蘇科宇，王 瑜，喬世杰，王志喬，李宏安

(1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)工程技術(shù)學(xué)院，北京 100083； 2.國土資源部深部地質(zhì)鉆探技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100037)

0 引言

盾構(gòu)法施工技術(shù)以其快速、環(huán)保以及安全等優(yōu)點(diǎn)廣為施工方青睞。作為盾構(gòu)施工的核心部件，刀盤承擔(dān)著切削及攪拌渣土的作用。目前北京地鐵盾構(gòu)施工主要穿越地層為地質(zhì)情況極為復(fù)雜特殊的砂卵石地層，刀盤磨損量大，不均勻磨損等情況極為常見，由此，為了提高施工效率、保證施工安全，急需對砂卵石地層工況下刀盤掘進(jìn)過程的巖機(jī)耦合作用開展研究，以優(yōu)化刀盤結(jié)構(gòu)。

本文針對北京地鐵19號(hào)線08標(biāo)段新發(fā)地—草橋區(qū)段的施工工況，并結(jié)合已有的一些力學(xué)研究經(jīng)驗(yàn)公式，通過對刀盤旋轉(zhuǎn)推進(jìn)過程的仿真分析，得到了刀盤-地層相互作用后形成的耦合關(guān)系下的應(yīng)力分布結(jié)果，結(jié)合實(shí)際施工過程中刀盤的磨損狀況，對該工況下的刀盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出相應(yīng)方案。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

富水砂卵石地層結(jié)構(gòu)松散、孔隙率大且滲透性高，級(jí)配不均且內(nèi)摩擦角大[1]。該類地層中進(jìn)行盾構(gòu)法施工遇到的問題有很多，主要有：地層的離散性特征以及受擾動(dòng)后破壞機(jī)理的復(fù)雜性致使盾構(gòu)選型以及刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案難以確定；卵石含量高且地層均勻性差易造成刀具局部磨損嚴(yán)重，個(gè)別大粒徑卵石的存在易造成刀盤旋轉(zhuǎn)卡死的情況，同時(shí)由于地層的特殊性，砂卵石地層中的盾構(gòu)施工過程掘進(jìn)地層所需扭矩較大；開挖后的地表沉降不易控制，土倉內(nèi)壓力與掌子面地層中水土壓力之間的平衡狀態(tài)難以保持，并且掌子面易失穩(wěn)，開挖過程中驅(qū)動(dòng)力難以調(diào)節(jié)。

