盾構(gòu)刀盤(pán)開(kāi)口率改造設(shè)計(jì)

謝振國(guó)/XIE Zhenguo

（中鐵隧道局集團(tuán)有限公司設(shè)備分公司，河南 洛陽(yáng) 471009）

目前我國(guó)城市軌道交通建設(shè)正處于高速發(fā)展階段，全國(guó)已有40 多個(gè)城市建設(shè)或規(guī)劃了軌道交通項(xiàng)目，而盾構(gòu)法施工在軌道交通建設(shè)中有著不可替代的作用[1]。

刀盤(pán)是盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工的關(guān)鍵工序部件，其設(shè)計(jì)是否合理是盾構(gòu)能否快速掘進(jìn)的關(guān)鍵。而刀盤(pán)開(kāi)口率作為盾構(gòu)刀盤(pán)適應(yīng)地層選型時(shí)的重要參數(shù)，直接影響到掌子面穩(wěn)定、出渣效果和掘進(jìn)效率[2]。

刀盤(pán)的開(kāi)口率根據(jù)其結(jié)構(gòu)形式和刀具配置而確定，若進(jìn)一步增大刀盤(pán)開(kāi)口率，一般需要更換不同結(jié)構(gòu)形式的刀盤(pán)。但在某些相似地質(zhì)情況下，為更好滿足實(shí)際使用效果，對(duì)原刀盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部的設(shè)計(jì)變動(dòng)，用較少的費(fèi)用投入提高刀盤(pán)的適應(yīng)性，達(dá)到提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率、降低施工成本的目的，已經(jīng)越來(lái)越符合項(xiàng)目“節(jié)能環(huán)保、降本增效”的實(shí)際要求。

近年來(lái)大量學(xué)者對(duì)盾構(gòu)刀盤(pán)開(kāi)口率進(jìn)行了研究[3-4]，但目前在針對(duì)盾構(gòu)刀盤(pán)整體開(kāi)口率現(xiàn)場(chǎng)改造技術(shù)的研究較少。本文以沈陽(yáng)地鐵工程某盾構(gòu)為例，針對(duì)刀盤(pán)開(kāi)口率偏小易造成土倉(cāng)渣土進(jìn)渣不暢的實(shí)際情況，通過(guò)強(qiáng)度、剛度計(jì)算確認(rèn)，對(duì)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)開(kāi)口進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)，取得了良好的施工效果，同時(shí)為今后盾構(gòu)刀盤(pán)開(kāi)口率改造設(shè)計(jì)提供參考和借鑒。

1 工程項(xiàng)目概況

沈陽(yáng)市軌道交通某標(biāo)段區(qū)間正線隧道采用土壓平衡盾構(gòu)施工。區(qū)間總長(zhǎng)約1 189m 雙線米，左、右線各設(shè)置2 處平曲線，曲線半徑均為450m，線間距13.00～17.00m，最大坡度為20‰，線路最小埋深約10.1m、最大埋深約18.9m。

盾構(gòu)隧道管片外徑為?6 200mm，隧道洞身穿越地層主要為粉質(zhì)黏土、礫砂、中粗砂，區(qū)間施工示意如圖1 所示。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間施工示意圖

原盾構(gòu)在相鄰區(qū)間掘進(jìn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)存在土倉(cāng)進(jìn)渣不暢的問(wèn)題，現(xiàn)計(jì)劃利用原盾構(gòu)刀盤(pán)進(jìn)行改造設(shè)計(jì)，增大開(kāi)口率以更好地滿足后續(xù)隧道區(qū)間施工任務(wù)要求。

2 盾構(gòu)刀盤(pán)開(kāi)口率改造設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介

2.1 原盾構(gòu)刀盤(pán)簡(jiǎn)介

某常規(guī)盾構(gòu)為國(guó)產(chǎn)土壓平衡盾構(gòu)，適用于沈陽(yáng)地鐵隧道掘進(jìn)施工。其刀盤(pán)結(jié)構(gòu)型式為輻條式軟土刀盤(pán)，開(kāi)挖直徑?6 410mm，開(kāi)口率約為43%，外表面采取耐磨設(shè)計(jì)。原盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 原盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)示意及現(xiàn)場(chǎng)圖

