刀盤格柵結構分析及改造

王 輝，劉云霄，范海龍

（1.中鐵十四局集團隧道工程有限公司，山東 濟南 250000；2.太原重型機械集團有限公司，山西 太原 030024）

針對某項目刀盤的結構形式及其地質狀況，結合目前中鐵十四局集團隧道工程有限公司（全文簡稱中鐵十四局）類似刀盤的使用情況，欲對刀盤格柵進行改造，主要是去除部分格柵以增加開口率，提高刀盤出土效率[1]。

1 改造方案

分析得出三種改造方案，現對這三種方案進行刀盤強度計算：第一種方案，即是去除刀盤主輻條和副輻條的全部格柵；第二種方案，即是去除刀盤主輻條的第一和第三格柵以及副輻條的內側輻條；第三種方案，即是保留主輻條的第二格柵，保留副輻條的外側格柵并由起初的560 mm 寬，改造為160 mm 寬（從前割掉160 mm，從后割掉240 mm）（如圖1 所示）。

圖1 三種改造方案

2 分析預處理

2.1 刀盤的材料屬性及應力準則

根據制造廠商提供的Q345B 的材料參數進行計算，各種參數如：合金鋼Q345B（Steel Q345 B）；楊氏模量（Young Modulus），E：210 000 MPa；泊松比(Poisson's ratio)，v：0.3；密度（Density），ρ：7 850 kg/m3；屈服強度（The yield strength），σp0.2min=275 MPa。

應力準則（STRESS CRITERIA）：

根據歐洲標準對于正常加載，最大范·米賽斯等效應力σa=0.67σp0.2min。

根據歐洲標準對于危險工況加載，最大范·米賽斯等效應力σa=0.9σp0.2min。

2.2 刀盤加載

刀盤的加載情況如表1 所示。

表1 刀盤加載情況

3 結果分析

利用有限元軟件計算了各種方案的應力及變形情況，修改前后等效應力云圖和安全系數云圖如下頁圖2—圖5 所示，可以看出：修改前的等效應力云圖的最大值181.85 MPa，沒有達到鋼板的屈服極限275 MPa，并且大部分的應力值比較小（共有74 416個節點，等效應力大于100 MPa 的節點有27 個）；而全去掉后的等效應力云圖的最大值440.74 MPa，大大的超過了鋼板的屈服極275 MPa，并且有相當一部分節點的等效應力比較大(共有62 629 個節點，等效應力大于100 MPa 的節點有371 個)。所以單從等效應力分析，修改后的模型是不可行的。

圖2 未修改

圖3 方案一

圖4 方案二

圖5 方案三

修改前安全系數最小值是1.512 2，并且安全系數小于5 的節點數只有805 個，占總數的1%；而全去掉后的模型安全系數的最小值是0.623 95，且安全系數小于5 的節點數有3 759 個，占總數的6%。所以單從安全系數分析，修改后的模型是不可行的。

由以上兩點得出：全去掉后的模型是不可行的，應對修改后的模型在關鍵部位加上一定數量的肋板或鋼管，以增加刀盤的強度。

分析方案二和方案三，通過比較原始數據，可以看出無論是等效應力還是安全系數都變化不大，可以滿足現場要求。同時通過表2 可以看出，方案一不滿足設計要求，而方案二和方案三都滿足設計要求。但考慮到方案三的開口率比方案二的大，不容易生成泥餅，掘進速度更快，更加滿足現場要求[2]。因此從施工和強度方面綜合考慮，建議該項目按方案三對刀盤上的格柵進行改造。

表2 各種方案計算結果

4 結論

針對該項目的地質特點以及刀盤的結構形式，提出了三種改造方案，通過一系列的有限元分析，最終得出方案一不可行，方案二與方案三符合要求的結論。但綜合考慮施工與強度方面，最終得出方案三，即是保留主輻條的第二格柵，保留副輻條的外側格柵并由起初的560 mm 寬改造為160 mm 寬，為最終的改造方案。