針對以上問題，國內(nèi)外有大量學(xué)者對此做了一定研究：王俊[2]開展了室內(nèi)盾構(gòu)掘進(jìn)模擬試驗(yàn)結(jié)合三維離散元仿真分析，討論了隨著隧道埋深的不同，砂卵石地層的失穩(wěn)機(jī)制變化；賀少輝等[3]先通過室內(nèi)大直徑試樣三軸試驗(yàn)獲得了砂卵石地層的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，基于試驗(yàn)結(jié)果標(biāo)定了EDEM離散元模擬所需參數(shù)，然后建立砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)模型進(jìn)行EDEM離散元計(jì)算，分析了刀盤的磨損特性，為刀盤優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考；劉永強(qiáng)[4]進(jìn)行了砂卵石地層特點(diǎn)的研究，并總結(jié)出刀盤在該地層的水壓力、土壓力、推力阻力和扭矩阻力的計(jì)算方法，確定了各工作參數(shù)計(jì)算方法，并且對砂卵石地層土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容提出適應(yīng)該地層的選型、計(jì)算和設(shè)計(jì)方法；楊旸等[5]依托南寧地鐵工程實(shí)例對富水圓礫地層中土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過程的掘進(jìn)效果及刀盤磨損情況做了分析；崔娟[6]基于ABAQUS有限元軟件，采用Drucker-Prager塑性本構(gòu)模型以及具有單元?jiǎng)h除功能的剪切損傷失效準(zhǔn)則建立了盾構(gòu)機(jī)切削巖土過程的三維仿真模型，分析了巖土破碎過程以及在不同地質(zhì)條件下切刀切削力的變化規(guī)律，根據(jù)土力學(xué)理論，分析了盾構(gòu)機(jī)刀具切削巖土?xí)r的巖土失效形式，建立了刀具切削土壤的受力模型，推導(dǎo)出了刀具水平切削力和垂直推進(jìn)力的計(jì)算公式；蘇翠俠[7]通過對盾構(gòu)系統(tǒng)推進(jìn)地層的全物理掘進(jìn)過程進(jìn)行數(shù)值模擬，將掘進(jìn)過程轉(zhuǎn)化為刀盤與地層相互作用問題，并且得到了刀盤系統(tǒng)的切削荷載與切削刀具所在刀盤位置的半徑成近似線性關(guān)系、沿徑向增大的結(jié)論；張志鵬等[8]通過對成都地鐵1號(hào)線某區(qū)段內(nèi)富水砂卵石地層中刀盤磨損嚴(yán)重的原因進(jìn)行分析，提出該工況下增設(shè)中心主軸、大直徑邊緣化刀具及邊緣結(jié)構(gòu)需要耐磨加強(qiáng)型的刀盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議；楊志勇等[9]提出了更好反映刀盤開口狀況的環(huán)向開口率的概念，運(yùn)用環(huán)向開口率特征曲線對土壓平衡盾構(gòu)刀盤環(huán)向磨損事件進(jìn)行分析，對卵石地層盾構(gòu)選型有指導(dǎo)意義；Eberhardt[10]與Kasper等[11]等以掘進(jìn)后掌子面上暴露出的土體為研究對象，運(yùn)用數(shù)值仿真方法分析了掘進(jìn)面上的應(yīng)力變化特征；Kaneko[12]將有限元和離散元軟件結(jié)合，提出系統(tǒng)的數(shù)值分析方法，并從整體和局部兩方面研究，對砂土內(nèi)部存在塊石和軟土兩種情況下剪切帶發(fā)展規(guī)律運(yùn)用并行技術(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。

當(dāng)前有關(guān)砂卵石地層中刀盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究主要針對刀盤上刀具的不均勻磨損和過量磨損進(jìn)行局部優(yōu)化，或者對刀盤作極限工況分析后進(jìn)行局部加固處理。本文從刀盤掘進(jìn)地層過程出發(fā)，重點(diǎn)考慮刀盤與前端巖土層的相互作用關(guān)系，分析刀盤和地層各自的應(yīng)力響應(yīng)，從而提出相關(guān)優(yōu)化建議。

2 刀盤-地層耦合應(yīng)力模型

2.1 幾何模型的建立

本盾構(gòu)模型主要用于北京地鐵19號(hào)線08標(biāo)段，主要穿越地層為⑦卵石圓礫層，層厚2.2～9.4m，雜色，較密實(shí)，卵石以亞圓形為主且級(jí)配良好，平均粒徑達(dá)30～80mm，揭露范圍內(nèi)粒徑>30mm的顆粒質(zhì)量占比達(dá)50%～80%，中粗砂填充，局部含大粒徑漂石。本盾構(gòu)隧道區(qū)間內(nèi)含1層層間潛水～承壓水(Ⅳ)型地下水，絕對水位標(biāo)高范圍：15.320～18.400m，⑦卵石圓礫層為主要含水層，天然含水率6%～8%，滲透系數(shù)250～300m/d，屬于強(qiáng)透水層。

三維實(shí)體模型的構(gòu)建基于該工況下使用的中鐵建重工產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)，對仿真模擬結(jié)果無影響的結(jié)構(gòu)，如泡沫口、摩擦面、倒角、螺栓、螺栓孔、結(jié)構(gòu)圓角等忽略不計(jì)。刀盤為輻條型，刀盤直徑為6 640mm，開口率為76%。刀盤布置有切刀96把、邊切刀6把、貝殼刀64把以及中心魚尾刀1把。除中心魚尾刀外，其余刀具均布置在刀梁(輻條)上。切刀布置在輻條兩側(cè)，邊緣切刀布置在輻條邊緣。在Solidworks中建立刀盤三維實(shí)體模型，如圖1所示。