2.2 刀盤(pán)開(kāi)口率改造設(shè)計(jì)方案

為更好地服務(wù)于沈陽(yáng)地鐵新建軌道交通線路盾構(gòu)區(qū)間隧道的施工任務(wù)要求，本著“技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、安全可靠”的原則，提出原盾構(gòu)刀盤(pán)開(kāi)口率改造方案如下。

1）結(jié)合原機(jī)刀盤(pán)情況，前期理論設(shè)計(jì)刀盤(pán)開(kāi)口率改造方案及操作要點(diǎn)，作為后續(xù)改造的依據(jù)；刀盤(pán)改造前后，刀盤(pán)結(jié)構(gòu)型式如圖3 所示。

圖3 開(kāi)口率改造前后刀盤(pán)結(jié)構(gòu)示意圖

2）在刀盤(pán)與主驅(qū)動(dòng)分離前作業(yè)或吊出接收井后放置固定于相應(yīng)支撐工裝上作業(yè)，利用割槍將原6 組小面板分別與大圓環(huán)和內(nèi)圓環(huán)分離，并在圓環(huán)與面板焊接處重新切割坡口、打磨平整（圖4）。

圖4 刀盤(pán)改造現(xiàn)場(chǎng)圖

3）按照刀盤(pán)開(kāi)口率改造設(shè)計(jì)方案，采用Q355B 鋼材新制6 組刀盤(pán)小面板結(jié)構(gòu)并重新定位焊接，然后按照相關(guān)設(shè)計(jì)要求焊接筋板進(jìn)行加固。

4）新制面板焊接完成后，按照方案設(shè)計(jì)進(jìn)行刀具的定位焊接；刀具焊接完成后，在6 組新制面板上堆焊60×60mm 耐磨網(wǎng)格，網(wǎng)條寬度5mm，高度5mm（圖5）。對(duì)改造完成后的刀盤(pán)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行焊縫探傷，確保后續(xù)項(xiàng)目使用要求。

圖5 刀盤(pán)改造示意圖

開(kāi)口率改造后的刀盤(pán)開(kāi)口率約為50%，改造減少重量約0.5t，改造后的總重約34.5t。改造前后刀盤(pán)主要參數(shù)對(duì)比如表1 所示。改造后刀盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

表1 刀盤(pán)改造前后參數(shù)對(duì)比表

圖6 改造后刀盤(pán)結(jié)構(gòu)圖

3 盾構(gòu)刀盤(pán)改造靜力學(xué)分析

3.1 模型的簡(jiǎn)化與說(shuō)明

刀盤(pán)結(jié)構(gòu)整體所采用的材料為Q355B，密度為7.85×103kg/m3，彈性模量為200GPa，泊松比為0.28。為驗(yàn)證刀盤(pán)開(kāi)口率改造方案的可靠性，利用Ansys workbench 有限元軟件對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析，校核改造后刀盤(pán)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。

首先對(duì)改造后的刀盤(pán)模型進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化假設(shè)，并采用自動(dòng)網(wǎng)格劃分生成器，最大尺寸為60mm，同時(shí)進(jìn)行幾何曲率（Curvature）控制，在曲率大的位置進(jìn)行加密以正確地離散出模型的實(shí)際結(jié)構(gòu)形狀，示意如圖7 所示。

圖7 刀盤(pán)模型網(wǎng)格劃分示意圖

3.2 約束及載荷設(shè)置

模擬刀盤(pán)掘進(jìn)過(guò)程，在對(duì)盾構(gòu)刀盤(pán)進(jìn)行受力分析時(shí)，其所受載荷主要有刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)扭矩T、巖土對(duì)刀盤(pán)的阻力F以及刀盤(pán)自重。

