盾構滾刀布置方法分析與研究

趙雷剛,陳云節,劉發展

(武漢船用機械有限責任公司,武漢 430084)

盾構滾刀布置方法分析與研究

趙雷剛1,陳云節2,劉發展3

(武漢船用機械有限責任公司,武漢 430084)

盾構施工中直接與土體接觸的刀盤,其上刀具的布置是否合理直接影響盾構施工的順利進行和施工成本。從盾構滾刀布置的基本原則出發,指出盾構滾刀刀間距的確定方法,利用等磨損原則分析盾構滾刀布置不同半徑上每條軌跡應布置的刀具數量,闡述刀具布置合理性的驗證方法,利用實例驗證了利用該方法布置盾構滾刀的合理性。

盾構;滾刀布置;刀間距;受力平衡

作為盾構施工中直接與土體接觸的刀盤,其上刀具的布置直接影響盾構施工的成敗,同時也是降低盾構掘進成本的關鍵技術之一。特別是在硬巖掘進中破巖滾刀的布置,其布置的合理性直接影響破巖效果。在刀具布置中對刀盤性能影響最為關鍵的參數分別是刀間距和相位角,合理的刀間距是保證掘進機全斷面切削的必要條件,也是保證滾刀壽命的重要參數,而合理的相位角不僅是平衡刀盤受力的關鍵參數,同時對刀具切削破巖也有重要的作用。

1 盾構滾刀布置原則

盾構滾刀布置和數量調整應從以下幾個方面考慮[1,2]。

(1)刀間距合理原則。合理的滾刀間距布置應使相鄰滾刀之間的巖石能完全被滾刀破碎,即相鄰滾刀的破碎槽能夠相交。由于破碎槽大小與滾刀尺寸、巖石性質、推力或切深有關,故刀間距也與以上因素相關。根據滾刀破巖試驗結果,一般巖石強度(總硬度)越高,刀間距應越小。根據經驗,對于17″滾刀,硬巖中最大刀間距一般不宜超過90mm。

(2)刀具均衡磨損原則。理想的刀具布置是在滿足破巖條件下(刀具破巖圈應覆蓋開挖面,不留凸起巖脊圈),應盡可能使各刀位刀具的磨損量處于均衡狀態,即“等磨損布刀”原則。但由于受最大刀間距的限制,越靠近刀盤中心,旋轉半徑越小,刀具磨損也越小。故只有旋轉半徑大于一定值以外的刀盤區域才能實現“等磨損布刀”。

(3)刀盤受力平衡原則。刀盤上各刀具水平切削分力(垂直于刀盤軸心線)的合力稱為不平衡力。設計上不平衡力盡可能小,一般不平衡力與推力之比應小于1%。不平衡力太大,掘進過程易產生刀盤振動,對刀盤主軸承受力不利。降低不平衡力的有效措施是盡可能采用對稱布置刀具。

2 滾刀刀間距的確定

刀間距是滾刀破碎巖石的重要工作參數。最優刀間距S的確定與巖石的物理性質和滾刀的切割深度h有關,如圖1所示。

盾構滾刀在對巖石進行破巖過程中,根據滾刀破巖體積相交程度,可分為破巖區域不相交、破巖區域剛好相交和破巖區域相交,如圖2～圖4所示。

圖1 刀間距與切深

圖2 破巖區域不相交

圖3所示的是臨界刀間距布置情況,記作臨界刀間距S0

式中,B為滾刀刀刃頂部寬度;h為滾刀切割深度;β為巖石破碎半角,取值如表1所示。

圖3 破巖區域剛好相交

圖4 破巖區域相交

表1 一些巖石的自然破碎角

從式(1)可知臨界刀間距與滾刀切割深度和巖石的性質(破碎角)有關,在實際應用中,同一臺盾構機的刀間距不變,主要通過改變刀盤的推力來適應不同的地質條件。盾構機滾刀刀間距設計應滿足S＜S[3]。0

3 盾構滾刀的布置方法

盾構滾刀在復合盾構刀盤上的布置一般分為3個區域,中心區、正面區和邊緣區。3個區域的刀具在掘進過程中所起作用不完全相同,刀具布置特點也有區別,但都遵循盾構刀具的布置原則。

3.1 基于等磨損原則的滾刀數量的確定

根據盾構刀具布置的原則,盾構刀具的布置應滿足“等磨損原則”,即整個刀盤刀具在每個切削軌跡上磨損量都一致。盾構刀具數量應根據刀具的磨損系數和掘進系數確定[4]。

(1)刀具磨損系數

刀具的磨損量受施工法、土質、掘進距離、刀具形狀、刀具材質、推進速度、刀盤轉速等因素影響。盾構滾刀的磨損量可以由如下公式計算:[5,6]