圖1 輻條式刀盤幾何模型

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)可分為兩個(gè)作用過程，刀盤先在推力作用下吃入土體一定深度，然后在扭矩作用下轉(zhuǎn)動(dòng)切削土體。研究刀盤在推力和扭矩作用下地層的應(yīng)力分布規(guī)律，假設(shè)此時(shí)刀盤與地層完全接觸，即刀盤吃入地層中，使用Solidworks中的bool切除功能，將刀盤與地層相結(jié)合，實(shí)際施工過程中，線路頂板埋深7.1～21.3m，模型假設(shè)管線埋深15m，地層整體為30m×15m×30m長方體，待掘進(jìn)隧道位于地層中心。切除后地層模型如圖2所示。

圖2 地層幾何模型

2.2 有限元模型建立

將Solidworks中建立的三維實(shí)體幾何模型導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS/Workbench中進(jìn)行有限元計(jì)算分析，刀盤以及地層的材料參數(shù)如表1所示。兩個(gè)實(shí)體之間的接觸關(guān)系設(shè)置為frictional,摩擦系數(shù)為0.2。

表1 材料參數(shù)

網(wǎng)格劃分方面，在掌子面周圍增加直徑8m的圓柱形網(wǎng)格加密區(qū)，加密區(qū)外采用MultiZone劃分為六面體網(wǎng)格；加密區(qū)則使用Patch Conforming Method劃分為四面體網(wǎng)格，再輔以Sizing控制局部網(wǎng)格尺寸，達(dá)到局部加密的效果，尺寸控制為200mm，最終劃分的網(wǎng)格單元總數(shù)為929 353個(gè)。網(wǎng)格劃分結(jié)束后，按照實(shí)際地層與刀盤之間的相互作用關(guān)系，刀盤受驅(qū)動(dòng)施加的推力以及扭矩，還有刀盤與地層自身的重力作用。施加相應(yīng)的荷載以及位移約束條件，生成刀盤-地層相互作用的有限元模型，有限元模型如圖3所示。

圖3 地層、刀盤有限元模型

2.3 模型荷載與約束

本標(biāo)段盾構(gòu)隧道施工區(qū)間為北京地鐵19號(hào)線新發(fā)地站—草橋站，區(qū)間設(shè)風(fēng)井1座、獨(dú)立聯(lián)絡(luò)通道3座，為雙線盾構(gòu)隧道，右線長度2 132.849m，左線長度2 135.783m，主要穿越地層為強(qiáng)透水層⑦卵石圓礫層。主要掘進(jìn)參數(shù)如表2所示。

表2 實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)

2.3.1模型受力分析

刀盤在地層中所受荷載主要有正面以及側(cè)面的水土壓力，以及刀盤背面的渣土壓力。此外，由于刀盤在驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)切削土體，還需要考慮摩擦阻力的影響，主要包括正面受到前方土體摩擦阻力以及背面受到土倉內(nèi)渣土的摩擦阻力，側(cè)面也受到土體的切向摩擦阻力。

因此，盾構(gòu)機(jī)的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)提供足夠的扭矩,用以克服以下6種阻力矩:刀盤前端面與土層的摩擦阻力矩T1，刀盤背面所受來自土倉的阻力矩T2，刀盤側(cè)面和土層接觸時(shí)的阻力矩T3，刀具切削時(shí)的阻力矩T4，刀盤自重引起的抵抗旋轉(zhuǎn)所需力矩T5及刀盤在密封艙內(nèi)攪拌渣土所需力矩T6。從工程應(yīng)用角度來說，刀盤扭矩主要是前4種。

盾構(gòu)的液壓推進(jìn)系統(tǒng)，在旋轉(zhuǎn)同時(shí)依托管片上的千斤頂推力驅(qū)動(dòng)前進(jìn)，刀盤的阻力即盾構(gòu)所需施加的推力包括：克服外殼與土之間摩擦阻力，克服刀盤承受的主動(dòng)土壓力所需的推力，克服土的黏結(jié)力的推力，克服管片與盾尾間摩擦阻力的推力，后續(xù)后配套設(shè)備所需的牽引力。

由上，模型設(shè)置的邊界約束可分兩類：一是直接在刀盤背面施加推力和扭矩以模擬電機(jī)驅(qū)動(dòng)，另外考慮重力因素，添加重力加速度；二是在模擬地層的周邊都設(shè)置固定位移約束，模擬在無限大的地下空間內(nèi)盾構(gòu)施工的工況。

