戴偉屹， 張佳媛

（1.福州大學(xué)，福州 350100；2.沈陽(yáng)經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)海關(guān)，沈陽(yáng) 110000）

0 引言

盾構(gòu)機(jī)是一種大型隧道挖掘機(jī)械，盾構(gòu)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)型式與開(kāi)挖地質(zhì)情況有著密切的關(guān)系，選擇合適的刀盤(pán)對(duì)工程的成敗起著至關(guān)重要的作用。然而在實(shí)際施工過(guò)程中，同樣的地層條件下采用的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)型式經(jīng)常不同，設(shè)計(jì)出最適合地層條件的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)對(duì)于提高材料利用率、提高掘進(jìn)效率和降低施工成本具有重要意義。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者在刀盤(pán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面已做了大量研究。劉志杰，史彥軍等[1-2]提出了基于實(shí)例推理的盾構(gòu)刀盤(pán)主參數(shù)設(shè)計(jì)，但未給出具體的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)；韓偉峰、李鳳遠(yuǎn)[3]針對(duì)面板式刀盤(pán)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，給出了最優(yōu)的刀盤(pán)前后面板厚度和云腿角度，陳長(zhǎng)冰、夏毅敏等[4-10]對(duì)現(xiàn)有施工的輻板式刀盤(pán)進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，指出受力較大部位，但未對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

本文以北京地鐵砂卵石地層施工為例，對(duì)比分析了刀盤(pán)結(jié)構(gòu)型式、刀盤(pán)云腿方式和刀盤(pán)厚度對(duì)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)性能的影響，給出了砂卵石地層條件下最合理的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)和尺寸。

圖1 輻板式斜云腿刀盤(pán)

1 砂卵石地層典型刀盤(pán)結(jié)構(gòu)

圖2 輻條式直云腿刀盤(pán)

以北京地鐵砂卵石地層施工的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)型式為參照，提出了4種結(jié)構(gòu)型式的刀盤(pán)，分別為：輻板式直云腿刀盤(pán)、輻板式斜云腿刀盤(pán)、輻條式直云腿刀盤(pán)和輻條式斜云腿刀盤(pán)，每種型式刀盤(pán)分別建立了盤(pán)厚為500 mm、400 mm和350 mm的3種模型。刀盤(pán)材料采用Q235，所有刀盤(pán)直徑均為6.16 m，輻條式刀盤(pán)由輻板式刀盤(pán)去掉面板得到。輻板式刀盤(pán)開(kāi)口率為44%，輻條式為71%。刀盤(pán)采用板式箱型結(jié)構(gòu)，面板和輻條由40 mm厚的鋼板焊接而成，云腿由60 mm厚的鋼板焊接而成。云腿焊點(diǎn)位于輻條上，法蘭厚度均為250 mm，斜云腿與刀盤(pán)夾角為70°。刀盤(pán)上配置有1把中心刀、98把切削刀、40把先行刀和12把周邊刀，中心刀安裝在刀盤(pán)中心；切刀對(duì)稱安裝在各輻條兩側(cè)；先行刀安裝在輻條中；周邊刀安裝在刀盤(pán)外圈。圖1和圖2給出了輻板式斜云腿刀盤(pán)和輻條式直云腿刀盤(pán)2種典型刀盤(pán)型式。

2 砂卵石地層刀盤(pán)受力計(jì)算

本文以北京角門(mén)北站到北京南站這一區(qū)間地質(zhì)為例，本段區(qū)間地層主要組成成分為卵石并且?jiàn)A雜一些沙子和礫石。大多數(shù)卵石的直徑都在20~60 mm。最大直徑為180 mm。直徑超過(guò)20 mm的卵石含量在55%以上。埋深為30 m。地質(zhì)主要參數(shù)在表1列出。

在掘進(jìn)過(guò)程中，為了設(shè)計(jì)出與地質(zhì)條件相適應(yīng)的刀盤(pán)，刀盤(pán)的受力計(jì)算至關(guān)重要。刀盤(pán)受力主要有：來(lái)自挖掘面土體對(duì)刀盤(pán)正面面板的擠壓力FN1和摩擦力f1、土倉(cāng)內(nèi)土體對(duì)刀盤(pán)背面面板的擠壓力FN2和摩擦力f2、刀盤(pán)側(cè)面圓周面受到的摩擦力Ff、切刀受力Fq、先行刀受力Fx以及周邊刀受力Fz。

表1 砂卵石地層地質(zhì)主要參數(shù)

刀盤(pán)正面受到的土體擠壓力FN1為

式中：D為刀盤(pán)直徑；K0為靜止土壓力系數(shù)，K0=1－sinφ，φ為土體內(nèi)摩擦角；γ為土重力密度；H為埋深；ξ為刀盤(pán)開(kāi)口率。

一般認(rèn)為，盾構(gòu)機(jī)在正常掘進(jìn)時(shí)，土倉(cāng)壓力是刀盤(pán)正面壓力的80%，所以作用在刀盤(pán)背面受到的土體擠壓力FN2為

