復合型土壓平衡盾構刀盤設計與結構有限元分析

趙才

摘 要：為設計滿足于實際施工需要的盾構機刀盤，通過地質勘測報告得到掘進地層的特點，論述了刀盤的框架結構、刀具的配置以及泡沫注入口的設計，建立了刀盤主體結構有限元分析模型，分析了刀盤在受均勻荷載與偏載的條件下的受力特性，得到了刀盤在兩種工況下的應力應變分布規律。分析結果表明：在兩種不同載荷工況下刀盤的最大等效應力和最大位移變形量分別為108MPa， 171MPa及1.4mm， 3.2mm。刀盤受到最大的等效應力遠小于材料的屈服強度，而且兩種情況下的變形量較刀盤直徑均很小，設計滿足刀盤實際施工的強度與剛度要求。

關鍵詞：土壓平衡盾構；刀盤；有限元分析；結構分析

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）08-0104-03

盾構機的刀盤是隧道掘進的關鍵部件，它在施工中主要用來破碎剝離巖土和支護隧道開挖面及攪拌渣土等。盾構刀盤在掘進過程中會遇到各種不同的地質情況，從軟土、黏土、軟巖到風化層硬巖，不同的地質的物理參數區別很大，刀盤的工作環境及其惡劣，刀盤承受的隨機突變載荷變化很大，這些都對盾構刀盤的結構設計提出了較為嚴格的要求，因此刀盤性能的好壞將直接影響盾構機的工作效率。此外，刀盤的設計質量決定了隧道成洞的質量，如果刀盤剛度不夠或刀盤上刀具布置不合理，將導致盤面受力不均，出現偏斜，這就需要糾偏機構不斷地進行調整，不僅影響了成洞質量，還降低了開挖效率。因此，有必要在刀盤設計階段對刀盤性能進行預評估。

劉志杰、陳饋等[1-3]根據施工實際條件，從刀盤的盤形、刀具類型入手，通過分析刀具破巖機制和刀盤切削參數對刀盤刀具的布局進行了分析和總結；呂強、朱合華等人[4-5]通過制造等比例的小型化刀盤，進行土箱實驗對刀盤掘進過程進行模擬，得到了較好的實驗結果。

有限元分析方法的出現為大結構件的結構應力應變分析提供了一種較好的方法，有限元分析與實際實驗相比，具有代價小、分析時間短、方便更改設計參數等優勢，因此被廣泛用于結構設計分析。周奇才、夏毅敏、曾曉星等人[6-8]運用有限元分析法建立三維刀盤模型，分析了刀盤在極限載荷情況下的受力及變形情況，取得了理想的分析效果。

目前，盾構刀盤的結構設計已成為盾構的關鍵技術之一，本文從刀盤的框架結構設計、刀具的配置以及泡沫、膨潤土注入口的設計入手，對刀盤的結構強度和剛度進行分析，為刀盤在實際施工過程中的應用提供了理論指導，具有較好的實際工程應用價值。

1 盾構刀盤的設計特點

根據地質勘察巖土工程單位對深圳市城市軌道交通在建的地鐵2號線東延線提供的勘察報告可知，該隧道洞身范圍地層情況較復雜，地層為上軟下硬，主要穿越全風化、強風化及中風化凝灰巖，局部為粉質粘土及微風化凝灰巖；中風化凝灰巖單軸極限抗壓強度值<49MPa，微風化極限抗壓強度值<59MPa。因此，根據施工需求，刀盤的直徑設計為，隧道管片外徑為，內徑為。

1.1 刀盤的結構分析

土壓平衡盾構刀盤主要有兩種結構形式：面板式和輻條式，結構如圖1所示；輻條式刀盤對單一軟土地層具有較強的適應性，掘進速度較快，而對于面板式刀盤可以通過設計刀盤的開口限制進入土艙的卵石粒徑，通過安裝滾刀刀具可以應用于開挖包含巖石地層的盾構隧道，其結構如圖2所示。在復雜的復合地質條件下，由于開挖地層的不穩定性，刀盤往往對開挖面起著重要的支撐作用，刀盤不僅要承受很大的推進力和扭矩，還要受很大的整機振動沖擊，為了保證刀盤具有足夠的強度和剛度，一般情況下刀盤的形式都采用面板式箱形結構，從現有的施工經驗來看，面板式刀盤結構雖然能夠保證刀盤的強度和剛度，但沒有完全考慮到刀盤整體受力特點和土體的流動性，這樣會導致阻力增大、出土不暢、開挖面壓力控制不穩定，不利于控制地面沉降，從而導致切削效率較低。而復合式土壓平衡盾構機的刀盤采用的設計是先進的主副梁結構設計，盤體結構簡潔，刀盤開口率合適，刀架輕巧，刀具布置合理，刀盤盤體結構設計充分考慮到土體的流動方向。

