面向结构性能的砂卵石地层盾构刀盘优选

戴伟屹， 张佳媛

（1.福州大学，福州 350100；2.沈阳经济技术开发区海关，沈阳 110000）

0 引言

盾构机是一种大型隧道挖掘机械，盾构刀盘结构型式与开挖地质情况有着密切的关系，选择合适的刀盘对工程的成败起着至关重要的作用。然而在实际施工过程中，同样的地层条件下采用的刀盘结构型式经常不同，设计出最适合地层条件的刀盘结构对于提高材料利用率、提高掘进效率和降低施工成本具有重要意义。目前国内学者在刀盘结构设计方面已做了大量研究。刘志杰，史彦军等[1-2]提出了基于实例推理的盾构刀盘主参数设计，但未给出具体的结构尺寸参数；韩伟峰、李凤远[3]针对面板式刀盘进行了优化设计，给出了最优的刀盘前后面板厚度和云腿角度，陈长冰、夏毅敏等[4-10]对现有施工的辐板式刀盘进行结构分析，指出受力较大部位，但未对结构尺寸进行进一步优化。

本文以北京地铁砂卵石地层施工为例，对比分析了刀盘结构型式、刀盘云腿方式和刀盘厚度对刀盘结构性能的影响，给出了砂卵石地层条件下最合理的刀盘结构和尺寸。

图1 辐板式斜云腿刀盘

1 砂卵石地层典型刀盘结构

图2 辐条式直云腿刀盘

以北京地铁砂卵石地层施工的刀盘结构型式为参照，提出了4种结构型式的刀盘，分别为：辐板式直云腿刀盘、辐板式斜云腿刀盘、辐条式直云腿刀盘和辐条式斜云腿刀盘，每种型式刀盘分别建立了盘厚为500 mm、400 mm和350 mm的3种模型。刀盘材料采用Q235，所有刀盘直径均为6.16 m，辐条式刀盘由辐板式刀盘去掉面板得到。辐板式刀盘开口率为44%，辐条式为71%。刀盘采用板式箱型结构，面板和辐条由40 mm厚的钢板焊接而成，云腿由60 mm厚的钢板焊接而成。云腿焊点位于辐条上，法兰厚度均为250 mm，斜云腿与刀盘夹角为70°。刀盘上配置有1把中心刀、98把切削刀、40把先行刀和12把周边刀，中心刀安装在刀盘中心；切刀对称安装在各辐条两侧；先行刀安装在辐条中；周边刀安装在刀盘外圈。图1和图2给出了辐板式斜云腿刀盘和辐条式直云腿刀盘2种典型刀盘型式。

2 砂卵石地层刀盘受力计算

本文以北京角门北站到北京南站这一区间地质为例，本段区间地层主要组成成分为卵石并且夹杂一些沙子和砾石。大多数卵石的直径都在20~60 mm。最大直径为180 mm。直径超过20 mm的卵石含量在55%以上。埋深为30 m。地质主要参数在表1列出。

在掘进过程中，为了设计出与地质条件相适应的刀盘，刀盘的受力计算至关重要。刀盘受力主要有：来自挖掘面土体对刀盘正面面板的挤压力FN1和摩擦力f1、土仓内土体对刀盘背面面板的挤压力FN2和摩擦力f2、刀盘侧面圆周面受到的摩擦力Ff、切刀受力Fq、先行刀受力Fx以及周边刀受力Fz。

表1 砂卵石地层地质主要参数

刀盘正面受到的土体挤压力FN1为

式中：D为刀盘直径；K0为静止土压力系数，K0=1－sinφ，φ为土体内摩擦角；γ为土重力密度；H为埋深；ξ为刀盘开口率。

一般认为，盾构机在正常掘进时，土仓压力是刀盘正面压力的80%，所以作用在刀盘背面受到的土体挤压力FN2为

刀盘正面所受地层摩擦力f1为

其中，μ为砂卵石地层与钢的摩擦因数，取0.55。

刀盘背面所受地层摩擦力f2为

刀盘侧面所受摩擦力Ff为

其中：B为刀盘厚度；W为刀盘重量。

切刀受力为

其中：σT为所切削岩石的抗拉强度；d为切刀的切割深度，20 mm；w为刀具宽度，150 mm；α为刀具的前角，α=15°。

先行刀的受力Fx大小在切刀切削力的基础上增加30%，周边刀的受力Fz大小增加50%。

3 刀盘结构有限元分析

图3 辐板式斜云腿400 mm厚刀盘辐条应力云图

图4 辐板式斜云腿400 mm厚刀盘云腿应力云图

图5 辐条式直云腿400 mm厚刀盘辐条应力云图

图6 辐条式直云腿400 mm厚刀盘云腿应力云图

将几何模型导入Hypermesh软件进行预处理，单元类型选用solid45单元，盘体材料弹性模量为206 GPa，泊松比为0.3。在刀盘后面的法兰上施加固定端约束；挤压力和摩擦力以均布载荷的方式施加在刀盘前后面板和辐条的网格节点处，挤压力方向垂直于面板，摩擦力方向与面板相切且与刀盘旋转方向相反；周边摩擦力施加在刀盘外圆周面网格节点处，方向与刀盘旋转方向相反；4种刀大的两个部位正是工程实际较容易出现破裂的位置。具的切削力分别施加在直接参与土体切削的刀具节点上，与刀具切削方向相反。

图3~图5给出了刀盘厚400 mm的辐板式斜云腿和辐条式直云腿2种典型结构的应力云图，为了显示清晰，图中将刀盘其它结构隐藏，单独显示了辐条和云腿所受应力情况。

分析结果显示，4种典型刀盘的最大应力均出现在主辐条与刀盘中心立柱的焊缝处。次最大应力出现在云腿与法兰的连接处。最大应力出现在主辐条与立柱连接处的原因是辐条侧面钢板与刀盘中心立柱圆周面的连接处出现角度较小的尖角（如图3标注①所示），产生了较大应力集中。

刀盘的强度破坏在工程实际中主要表现在：刀盘盘体焊接处开裂、刀盘整体开裂、刀盘外周处开裂、刀盘与云腿焊接处开裂等，而本文的有限元分析结果所显示的应力最

图7 刀盘厚度与辐条最大应力的关系

图8 刀盘厚度与云腿最大应力的关系

4 砂卵石地层刀盘优选

分别提取出4种典型结构下3种刀盘厚度的分析模型中辐条最大应力和云腿最大应力，绘成折线图如图7、图8所示。

由图7、图8可以看出，辐条式刀盘在云腿上和辐条上的最大应力均低于辐板式刀盘；同种刀盘型式，直云腿支撑时云腿和辐条上的最大应力均低于斜云腿支撑；而辐条和云腿的最大应力跟刀盘厚度不是简单的线性关系，刀盘厚度为400 mm时的云腿最大应力最低。综合图7和图8，辐条式直云腿型式的刀盘相对比其它型式的刀盘结构更优，并且当刀盘厚度为400 mm时，辐条和云腿的最大应力最小。

5 结论

1）在砂卵地层工况下，辐条式刀盘结构性能要优于辐板式刀盘，直云腿的支撑方式要优于斜云腿支撑，并且刀盘结构性能与刀盘厚度并不是简单的线性关系，而是存在一个最优的刀盘厚度值。2）优选出辐条式直云腿刀盘厚400 mm的刀盘具有最高的材料性能比，此时辐条最大应力为140 MPa，云腿最大应力为73 MPa。3）本文的最优刀盘结构是在固定刀具布局条件下得出的，刀具布局变化对于刀盘结构性能也有影响，应另文研究。

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