刀盤(pán)正面所受地層摩擦力f1為

其中，μ為砂卵石地層與鋼的摩擦因數(shù)，取0.55。

刀盤(pán)背面所受地層摩擦力f2為

刀盤(pán)側(cè)面所受摩擦力Ff為

其中：B為刀盤(pán)厚度；W為刀盤(pán)重量。

切刀受力為

其中：σT為所切削巖石的抗拉強(qiáng)度；d為切刀的切割深度，20 mm；w為刀具寬度，150 mm；α為刀具的前角，α=15°。

先行刀的受力Fx大小在切刀切削力的基礎(chǔ)上增加30%，周邊刀的受力Fz大小增加50%。

3 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)有限元分析

圖3 輻板式斜云腿400 mm厚刀盤(pán)輻條應(yīng)力云圖

圖4 輻板式斜云腿400 mm厚刀盤(pán)云腿應(yīng)力云圖

圖5 輻條式直云腿400 mm厚刀盤(pán)輻條應(yīng)力云圖

圖6 輻條式直云腿400 mm厚刀盤(pán)云腿應(yīng)力云圖

將幾何模型導(dǎo)入Hypermesh軟件進(jìn)行預(yù)處理，單元類型選用solid45單元，盤(pán)體材料彈性模量為206 GPa，泊松比為0.3。在刀盤(pán)后面的法蘭上施加固定端約束；擠壓力和摩擦力以均布載荷的方式施加在刀盤(pán)前后面板和輻條的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處，擠壓力方向垂直于面板，摩擦力方向與面板相切且與刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向相反；周邊摩擦力施加在刀盤(pán)外圓周面網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)處，方向與刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)方向相反；4種刀大的兩個(gè)部位正是工程實(shí)際較容易出現(xiàn)破裂的位置。具的切削力分別施加在直接參與土體切削的刀具節(jié)點(diǎn)上，與刀具切削方向相反。

圖3~圖5給出了刀盤(pán)厚400 mm的輻板式斜云腿和輻條式直云腿2種典型結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖，為了顯示清晰，圖中將刀盤(pán)其它結(jié)構(gòu)隱藏，單獨(dú)顯示了輻條和云腿所受應(yīng)力情況。

分析結(jié)果顯示，4種典型刀盤(pán)的最大應(yīng)力均出現(xiàn)在主輻條與刀盤(pán)中心立柱的焊縫處。次最大應(yīng)力出現(xiàn)在云腿與法蘭的連接處。最大應(yīng)力出現(xiàn)在主輻條與立柱連接處的原因是輻條側(cè)面鋼板與刀盤(pán)中心立柱圓周面的連接處出現(xiàn)角度較小的尖角（如圖3標(biāo)注①所示），產(chǎn)生了較大應(yīng)力集中。

刀盤(pán)的強(qiáng)度破壞在工程實(shí)際中主要表現(xiàn)在：刀盤(pán)盤(pán)體焊接處開(kāi)裂、刀盤(pán)整體開(kāi)裂、刀盤(pán)外周處開(kāi)裂、刀盤(pán)與云腿焊接處開(kāi)裂等，而本文的有限元分析結(jié)果所顯示的應(yīng)力最

圖7 刀盤(pán)厚度與輻條最大應(yīng)力的關(guān)系

圖8 刀盤(pán)厚度與云腿最大應(yīng)力的關(guān)系

4 砂卵石地層刀盤(pán)優(yōu)選

分別提取出4種典型結(jié)構(gòu)下3種刀盤(pán)厚度的分析模型中輻條最大應(yīng)力和云腿最大應(yīng)力，繪成折線圖如圖7、圖8所示。

由圖7、圖8可以看出，輻條式刀盤(pán)在云腿上和輻條上的最大應(yīng)力均低于輻板式刀盤(pán)；同種刀盤(pán)型式，直云腿支撐時(shí)云腿和輻條上的最大應(yīng)力均低于斜云腿支撐；而輻條和云腿的最大應(yīng)力跟刀盤(pán)厚度不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，刀盤(pán)厚度為400 mm時(shí)的云腿最大應(yīng)力最低。綜合圖7和圖8，輻條式直云腿型式的刀盤(pán)相對(duì)比其它型式的刀盤(pán)結(jié)構(gòu)更優(yōu)，并且當(dāng)?shù)侗P(pán)厚度為400 mm時(shí)，輻條和云腿的最大應(yīng)力最小。

5 結(jié)論

1）在砂卵地層工況下，輻條式刀盤(pán)結(jié)構(gòu)性能要優(yōu)于輻板式刀盤(pán)，直云腿的支撐方式要優(yōu)于斜云腿支撐，并且刀盤(pán)結(jié)構(gòu)性能與刀盤(pán)厚度并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是存在一個(gè)最優(yōu)的刀盤(pán)厚度值。2）優(yōu)選出輻條式直云腿刀盤(pán)厚400 mm的刀盤(pán)具有最高的材料性能比，此時(shí)輻條最大應(yīng)力為140 MPa，云腿最大應(yīng)力為73 MPa。3）本文的最優(yōu)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)是在固定刀具布局條件下得出的，刀具布局變化對(duì)于刀盤(pán)結(jié)構(gòu)性能也有影響，應(yīng)另文研究。

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