結(jié)合區(qū)間地質(zhì)情況，盾構(gòu)掘進(jìn)主要穿越為粉質(zhì)黏土、礫砂、中粗砂地層，故在對(duì)改造后的刀盤(pán)進(jìn)行仿真分析時(shí)，主要考慮施工過(guò)程中刀盤(pán)受到前方土層阻力導(dǎo)致刀盤(pán)停轉(zhuǎn)，處于脫困推進(jìn)的極限工況。

1）根據(jù)GB 34651-2017《全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)土壓平衡盾構(gòu)》附錄A中刀盤(pán)裝備扭矩計(jì)算公式[5-6]，按照經(jīng)驗(yàn)計(jì)算法，刀盤(pán)裝備扭矩為

式中β——扭矩系數(shù)，不宜小于18；

Dk——刀盤(pán)開(kāi)挖直徑，為6.41m。

代入計(jì)算可得T=4740kNm，而現(xiàn)盾構(gòu)主機(jī)參數(shù)脫困扭矩為6 862kNm。

2）掘進(jìn)過(guò)程中巖土對(duì)刀盤(pán)的阻力，根據(jù)GB 34651-2017《全斷面隧道掘進(jìn)機(jī) 土壓平衡盾構(gòu)》附錄B 裝備推力公式中刀盤(pán)推力FS為

式中PS——實(shí)際掘進(jìn)土壓，該盾構(gòu)最大工作壓力為3bar；

D——刀盤(pán)開(kāi)挖直徑，為6.41m。

代入計(jì)算可得FS=9690kN，根據(jù)實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)推力最大能達(dá)到2 600t，由于實(shí)際地層工況復(fù)雜，取掘進(jìn)過(guò)程中動(dòng)載系數(shù)1.5[7]，綜合考慮刀盤(pán)開(kāi)口率等因素取刀盤(pán)所受推力FS=11000kN。

仿真模擬改造后的刀盤(pán)在極限工況脫困狀態(tài)，對(duì)刀盤(pán)法蘭進(jìn)行固定約束，并施加相應(yīng)推力、扭矩及加速度載荷。參數(shù)如表2 所示，約束及載荷示意如圖8 所示。

表2 約束及載荷表

圖8 刀盤(pán)約束及載荷示意圖

3.3 分析結(jié)果

刀盤(pán)改造過(guò)程中所采用的材料為Q355B，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 1591-2018《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》和GB 50017-2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，對(duì)于按承載能力極限狀態(tài)計(jì)算的鋼結(jié)構(gòu)，可變荷載的安全系數(shù)[8]γ=0.9×1.4=1.26；鋼結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)[9]γ0=0.95。

故對(duì)于刀盤(pán)結(jié)構(gòu)不同厚度鋼板，其屈服強(qiáng)度許用應(yīng)力值如表3 所示。

表3 刀盤(pán)不同厚度鋼板屈服強(qiáng)度許用應(yīng)力表

經(jīng)Ansys 軟件求解計(jì)算，脫困狀態(tài)下改造后的刀盤(pán)整體最大等效應(yīng)力為256.51MPa，出現(xiàn)在刀盤(pán)輻條背部與扭腿焊接處，屬于應(yīng)力集中點(diǎn)；刀盤(pán)改造面板結(jié)構(gòu)部分，最大等效應(yīng)力為200.57MPa，出現(xiàn)在加焊筋板與內(nèi)圓環(huán)焊接處，屬于應(yīng)力集中點(diǎn)；刀盤(pán)變形均勻，最大變形量為3.9731mm，出現(xiàn)在新制面板邊緣表面，如圖9、圖10 所示。

圖9 刀盤(pán)等效應(yīng)力云圖（單位：MPa）

圖10 刀盤(pán)變形云圖（單位：mm）

綜上所述，改造后的刀盤(pán)最大等效應(yīng)力小于其許用應(yīng)力，具有足夠安全系數(shù)，故其強(qiáng)度滿足使用要求。通常刀盤(pán)受力變形需控制在刀盤(pán)直徑的1‰以內(nèi)[10]，故改造后的刀盤(pán)允許最大變形量約為6.3mm，經(jīng)仿真分析計(jì)算，改造后的刀盤(pán)最大變形量約為3.9mm，低于剛度設(shè)計(jì)允許值，故其剛度滿足使用要求。

