面向結構性能的砂卵石地層盾構刀盤優選

戴偉屹， 張佳媛

（1.福州大學，福州 350100；2.沈陽經濟技術開發區海關，沈陽 110000）

0 引言

盾構機是一種大型隧道挖掘機械，盾構刀盤結構型式與開挖地質情況有著密切的關系，選擇合適的刀盤對工程的成敗起著至關重要的作用。然而在實際施工過程中，同樣的地層條件下采用的刀盤結構型式經常不同，設計出最適合地層條件的刀盤結構對于提高材料利用率、提高掘進效率和降低施工成本具有重要意義。目前國內學者在刀盤結構設計方面已做了大量研究。劉志杰，史彥軍等[1-2]提出了基于實例推理的盾構刀盤主參數設計，但未給出具體的結構尺寸參數；韓偉峰、李鳳遠[3]針對面板式刀盤進行了優化設計，給出了最優的刀盤前后面板厚度和云腿角度，陳長冰、夏毅敏等[4-10]對現有施工的輻板式刀盤進行結構分析，指出受力較大部位，但未對結構尺寸進行進一步優化。

本文以北京地鐵砂卵石地層施工為例，對比分析了刀盤結構型式、刀盤云腿方式和刀盤厚度對刀盤結構性能的影響，給出了砂卵石地層條件下最合理的刀盤結構和尺寸。

圖1 輻板式斜云腿刀盤

1 砂卵石地層典型刀盤結構

圖2 輻條式直云腿刀盤

以北京地鐵砂卵石地層施工的刀盤結構型式為參照，提出了4種結構型式的刀盤，分別為：輻板式直云腿刀盤、輻板式斜云腿刀盤、輻條式直云腿刀盤和輻條式斜云腿刀盤，每種型式刀盤分別建立了盤厚為500 mm、400 mm和350 mm的3種模型。刀盤材料采用Q235，所有刀盤直徑均為6.16 m，輻條式刀盤由輻板式刀盤去掉面板得到。輻板式刀盤開口率為44%，輻條式為71%。刀盤采用板式箱型結構，面板和輻條由40 mm厚的鋼板焊接而成，云腿由60 mm厚的鋼板焊接而成。云腿焊點位于輻條上，法蘭厚度均為250 mm，斜云腿與刀盤夾角為70°。刀盤上配置有1把中心刀、98把切削刀、40把先行刀和12把周邊刀，中心刀安裝在刀盤中心；切刀對稱安裝在各輻條兩側；先行刀安裝在輻條中；周邊刀安裝在刀盤外圈。圖1和圖2給出了輻板式斜云腿刀盤和輻條式直云腿刀盤2種典型刀盤型式。

2 砂卵石地層刀盤受力計算

本文以北京角門北站到北京南站這一區間地質為例，本段區間地層主要組成成分為卵石并且夾雜一些沙子和礫石。大多數卵石的直徑都在20~60 mm。最大直徑為180 mm。直徑超過20 mm的卵石含量在55%以上。埋深為30 m。地質主要參數在表1列出。

在掘進過程中，為了設計出與地質條件相適應的刀盤，刀盤的受力計算至關重要。刀盤受力主要有：來自挖掘面土體對刀盤正面面板的擠壓力FN1和摩擦力f1、土倉內土體對刀盤背面面板的擠壓力FN2和摩擦力f2、刀盤側面圓周面受到的摩擦力Ff、切刀受力Fq、先行刀受力Fx以及周邊刀受力Fz。