式中,δ為磨損量,mm;K為磨耗系數,mm/km;r為盾構刀具分布半徑,m;nd為刀盤轉動速度,r/min;L為掘進距離,m;v為掘進速度,cm/min。

刀具的實際磨耗系數可參考日本公司施工實際推算

式中,Kn為1條軌跡配置n把刀具的磨耗系數; K=2K*為1條軌跡配置1把滾刀的磨耗系數[6]。

K*是根據日本公司盾構施工實踐得到(表2)[7]。

將式(2)代入式(1),即可預測刀具的磨損量

其中μ=r/n0.333,c1=πKLnd/5v。對于給定的某種地質狀況,c1是常數。定義μ為不同半徑上不同刀具的“磨損系數”,即刀具在給定掘進距離L時磨損量的影響因子[6]。從磨損系數公式可以看出,當給定臨界磨損系數后則可得出刀具數量和安裝半徑的關系曲線(圖5)。

表2 土壓平衡式盾構機磨耗系數 ×10-3mm/km

圖5 磨損系數

(2)刀具掘進系數

對式(1)進行變換得到

引入[δ]代替δ,[δ]為限定磨損量,并考慮n把切削刀時的磨耗系數Kn的修正作用,得到刀具的許用掘進距離[L]的計算公式

對于某一確定地質狀況,c2是常數。定義ε為不同半徑上不同刀具的“掘進系數”,即刀具在允許磨損壽命下的掘進距離影響因子,其 με=1,所以 ε= n0.333/r[6],當給定臨界掘進系數則可得出刀具數量和安裝半徑的關系曲線(圖6)。

圖6 掘進系數曲線

(3)不同切削半徑滾刀數量確定

當給定刀具的限定磨損量、施工要求以及掘進參數時,就可以得到相適應的臨界磨損系數和臨界掘進系數。以刀具安裝半徑為橫坐標,以磨損系數或者掘進系數為縱坐標,得到磨損系數圖和掘進系數圖,通過磨損系數圖和掘進系數圖可以確定出不同切削半徑上滿足刀具磨損等壽命原則時所需要的最少刀具數量。

3.2 盾構滾刀布置曲線

刀具在刀盤上的布置方法主要有阿基米德螺旋線布置法和同心圓布置法。為保證全斷面開挖,目前主要采用阿基米德螺旋線布置法,刀具分散對稱布置在與螺旋線相交的輻條兩側,以滿足盾構機正、反兩個方向回轉的要求,從而達到布局、結構和負載的最優設計。

(1)阿基米德螺旋線布置法

阿基米德螺旋線定義為:動點P沿射線OP以等速率運動的同時,射線OP繞O點等角速度旋轉,動點P滑過的軌跡即為阿基米德螺線,極坐標的描述為

ρ=ρ0+α(θ-θ0) (7)

式中,ρ為極軸;ρ0為極軸初值;α為常系數;θ為極角,(°);θ0為初始相位角,(°)。

螺距Δρ=2πα,在極坐標中如圖7所示。

圖7 阿基米德螺線示意

(2)盾構滾刀單螺旋布置

根據等磨損原則確定的刀具數量,當切削半徑小于R1(R1為圖5和圖6中臨界狀態下不同數量刀具的分布半徑,其值取圖5和圖6中同刀具數量曲線下刀具安裝半徑大的值)的區域,在此區域每一回轉半徑上只需配置1把刀具即可。

盾構在根據所通過的大體地質情況及用戶需求確定刀盤基本結構參數和刀具幾何尺寸后,即可得到螺旋曲線布置的基本計算輸入條件[8],螺旋線布置曲線參數包括:盾構機外徑d1,刀盤切削外徑d2,內圈輻條數目mn,外圈輻條數目mw,中心刀長度d3,滾刀刀頭寬度b1。

盾構滾刀的數量(盾構單方向回轉所需的刀具數量)的計算方法為

對式(8)的計算結果取整后為N0把,主切削刀與中心刀重疊量c為

則阿基米德螺線極軸初始值為

由于內圈采用mn根輻條布置,所以在一個圓周范圍內,mn把寬度為b1的主切削刀所需的最小螺線間距為Δρ=mnb1,得到α=Δρ/2π,代入式(7)就可得到刀具的單螺旋線布置曲線方程。

(3)盾構滾刀雙(多)螺旋布置

根據等磨損原則,沿刀盤徑向當半徑大于R1時,每一切削軌跡布置1把或多把刀具,因而采用雙螺旋或多螺旋進行刀具布置[9]。

盾構刀具布置過程中必須考慮盾構受力平衡原則,即刀具對稱布置,所以采用多螺旋布置時,各螺旋的初始相位

其中n為螺旋數。其他參數與單螺旋計算相同,每條螺旋螺距大小相等,曲線旋轉方向一致,圖8為阿基米德三螺旋線示意。

圖8 阿基米德三螺旋線示意

4 刀盤受力平衡計算

在對盾構刀具進行布置時,應使盾構刀盤受力平衡,即刀盤不平衡力與推力之比應小于1%。

4.1 切削力綜合模型(CSM模型)