1.2 刀盤刀具配置與布置方式

刀具安裝在刀盤正面，盾構掘進過程中，通過刀盤旋轉與盾體向前推進帶動刀具完成對前方巖土的切削任務，刀盤刀具如何配置及其布置方式是土壓平衡盾構設計與研究的一個重要方向。復合式刀盤的顯著特點就是多元化的刀具配置和合理的刀具分布方式，通過合理的選用刀具類型及分布位置，從而提高盾構掘進過程對地質層的適應性和掘進功效，而且降低對刀具的磨損。針對深圳地鐵本標段上軟下硬地質條件的特點，設計的復合式土壓平衡盾構刀盤刀具配置如表1所示。

此外，刀盤的注入口設計采用5個泡沫注入孔與2個徑向注水孔相結合的方式，通過刀盤上布置的注入口加注膨潤土或泥漿，用以改良土體，達到了提高渣土流動性、改善土體切削性能及降低刀具磨損的目的，同時也拓寬了土壓平衡盾構的地質適應范圍。

2 刀盤模型的建立

按照盾構刀盤設計尺寸，首先在三維建模軟件Solid works中建立刀盤的實體模型，為了保證分析計算的可行性及分析的效率，因此在導入Ansys中建立物理模型前，將實體建模中的刀具等進行了簡化刪除，這樣不僅降低了有限元模型網格劃分的難度以及復雜程度，而且加快了計算的分析速度[9-10]。劃分網格要選擇合適的劃分密度，如果網格過密，需要很大的計算運行速度，分析時間較長，而過疏的密度則會導致分析結果的不精確，本文采用的是自由劃分形式。本文中設計的刀盤直徑為，選用材料為Q345B，材料的屈服極限為345MPa，彈性模量取GPa，泊松比取。刀盤共劃分了51690個單元，64284個節點。

3 刀盤結構應力分析

有限元法的思想就是把連續的幾何體離散成有限個單元，并在每一個單元中設定有限個節點，從而將連續體看作僅在節點處相連接的一組單元的集合體，單元集合體代替原來連續體，又在節點上引進等效力代替實際作用于單元的外力。有限元的分析的一般流程如圖3所示。

刀盤在盾構掘進過程中主要是自身的回轉運動和軸向的推進運動，由于轉動速度和推進速度都比較慢，因此可以近似地采用靜態分析來對盾構刀盤進行應力分析，主要在刀盤上施加推進力與扭矩。

圖4是刀盤在均衡受力條件下得到的應力場與位移場，根據有限元分析結果可以看到，在均衡受力條件下，圖4（a）中刀盤結構的最大等效應力為108MPa，刀盤絕大部分區域的等效應力小于50MPa，而刀盤設計所用材料為Q345B，該材料的最大屈服強度為345MPa，因此刀盤的結構設計滿足強度要求。從圖4（b）中可以看到刀盤結構最大綜合位移變形量為1.4mm，與刀盤的設計直徑相比變形量很小，約為直徑的0.224‰，該變形量在設計允許的范圍內。綜上因此該刀盤的結構設計滿足要求。

圖5是刀盤在均衡受力條件下得到的應力場與位移場，根據有限元分析結果可以分析，刀盤在1/3偏載條件下（下部1/3區域施加5750kN，上部區域施加5000kN，扭矩5500kN.m），可以看到圖5（a）中刀盤結構的最大等效應力為171MPa及刀盤絕大部分區域的等效應力小于100Mpa，相比刀盤設計所用材料為Q345B的最大屈服強度應力為345MPa，在1/3偏載條件下刀盤的等效應力只有材料最大屈服強度的一半左右，因此，在1/3偏載的條件下該刀盤的結構設計滿足強度要求。從圖5（b）中可以看到由扭矩產生的最大綜合位移變形量為3.2mm，該變形量約為直徑的0.51‰，該變形量相較于直徑顯得很小，變形量在設計允許的范圍內。因此該刀盤的結構設計滿足要求。

綜上，在兩種不同載荷條件下刀盤的最大等效應力和最大位移變形量分別為108MPa，171MPa及1.4mm，3.2mm，刀盤受到最大的等效應力遠小于材料的屈服強度，而且兩種情況下的變形量較刀盤直徑均很小，因此滿足刀盤設計的強度與剛度要求。

4 結語

（1）根據地質勘察數據報告為刀盤的框架結構設計、刀具的配置以及泡沫、膨潤土注入口的分布提供了較全面的優化設計指導，為設計滿足實際工程需要的刀盤結構提供了較好的基礎。（2）采用Solidworks和Ansys對刀盤在均勻荷載與有偏載的工況下的受力特性進行了分析，得出了刀盤在兩種工況下的應力應變分布規律，在兩種工況下刀盤所受的結構應力均在設計采用的Q345B鋼允許的范圍內，且最大綜合位移變形量相對刀盤直徑相對很小，分析的結果均滿足工程實際需求，為刀盤進一步優化設計提供了依據。

參考文獻

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