表1 砂卵石地層地質主要參數

刀盤正面受到的土體擠壓力FN1為

式中：D為刀盤直徑；K0為靜止土壓力系數，K0=1－sinφ，φ為土體內摩擦角；γ為土重力密度；H為埋深；ξ為刀盤開口率。

一般認為，盾構機在正常掘進時，土倉壓力是刀盤正面壓力的80%，所以作用在刀盤背面受到的土體擠壓力FN2為

刀盤正面所受地層摩擦力f1為

其中，μ為砂卵石地層與鋼的摩擦因數，取0.55。

刀盤背面所受地層摩擦力f2為

刀盤側面所受摩擦力Ff為

其中：B為刀盤厚度；W為刀盤重量。

切刀受力為

其中：σT為所切削巖石的抗拉強度；d為切刀的切割深度，20 mm；w為刀具寬度，150 mm；α為刀具的前角，α=15°。

先行刀的受力Fx大小在切刀切削力的基礎上增加30%，周邊刀的受力Fz大小增加50%。

3 刀盤結構有限元分析

圖3 輻板式斜云腿400 mm厚刀盤輻條應力云圖

圖4 輻板式斜云腿400 mm厚刀盤云腿應力云圖

圖5 輻條式直云腿400 mm厚刀盤輻條應力云圖

圖6 輻條式直云腿400 mm厚刀盤云腿應力云圖

將幾何模型導入Hypermesh軟件進行預處理，單元類型選用solid45單元，盤體材料彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。在刀盤后面的法蘭上施加固定端約束；擠壓力和摩擦力以均布載荷的方式施加在刀盤前后面板和輻條的網格節點處，擠壓力方向垂直于面板，摩擦力方向與面板相切且與刀盤旋轉方向相反；周邊摩擦力施加在刀盤外圓周面網格節點處，方向與刀盤旋轉方向相反；4種刀大的兩個部位正是工程實際較容易出現破裂的位置。具的切削力分別施加在直接參與土體切削的刀具節點上，與刀具切削方向相反。

圖3~圖5給出了刀盤厚400 mm的輻板式斜云腿和輻條式直云腿2種典型結構的應力云圖，為了顯示清晰，圖中將刀盤其它結構隱藏，單獨顯示了輻條和云腿所受應力情況。

分析結果顯示，4種典型刀盤的最大應力均出現在主輻條與刀盤中心立柱的焊縫處。次最大應力出現在云腿與法蘭的連接處。最大應力出現在主輻條與立柱連接處的原因是輻條側面鋼板與刀盤中心立柱圓周面的連接處出現角度較小的尖角（如圖3標注①所示），產生了較大應力集中。

刀盤的強度破壞在工程實際中主要表現在：刀盤盤體焊接處開裂、刀盤整體開裂、刀盤外周處開裂、刀盤與云腿焊接處開裂等，而本文的有限元分析結果所顯示的應力最

圖7 刀盤厚度與輻條最大應力的關系

圖8 刀盤厚度與云腿最大應力的關系

4 砂卵石地層刀盤優選

分別提取出4種典型結構下3種刀盤厚度的分析模型中輻條最大應力和云腿最大應力，繪成折線圖如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可以看出，輻條式刀盤在云腿上和輻條上的最大應力均低于輻板式刀盤；同種刀盤型式，直云腿支撐時云腿和輻條上的最大應力均低于斜云腿支撐；而輻條和云腿的最大應力跟刀盤厚度不是簡單的線性關系，刀盤厚度為400 mm時的云腿最大應力最低。綜合圖7和圖8，輻條式直云腿型式的刀盤相對比其它型式的刀盤結構更優，并且當刀盤厚度為400 mm時，輻條和云腿的最大應力最小。

5 結論

1）在砂卵地層工況下，輻條式刀盤結構性能要優于輻板式刀盤，直云腿的支撐方式要優于斜云腿支撐，并且刀盤結構性能與刀盤厚度并不是簡單的線性關系，而是存在一個最優的刀盤厚度值。2）優選出輻條式直云腿刀盤厚400 mm的刀盤具有最高的材料性能比，此時輻條最大應力為140 MPa，云腿最大應力為73 MPa。3）本文的最優刀盤結構是在固定刀具布局條件下得出的，刀具布局變化對于刀盤結構性能也有影響，應另文研究。

[1]劉志杰,史彥軍,滕弘飛.基于實例推理的全斷面巖石隧道掘進機刀盤主參數設計方法[J].機械工程學報,2010,46(3):158-164.

[2]宋欣,王磊,李艷聰.相似理論在盾構刀盤拓撲結構設計中的應用[J].天津農學院學報,2014,21(1):15-18.

[3]韓偉鋒,李鳳遠.盾構刀盤優化設計[C]//中國CAE工程分析技術年會專輯.2013.

[4]陳長冰,梁醒培,王豪.大直徑盾構刀盤結構整體強度分析[J].機械設計,2012,29(1):29-31.

[5]王曰啟,岳澄,王燕群,等.盾構刀盤的數值模擬[J].機械研究與應用,2010,23(1):28-29.

[6]夏毅敏,羅德志,歐陽濤.小型盾構刀盤有限元建模與分析[J].制造業自動化,2010,32(2):15-17,30.

[7]夏毅敏,周喜溫,劉玉江,等.某型土壓平衡盾構刀盤有限元分析[J].鄭州大學學報(工學版),2009,30(3):70-74.

[8]暨智勇.一種盾構刀盤的有限元分析[J].機械設計與制造,2012,3(3):196-198.

[9]陳饋,蘇翠俠,王燕群.盾構刀盤的有限元參數化建模及其分析[J].隧道建設,2011,1(31):37-41.

[10]姬廣彬.盾構刀盤的設計研究[D].天津:天津大學,2009.