有關盾構刀盤掘進載荷的數值模擬研究

呂賀峰++江川++邊野++續長明

摘 要：在盾構掘進過程中，刀盤是盾構機的關鍵部件。刀盤在掘進過程中所受載荷呈一定周期性變化，需要對盾構刀盤掘進過程進行數值模擬。該文首先對盾構刀盤掘進載荷的數值模擬進行概述，研究掘進過程中刀盤與界面耦合作用下動態載荷分布。基于刀盤與土體之間的相互作用非常復雜，應用包含單元刪除功能的損傷失效準則模擬切屑的形成及分離，總體變化趨勢與實際相符，對優化刀盤設計具有一定的指導意義。

關鍵詞：盾構刀盤 載荷 數值

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）12（c）-0093-02

該文應用有限元法建立了模擬刀盤掘進的三維分析模型，建立了在砂土和黏土地層條件下土壓平衡盾構刀盤掘進的非線性動力學模型，得到了刀盤系統切削載荷隨掘進時間的變化曲線，采用包含單元刪除功能的損傷失效準則模擬土體的屈服和破壞。根據沿刀盤徑向的分布曲線研究發現，刀盤在砂土中掘進時所受軸向和扭矩大于黏土。掘進初始階段刀盤上刀具切削載荷沿徑向增大且變化較大，在掘進過程中盾構刀盤與土體之間的相互作用十分復雜。穩定后沿徑向變化較小，研究分析盾構刀盤切削土體向前掘進的過程十分重要。

1 基于盾構刀盤掘進載荷的數值模擬概述

盾構掘進機是目前隧道掘進的專門工程機械，研究盾構刀盤掘進載荷的數值模擬能夠為土壓平衡盾構刀盤的設計研究提供一定的理論指導。施工過程中刀盤系統與土體相互耦合作用，發現掘進過程中刀盤的受力情況及刀盤與土體的適應性不同。分析刀盤系統與土體的適應性，反映土體在受到切削時累積塑性應變直至破壞的變化規律。因此，考慮整個刀盤與土體之間相互作用，對優化刀盤拓撲結構具有指導意義。

（1）環境復雜多變，在其他掘進參數不變的情況下刀盤在砂土中的切削效率低于黏土。無法直接觀測刀盤在掘進過程中的載荷分布，因此其具體的運動情況以及刀盤與土體之間的相互作用無法直接觀測，屬于封閉式，且研究較少。以往對盾構刀盤的研究主要集中在簡化理論與模型實驗等方面，依據德魯克-普拉格塑性屈服準則給出了盾構刀盤扭矩的估算公式。通過分析各種刀具的切削機理，建立了扭矩估算的理論模型。推導盾構掘進所需總載荷，推導了掘進過程中刀盤迎面阻力計算公式。廣泛應用于地下交通、運輸管道等隧道工程建設，進而提高施工效率。

（2）近年來隨著數值技術的發展，建立盾構掘進過程中總推力的數學計算模型。通過制造等比例小型簡化刀盤，簡化理論、模型實驗對盾構刀盤掘進過程進行研究。進行土箱實驗分析不同地質條件和掘進參數對掘進推力、扭矩等載荷的影響，以模型實驗所得結果驗證其模型的準確性。在結合大量的實際工程的施工數據建立刀盤掘進參數的經驗公式基礎上，導出了扭矩計算的經驗公式。總結各種刀具破壞形式及其檢測方法，反映整個掘進過程中土體的破壞過程及刀盤受力隨時間的變化情況。對影響刀盤掘進效率的因素進行分析及改進，得出刀盤各部分的應力應變情況。盾構刀盤的載荷主要由刀盤與土體相互作用產生，盾構刀盤與土體的相互作用是高度非線性的。

2 盾構刀盤掘進載荷的數值模擬研究

以往的研究或著眼于靜力分析或將刀盤簡化為簡單的柱形剛體，在建立仿真模型時需進行適當簡化。相關的耕耘機刀具與土壤的切削仿真，在建立模型時刀盤材料采用各向同性的線彈性材料。以圖1所示的盾構刀盤為原型，針對盾構刀盤建立簡化三維模型，分別建立刀架和切刀的模型再組合成為一個整體刀盤模型，如圖2所示。

（1）近年來土力學的發展較為成熟，但是關于這方面的研究基本還停留在初級階段。針對土體的相互作用解決切削引起的土體大變形問題，分別建立在砂土和黏土地層條件下刀盤掘進的動態仿真模型。采用流固耦合方法占用大量的計算資源，解決在進行動態數值模擬研究時遇到困難。根據分離依據并基于應力、應變能密度或有效塑性，分析刀盤掘進的過程。應變物理量的物理準則和基于距離等幾何尺寸的幾何準則，得到刀盤刮刀承受軸向分力的分布規律。

（2）建立模擬盾構刀盤掘進過程中連續切削土體的三維動態仿真模型，研究土壓平衡盾構刀盤掘進過程中的土體變形及刀盤受力問題。在計算中采用擴展非線性彈塑性的材料本構關系，討論掘進過程中土體的變形破壞過程及刀盤所受載荷的變化規律。應用具有單元刪除功能的損傷失效準則，解決刀盤掘進過程中土體材料性質直接影響刀盤受力和土體切削的效果的問題。通過單元移除與節點分離的方法，解決盾構刀盤掘進載荷問題。

（3）關于盾構掘進的研究大多側重于單個切削具切削巖土體的過程，刀盤掘進過程本質上可以視為動態的切削問題。由于盾構刀盤的作業空間在地表以下，必須考慮土體本構的選擇和切屑分離的模擬。分析刀盤扭矩的構成因素，創建適合的模型。針對面板式和輻條式刀盤進行模型實驗，在滿足計算精度要求的基礎上應對模型進行合理的簡化以節約計算成本。結合試驗得到的扭矩結果，將分析土壤切削的方法應用于盾構刀盤掘進分析。從流固耦合角度處理刀盤與土體之間的相互作用，確定與壓力相關的峰值剪切強度。

參考文獻

[1] （日）土木學會.隧道標準規范（盾構篇）及解說[M].宋偉，譯.北京：中國建筑工業出版社，2015.

[2] 朱合華，徐前衛，鄭七振，等.軟土地層土壓平衡盾構施工參數的模型試驗研究[J].工木工程學報，2015，40（9）：87-94.

[3] 蘇翠俠，蔡宗熙，王燕群，等.基于數值仿真的盾構刀盤載荷影響因素分析[J].機械設計與研究，2012，28（4）：66-69.

[4] 蘇翠俠，王燕群，蔡宗熙，等.盾構刀盤掘進載荷的數值模擬[J].天津大學學報，2012，44（3）：522-528.