2.3.2推力和扭矩計(jì)算與選取

本文基于盾構(gòu)施工推進(jìn)過程中監(jiān)測到的實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬，現(xiàn)場施工中反映的推力、扭矩監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，推力變化范圍為7 000～12 000kN，扭矩變化范圍為2 500～4 500kN·m。據(jù)前所述，切削扭矩的組成部分眾多，且各自有其計(jì)算公式，在此不做精確計(jì)算，可按照刀盤裝備扭矩T計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[13]：

T=αD3

(1)

式中：T為刀盤扭矩；α為刀盤扭矩系數(shù)，取值范圍一般為15～32；D為刀盤直徑，本文模擬的刀盤直徑為6.6m。刀盤扭矩系數(shù)取15，由此經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到的刀盤扭矩為4 312kN·m,綜合現(xiàn)場工況下最大扭矩為4 500kN·m，本次模擬刀盤在極限工況下的受力狀況，施加在刀盤背面的扭矩為4 500kN·m。

裝備總推力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

F=βD2

(2)

式中：β為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般硬巖盾構(gòu)隧道中刀盤布刀以滾刀為主，破巖方式以壓碎后旋轉(zhuǎn)剝落為主，取值為500～1 200；砂卵石地層易擾動(dòng)剝落，本型刀盤使用大開口率輻條式刀盤，刀具以切刀和貝殼刀為主，破巖方式以剝落為主，經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取值150～250。由此，推力的取值范圍為6 534～10 890kN。綜合現(xiàn)場實(shí)際推進(jìn)過程中盾構(gòu)推力范圍為700～12 000kN，本次仿真忽略后續(xù)配套設(shè)備所需牽引力以及管片與盾尾間摩擦阻力，取實(shí)際工況中的中間值8 500kN。

最終結(jié)合施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)，選取扭矩為3 500kN·m，推力為8 500kN，重力加速度取9.8m/s。

3 仿真結(jié)果分析

本文著重研究盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀盤與地層相互作用形成耦合關(guān)系后地層的受力狀況，使用靜力分析研究模型在恒定荷載下的力學(xué)響應(yīng)，刀盤旋轉(zhuǎn)的角速度較低，通過靜力分析可確定刀盤的應(yīng)力集中區(qū)以及地層的受力狀況，為刀盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

3.1 刀盤的應(yīng)力分布結(jié)果

施加荷載后，經(jīng)過有限元計(jì)算，得到模型的等效應(yīng)力云圖。提取刀盤的等效應(yīng)力強(qiáng)度分布，如圖4所示，應(yīng)力較大區(qū)域分布在各刀具與刀梁連接處以及刀梁與圈梁連接處，整體來看，刀盤中心和邊緣兩個(gè)區(qū)域的應(yīng)力較大，中部圈梁與刀梁連接處附近的等效應(yīng)力也較大。刀盤整體的應(yīng)力分布主要受其上刀具的影響，刀具的局部凸出使得對應(yīng)部位的應(yīng)力集中現(xiàn)象較為明顯，忽略刀具以及刀盤自身結(jié)構(gòu)中各個(gè)連接部位的影響，刀盤整體上應(yīng)力變化與沿著半徑增大方向上線速度的變化影響以及刀盤邊緣的應(yīng)力集中效應(yīng)等兩方面因素有關(guān)，整體上呈現(xiàn)出以下規(guī)律：自中心沿著半徑增大的方向，刀盤所受地層的反力先減小，后在邊緣處增大，邊緣處的應(yīng)力集中效應(yīng)明顯。

圖4 刀盤應(yīng)力分布云圖

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，刀盤上高應(yīng)力區(qū)域出現(xiàn)在中心刀與其基座的連接部位處以及中圈梁與刀梁的連接位置，最高達(dá)2.58MPa，該結(jié)果為掘進(jìn)動(dòng)態(tài)下刀盤受力響應(yīng)，據(jù)等效應(yīng)力強(qiáng)度分布，在對刀盤結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)，建議在高應(yīng)力區(qū)做加強(qiáng)筋或圓角處理，增大接觸面積同時(shí)減小局部應(yīng)力集中效應(yīng)。