4 盾構(gòu)刀盤(pán)改造設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）在刀盤(pán)開(kāi)口率改造設(shè)計(jì)前期，需根據(jù)項(xiàng)目工程地質(zhì)情況，編寫(xiě)刀盤(pán)改造設(shè)計(jì)方案。

2）在刀盤(pán)開(kāi)口率改造設(shè)計(jì)過(guò)程中，若發(fā)現(xiàn)刀盤(pán)面板與圓環(huán)焊接處應(yīng)力過(guò)大或結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足等問(wèn)題，可通過(guò)增加結(jié)構(gòu)厚度、設(shè)置加強(qiáng)筋等方法來(lái)提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。加強(qiáng)筋設(shè)置參考如圖11 所示。

圖11 加強(qiáng)筋優(yōu)化設(shè)計(jì)參考圖

3）在刀盤(pán)正常設(shè)計(jì)和實(shí)際施工過(guò)程中，刀盤(pán)面板與圓環(huán)連接處、刀盤(pán)法蘭與扭腿連接處由于需要傳遞驅(qū)動(dòng)扭矩且焊縫較多，極易發(fā)生應(yīng)力集中，影響結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；故刀盤(pán)改造前后，在整體焊縫質(zhì)量檢測(cè)的同時(shí)，需重點(diǎn)關(guān)注此處焊縫質(zhì)量。

5 結(jié)論與討論

本文針對(duì)某常規(guī)土壓平衡盾構(gòu)刀盤(pán)進(jìn)行了開(kāi)口率改造設(shè)計(jì)，開(kāi)口率由原43%增大至50%，通過(guò)Solidworks 建立改造后的刀盤(pán)模型，并利用Ansys workbench 軟件對(duì)改造后的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析驗(yàn)證，得出主要結(jié)論如下。

1）通過(guò)靜力學(xué)仿真分析可知，改造后的盾構(gòu)軟土刀盤(pán)在極限工況脫困狀態(tài)下，刀盤(pán)整體最大等效應(yīng)力為256.51MPa，出現(xiàn)在刀盤(pán)輻條背部與扭腿連接處；刀盤(pán)改造新制的面板結(jié)構(gòu)最大等效應(yīng)力為200.57MPa，出現(xiàn)在加焊筋板與內(nèi)圓環(huán)焊接處；刀盤(pán)最大變形為3.9731mm，出現(xiàn)在刀盤(pán)新制小面板邊緣。改造后的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度均在設(shè)計(jì)誤差允許范圍內(nèi)，故滿足工程力學(xué)要求。

2）通過(guò)經(jīng)濟(jì)性分析，經(jīng)開(kāi)口率增大改造設(shè)計(jì)的盾構(gòu)刀盤(pán)較新制同規(guī)格開(kāi)口率的盾構(gòu)刀盤(pán)，能夠節(jié)約80%以上的原材料，直接節(jié)約制造成本80%以上，經(jīng)濟(jì)效益極其顯著。目前開(kāi)口率改造后的刀盤(pán)已完成既定工程區(qū)間掘進(jìn)施工任務(wù)，后續(xù)將繼續(xù)在沈陽(yáng)地鐵建設(shè)中發(fā)揮作用，實(shí)物圖如圖12所示。

圖12 改造后刀盤(pán)實(shí)物圖

某常規(guī)土壓平衡盾構(gòu)開(kāi)口率改造后能夠更好地滿足沈陽(yáng)城市軌道交通建設(shè)施工要求，從而避免了新制較大開(kāi)口率的刀盤(pán)，合理延續(xù)了原刀盤(pán)的剩余使用壽命，是一次比較成功的探索和實(shí)踐，同時(shí)可為同類(lèi)型的盾構(gòu)改造與應(yīng)用提供借鑒和參考。