有关盾构刀盘掘进载荷的数值模拟研究

吕贺峰++江川++边野++续长明

摘 要：在盾构掘进过程中，刀盘是盾构机的关键部件。刀盘在掘进过程中所受载荷呈一定周期性变化，需要对盾构刀盘掘进过程进行数值模拟。该文首先对盾构刀盘掘进载荷的数值模拟进行概述，研究掘进过程中刀盘与界面耦合作用下动态载荷分布。基于刀盘与土体之间的相互作用非常复杂，应用包含单元删除功能的损伤失效准则模拟切屑的形成及分离，总体变化趋势与实际相符，对优化刀盘设计具有一定的指导意义。

关键词：盾构刀盘 载荷 数值

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（c）-0093-02

该文应用有限元法建立了模拟刀盘掘进的三维分析模型，建立了在砂土和黏土地层条件下土压平衡盾构刀盘掘进的非线性动力学模型，得到了刀盘系统切削载荷随掘进时间的变化曲线，采用包含单元删除功能的损伤失效准则模拟土体的屈服和破坏。根据沿刀盘径向的分布曲线研究发现，刀盘在砂土中掘进时所受轴向和扭矩大于黏土。掘进初始阶段刀盘上刀具切削载荷沿径向增大且变化较大，在掘进过程中盾构刀盘与土体之间的相互作用十分复杂。稳定后沿径向变化较小，研究分析盾构刀盘切削土体向前掘进的过程十分重要。

1 基于盾构刀盘掘进载荷的数值模拟概述

盾构掘进机是目前隧道掘进的专门工程机械，研究盾构刀盘掘进载荷的数值模拟能够为土压平衡盾构刀盘的设计研究提供一定的理论指导。施工过程中刀盘系统与土体相互耦合作用，发现掘进过程中刀盘的受力情况及刀盘与土体的适应性不同。分析刀盘系统与土体的适应性，反映土体在受到切削时累积塑性应变直至破坏的变化规律。因此，考虑整个刀盘与土体之间相互作用，对优化刀盘拓扑结构具有指导意义。

（1）环境复杂多变，在其他掘进参数不变的情况下刀盘在砂土中的切削效率低于黏土。无法直接观测刀盘在掘进过程中的载荷分布，因此其具体的运动情况以及刀盘与土体之间的相互作用无法直接观测，属于封闭式，且研究较少。以往对盾构刀盘的研究主要集中在简化理论与模型实验等方面，依据德鲁克-普拉格塑性屈服准则给出了盾构刀盘扭矩的估算公式。通过分析各种刀具的切削机理，建立了扭矩估算的理论模型。推导盾构掘进所需总载荷，推导了掘进过程中刀盘迎面阻力计算公式。广泛应用于地下交通、运输管道等隧道工程建设，进而提高施工效率。

（2）近年来随着数值技术的发展，建立盾构掘进过程中总推力的数学计算模型。通过制造等比例小型简化刀盘，简化理论、模型实验对盾构刀盘掘进过程进行研究。进行土箱实验分析不同地质条件和掘进参数对掘进推力、扭矩等载荷的影响，以模型实验所得结果验证其模型的准确性。在结合大量的实际工程的施工数据建立刀盘掘进参数的经验公式基础上，导出了扭矩计算的经验公式。总结各种刀具破坏形式及其检测方法，反映整个掘进过程中土体的破坏过程及刀盘受力随时间的变化情况。对影响刀盘掘进效率的因素进行分析及改进，得出刀盘各部分的应力应变情况。盾构刀盘的载荷主要由刀盘与土体相互作用产生，盾构刀盘与土体的相互作用是高度非线性的。

2 盾构刀盘掘进载荷的数值模拟研究

以往的研究或着眼于静力分析或将刀盘简化为简单的柱形刚体，在建立仿真模型时需进行适当简化。相关的耕耘机刀具与土壤的切削仿真，在建立模型时刀盘材料采用各向同性的线弹性材料。以图1所示的盾构刀盘为原型，针对盾构刀盘建立简化三维模型，分别建立刀架和切刀的模型再组合成为一个整体刀盘模型，如图2所示。

（1）近年來土力学的发展较为成熟，但是关于这方面的研究基本还停留在初级阶段。针对土体的相互作用解决切削引起的土体大变形问题，分别建立在砂土和黏土地层条件下刀盘掘进的动态仿真模型。采用流固耦合方法占用大量的计算资源，解决在进行动态数值模拟研究时遇到困难。根据分离依据并基于应力、应变能密度或有效塑性，分析刀盘掘进的过程。应变物理量的物理准则和基于距离等几何尺寸的几何准则，得到刀盘刮刀承受轴向分力的分布规律。

（2）建立模拟盾构刀盘掘进过程中连续切削土体的三维动态仿真模型，研究土压平衡盾构刀盘掘进过程中的土体变形及刀盘受力问题。在计算中采用扩展非线性弹塑性的材料本构关系，讨论掘进过程中土体的变形破坏过程及刀盘所受载荷的变化规律。应用具有单元删除功能的损伤失效准则，解决刀盘掘进过程中土体材料性质直接影响刀盘受力和土体切削的效果的问题。通过单元移除与节点分离的方法，解决盾构刀盘掘进载荷问题。

（3）关于盾构掘进的研究大多侧重于单个切削具切削岩土体的过程，刀盘掘进过程本质上可以视为动态的切削问题。由于盾构刀盘的作业空间在地表以下，必须考虑土体本构的选择和切屑分离的模拟。分析刀盘扭矩的构成因素，创建适合的模型。针对面板式和辐条式刀盘进行模型实验，在满足计算精度要求的基础上应对模型进行合理的简化以节约计算成本。结合试验得到的扭矩结果，将分析土壤切削的方法应用于盾构刀盘掘进分析。从流固耦合角度处理刀盘与土体之间的相互作用，确定与压力相关的峰值剪切强度。

参考文献

[1] （日）土木学会.隧道标准规范（盾构篇）及解说[M].宋伟，译.北京：中国建筑工业出版社，2015.

[2] 朱合华，徐前卫，郑七振，等.软土地层土压平衡盾构施工参数的模型试验研究[J].工木工程学报，2015，40（9）：87-94.

[3] 苏翠侠，蔡宗熙，王燕群，等.基于数值仿真的盾构刀盘载荷影响因素分析[J].机械设计与研究，2012，28（4）：66-69.

[4] 苏翠侠，王燕群，蔡宗熙，等.盾构刀盘掘进载荷的数值模拟[J].天津大学学报，2012，44（3）：522-528.