如圖5所示，外圈梁上的應(yīng)力異常區(qū)域主要在刀梁與圈梁的連接處，圈梁上表面處的應(yīng)力集中現(xiàn)象更為明顯，下表面由于刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)帶來的擠壓力也會(huì)有應(yīng)力的局部增大現(xiàn)象。切刀刃部的應(yīng)力也有異常增大的現(xiàn)象，但相較于切刀與刀梁、刀梁與外圈梁的連接處，增大效應(yīng)不明顯。

圖5 刀盤Von-Mises等效應(yīng)力分布云圖

3.2 耦合地層的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果

仿真基于刀盤吃入地層并與地層完全接觸，各刀具均切入地層的假設(shè)，并且刀盤受力狀態(tài)與實(shí)際工況一致。截取兩個(gè)平面對地層的應(yīng)力響應(yīng)狀態(tài)進(jìn)行分析：刀盤中心刀尖端與地層的接觸點(diǎn)所在的xy平面，該平面可以較直觀地反映刀盤形狀以及刀具布置對地層整體應(yīng)力分布的影響；x=15 000mm平面，反映沿著半徑增大的方向上地層的應(yīng)力響應(yīng)狀態(tài)的變化。

選取刀盤中心刀尖端(最大出刃高度)與地層接觸點(diǎn)所在的xy平面(z=-4 000mm平面)，該平面內(nèi)應(yīng)力分布較規(guī)律，應(yīng)力較大的區(qū)域主要集中在刀盤與地層的接觸部位，即各刀梁及其上所連接的刀具、圈梁，各接觸部位之間的區(qū)域應(yīng)力逐漸減小。各刀具所在位置處的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯，中心魚尾刀基座與刀翼的連接部位以及刀尖處對應(yīng)的地層中等效應(yīng)力最大，所選平面中最高達(dá)1.23MPa。整體來看，地層中的等效應(yīng)力沿著半徑增大方向的變化規(guī)律與之前所述刀盤上的整體應(yīng)力變化規(guī)律基本一致。

極限工況下，選取x=15 000mm平面的等效應(yīng)力云圖，整體規(guī)律呈沿著半徑增大的方向先逐漸減小，至邊緣處應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。所選平面內(nèi)地層的最大應(yīng)力達(dá)1.91MPa，出現(xiàn)在中心刀基座連接處。中心區(qū)域應(yīng)力分布受中心魚尾刀的結(jié)構(gòu)影響較大，局部呈外凸弧形。

3.3 刀盤磨損監(jiān)測與結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議

數(shù)值仿真的結(jié)果反映了地層對盾構(gòu)推進(jìn)過程的應(yīng)力響應(yīng)，等效應(yīng)力強(qiáng)度大的區(qū)域，破碎程度越高，對應(yīng)刀盤的磨損量也就越大。通過對地層中等效應(yīng)力的分布研究，結(jié)合現(xiàn)場施工過程中刀盤磨損監(jiān)測數(shù)據(jù)，可對刀盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案的確定提供一定參考。在刀梁1和刀梁4上表面建立如圖6所示的路徑，用于直觀顯示地層中沿刀盤徑向的等效應(yīng)力變化，該路徑下的應(yīng)力變化基本反映了在刀具效應(yīng)影響不大的情況下地層對于刀盤作用的應(yīng)力響應(yīng)狀況。提取1-2路徑上節(jié)點(diǎn)上的等效應(yīng)力，其自左向右隨著位置的變化趨勢如圖6所示，這較為直觀地反映了之前應(yīng)力云圖中的變化規(guī)律，即沿著半徑增大的方向，地層的等效應(yīng)力逐漸增大，刀盤邊緣所在位置的區(qū)域有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

圖6 1-2路徑下Von-Mises等效應(yīng)力變化趨勢

現(xiàn)場刀具更換資料中給出了區(qū)間施工完成后，刀梁上各類刀具的磨損量監(jiān)測數(shù)據(jù)，提取刀梁1和刀梁4上貝殼刀的磨損數(shù)據(jù)，沿著1-2路徑方向繪制磨損量變化趨勢，結(jié)果如圖7所示。刀盤材料一定的情況下，地層中等效應(yīng)力越大的部位，對應(yīng)處刀具的磨損量也較大。考慮到該刀盤上布置的貝殼刀分兩種刀高，并且這兩類刀交叉布置于刀梁上，顯然出刃高的刀具磨損量相對較大，所以相鄰貝殼刀的磨損量也受刀具布置的影響，但整體變化趨勢與圖6反映的各位置等效應(yīng)力變化趨勢相近，結(jié)果基本一致。

