。

2）邊界條件及約束 滾刀的運動是集自身的直線運動、旋轉運動以及繞刀盤中心的公轉為一體的復合運動。但滾刀滾過的路程對于整個刀盤來說，可以認為滾刀做的是直線運動。本文中的滾刀運動沿Y軸方向做直線運動，速度ν=2.5m/ s，繞X軸做旋轉運動，角速度ω=12.5rad/s，分析的終止時間為0.2s，巖石邊界條件設置為巖石開挖面為自由邊界，其余面設置為非反射邊界。

2 不同刀間距下的滾刀破巖仿真分析

滾刀在刀盤上按照阿基米德螺旋線布置，相鄰刀具之間的距離分別為70mm、80mm、90mm以及100mm，以下針對不同刀間距，分析滾刀在相同切深前提下，兩把滾刀同時進行切割巖石數值模擬，并對仿真結果進行對比。設定滾刀切深為5mm，滾刀在上述4種刀間距下切割巖石狀況如圖1所示。

圖1　 四種刀間距下滾刀破巖效果

從仿真結果可以看出，滾刀刀間距大小影響著破巖效果，刀間距為70mm、80mm、90mm和100mm滿足破巖要求。

圖2表示滾刀刀間距為100mm時滾刀切割巖石過程，時間從T=0.0075～0.0225s，巖石從塑性變形到最后單元失效的過程。圖2中，觀察到巖石與滾刀相互作用主要分為壓碎與剪切兩部分。作用過程起初是巖石被壓碎，巖石最大應力為141MPa，未達到巖石的應力最大允許值150MPa，巖石并不會破裂；其次是剪切階段，巖石最大應力超過巖石單軸抗拉強度150MPa，巖石產生裂紋并脫落。

圖2　 巖石破碎過程

巖石與單把盤形滾刀作用時，其主要的破壞形式為壓碎；與雙把滾刀同時作用時，其主要破壞形式為壓碎和剪切。雙把滾刀同時切割巖石時，不同刀間距下滾刀所受力分為垂直力、滾動力和側向力。

雙滾刀在同時切割巖石時，在時間為0.025s附近時，刀間距為70mm和90mm的滾刀垂直破巖力達到峰值，分別為160kN和200kN，而間距為80mm和100mm的滾刀則在0.05s后達到峰值，且雙滾刀垂直力最大值則達到500kN和370kN。因此，雙滾刀同時切割巖石時，間距80mm和100mm時所提供的垂直力遠遠大于間距70mm和90mm時的垂直力。

4種刀間距下，雙滾刀切割巖石時所受的滾動力隨著時間的推移在不斷的變化，在0.15s后滾刀滾動力趨向于零。

在滾刀切割巖石的過程中，存在著最優間距。其中比能（SE,SpecificEnergy）是最優滾刀刀間距的衡量標準，比能用公式計算

式中 SE——比能（J/m3）；

FR——平均滾動力（N）；

S——刀間距（mm）；

P——貫入度（mm）。

通過對實際工程中的參數計算，根據四種刀間距在相同貫入度下的破巖仿真分析結果，得出不同刀間距下的比能如表1所示。

表1　 不同刀間距下的比能

3 仿真結果分析

本文中滾刀刀尖為平刃，破巖體積按照滾刀達到所要求的切割深度，并完全破碎巖石時計算，由于滾刀與巖石開始接觸就有巖石破碎，所以誤差在所難免，為了減小誤差，在計算時把巖脊的部分略掉。從表格中可以得出，平均滾動力在刀間距為80mm時達到最大值，約為35kN，同時消耗的比能也最大；在間距70mm時，滾刀平均滾動力為17.5kN，為最小的，其比能為50MJ?m-3。由于本文選取的巖石相對比較硬，刀間距取70mm平均滾刀力比較小，對刀盤和刀具有利，比能盡管比間距為90mm的48.5大，但差值不多，綜合對比刀具間距70mm比較合適。

4 結 論

建立了雙滾刀破巖三維模型，設置了巖石材料參數，通過LS-DYNA動態分析軟件完成了對滾刀破巖全過程仿真計算，仿真結果與實際滾刀破巖狀況相吻合。建立了巖石材料模型，從巖石的強度方程、損傷方程和狀態方程三個方面描述了巖石材料的性能和參數；模擬了貫入度5mm時雙滾刀的動態破巖過程，得到巖石從塑性變形到最后單元失效的全過程；分析了不同刀間距下雙滾刀同時破巖的動態過程，對比了破巖過程中滾刀所受的垂直力和滾動力；通過理論計算與軟件仿真，在本文所選取的巖石和滾刀參數下，刀間距S=70mm時，雙滾刀同時破巖能保證破碎巖石量達到最佳，并且所消耗比能最小。

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（編輯 張海霞）

［中圖分類號］TU621

［文獻標識碼］C

［文章編號］1001-1366（2015）02-0067-03

［收稿日期］2014-10-15

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