目前,對滾刀破巖性能預測模型應用最多的是科羅拉多礦業學院模型(CSM模型)[10],即

式中,Ft為滾刀所受合力;R為滾刀半徑;T為滾刀刀尖寬度;ψ為刀尖分布系數;φ為滾刀刀刃與巖石接觸角;σc為巖石單軸抗壓強度;σt為巖石抗拉強度; C為無量綱系數,C≈2.12。

4.2 刀盤推力

刀盤推力指推動刀具破巖所需的合力,不包括客服盾構前進的各種摩擦力和土艙土壓產生的反推力。刀盤推力由每個滾刀的垂直(法向)推力沿盾構機軸線法向的分力疊加而得

式中,Fp為刀盤推力;Fni為第i個刀具的垂直(法向)推力;βi為第i個刀具法線與盾構軸線的夾角;N為刀盤上的刀具數量。

4.3 刀盤不平衡力計算

刀盤不平衡力指個刀具水平(切向)切削力和垂直(法向)推力在刀盤平面上形成的合力,不平衡力大時容易引起刀盤旋轉時產生偏心和振動,對主軸承壽命產生不利影響,此力越小越好。

式中,θi為第i個刀具的分布角度;Fu為刀盤總的不平衡力;Fx為x軸方向的不平衡力;Fy為y軸方向的不平衡力;Fri為第i個刀具的水平(切向)切削力。

5 實例計算

以某城市地鐵2號線地鐵隧道盾構施工選型作為計算實例。該標段經過黏土、含碎石黏土、石英砂巖、砂巖等地層,根據盾構用戶的要求,此盾構機需為復合式,既能在軟土中進行施工,同時也能兼顧硬巖的掘進。基于用戶的需求及地質條件,在此設計該復合盾構在軟土中掘進時采用先行刀,當遇到硬巖時先行刀更換為滾刀。

刀具條件:滾刀材質為E-5,半徑為216mm,刀尖寬度為12mm,刀具限定磨損量[δ]通常允許值定在10～20mm,在此取15mm,刀盤6根主輻條用于布置滾刀。

施工條件:掘進速度v=3.0cm/min,刀盤回轉速度nd=1.6r/min,切深h=15mm,刀盤工程要求換刀距離L≥2000m。

5.1 滾刀刀間距

根據地質條件和公式(1)計算得滾刀的臨界刀間距為

在此取巖石的破碎角為136°。為了使滾刀能夠更合理地破巖,取滾刀刀間距(中心滾刀除外)為80mm,中心滾刀和邊緣滾刀刀間距為84mm。

5.2 滾刀數量及分布確定

由于地質中含有巖石及粗砂層,根據表選用在砂層中能安全掘進的E-5材質的最大磨耗系數35μm· km-1,根據等磨損量原則,結合地質參數,并考慮安全系數、臨界磨損系數及臨界掘進系數,得到刀盤上不同半徑區域r下的滾刀刀具數量如表3所示。滾刀(中心滾刀除外)采用三螺旋分布,所確定的刀盤滾刀布置如圖9所示。

表3 不同半徑區域r下的滾刀刀具數量 把

圖9 刀盤滾刀布置

5.3 刀盤受力平衡分析

根據刀具切削力綜合模型CSM模型計算得單個滾刀的垂直力Fn和水平切削力Fr如圖10所示。

圖10 滾刀垂直力Fn和水平切削力Fr

計算得刀盤推力為

不平衡力Fu=53.46kN。

刀盤不平衡力與推力之比為0.67%。

因此,滾刀的布置能夠滿足盾構刀盤受力平衡。

6 結論

(1)提出了復合盾構刀具布置的基本原則,包括合理的滾刀間距、刀具掘進過程中的等磨損原則及刀具布置要使刀盤受力平衡。

(2)分析了滾刀刀間距的確定方法,利用等磨損原理確定了盾構滾刀的數量及布置方法,提出利用刀盤受力平衡對刀具布置進行驗證。

(3)通過實例驗證了通過所述方法布置復合盾構滾刀的合理性。

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Analysis and Research on the Arrangement of Disk Cutter of Shield Machine

ZHAO Lei-gang1, CHEN Yun-jie2, LIU Fa-zhan3
(Wuhan Marine Machinery Plant Co. , Ltd. , Wuhan 430084, China)

In a shield machine,the disk cutter in cutter head which always directly contacts with the soil should be reasonably arranged,because the rationality of disk cutter arrangement will have direct impact on the machine performance and the construction cost.Based on the basic principles of disk cutter arrangement of shield machine,the paper proposes the design mode of cutter spacing,analyzes the compute method of cutter quantity in each track of different radius under the equal-wear principle of cutter,expounds the verification method of disk cutter arrangement,and verifies the rationality of disk cutter arrangement of shield machine by this method in combination with actual case.

shield;disk cutter arrangement;cutter spacing;force balance

U455.43

A

1004 -2954(2012)11 -0084 -05

2012 -04 -03

趙雷剛(1980—),男,工學博士,E-mail:zhaoleigang@ 126.com。