圖7 1-2路徑下貝殼刀磨損量變化趨勢

仿真結(jié)果以及磨損量監(jiān)測結(jié)果均表明，在刀盤與地層接觸的邊緣處，等效應(yīng)力分布較大。如圖8所示，刀盤檢修現(xiàn)場的監(jiān)測情況也顯示，該區(qū)域的切刀外側(cè)刀刃邊角處有個(gè)別崩壞的現(xiàn)象。

圖8 邊緣處應(yīng)力集中區(qū)域附近刀具崩壞現(xiàn)象

由此，刀盤上刀具的磨損情況也基本與對應(yīng)地層的整體應(yīng)力分布規(guī)律相契合：靠近中心部位的刀具等效應(yīng)力與邊緣刀具的等效應(yīng)力相比較，整體來說比較小，邊緣處的應(yīng)力集中現(xiàn)象明顯。為了緩解刀盤的局部磨損不均勻，減少換刀檢修頻次，邊緣附近的切刀外刃適當(dāng)進(jìn)行材料加強(qiáng)處理，刀刃處適當(dāng)進(jìn)行圓滑處理，避免出現(xiàn)崩壞情況。此外，貝殼刀的出刃高度也可進(jìn)行調(diào)整，由監(jiān)測數(shù)據(jù)可見邊緣處貝殼刀磨損量高達(dá)10mm，邊緣附近的平均出刃高度應(yīng)適當(dāng)加大，靠近中心的刀具由于等效應(yīng)力相對較小，磨損較小，普遍在2～5mm，可不變或適度降低。

4 結(jié)語

通過對富水砂卵石地層中盾構(gòu)施工研究現(xiàn)狀分析和對輻條式刀盤與相應(yīng)地層的耦合作用模型進(jìn)行靜態(tài)結(jié)構(gòu)仿真分析得出以下主要結(jié)論。

1)富水砂卵石地層中盾構(gòu)施工的研究難點(diǎn)主要在于其破壞機(jī)理難以確定，導(dǎo)致盾構(gòu)施工設(shè)備參數(shù)以及施工方案難以優(yōu)化。將刀盤掘進(jìn)該類地層的復(fù)雜過程整合為刀盤系統(tǒng)與掌子面耦合作用下推進(jìn)地層，對這一過程進(jìn)行仿真分析，得到相應(yīng)地層中應(yīng)力分布結(jié)果，從而對刀盤結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及施工過程提供參考。

2)仿真結(jié)果顯示，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀盤結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力較大區(qū)域出現(xiàn)在中心刀基座與刀翼連接處、中圈梁與刀梁連接處以及邊緣外圈梁與刀梁連接處，最大等效應(yīng)力為2.58MPa。

3)不考慮刀具以及圈梁與輻條局部連接影響的情況下，地層中的等效應(yīng)力變化基本遵循這一規(guī)律：中心處等效應(yīng)力較為集中，沿著半徑增大的徑向方向上，等效應(yīng)力先稍許減小再逐漸增大，至刀盤邊緣與地層接觸處出現(xiàn)較為明顯的邊緣應(yīng)力集中現(xiàn)象。

4)該種工況下地層中最大等效應(yīng)力達(dá)到1.91MPa，位置仍然在中心刀刀翼與其基座連接處對應(yīng)的地層區(qū)域。根據(jù)上述應(yīng)力變化規(guī)律，建議對邊緣處切刀的外刃進(jìn)行邊角圓滑處理，局部更換高硬度材料防止應(yīng)力集中導(dǎo)致刀具崩壞影響施工進(jìn)度。中心附近刀具的等效應(yīng)力相對外圍較小，靠近中心的刀具出刃可適當(dāng)調(diào)小，邊緣處適當(dāng)調(diào)高，適度改良刀盤局部的磨損不均勻問題。