盾構(gòu)刀盤多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

林學(xué)華　卓秀清

摘要：盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)的時(shí)候應(yīng)該充分考慮到整個(gè)刀盤的刀盤開口率、刀具的布置、結(jié)構(gòu)形式等對刀盤的影響，必須適合使用條件，確保使用過程中在保持穩(wěn)定的前提下提高掘進(jìn)速度。刀盤設(shè)計(jì)是盾構(gòu)機(jī)的主要零部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性直接影響到盾構(gòu)機(jī)的性能。為了提高設(shè)備的使用效率，需要合理優(yōu)化刀盤結(jié)構(gòu)。文章主要從盾構(gòu)機(jī)刀盤的結(jié)構(gòu)形式、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)三個(gè)方面進(jìn)行簡要分析。優(yōu)化后的盾構(gòu)刀盤應(yīng)力分布更加均勻、刀盤結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度增加，為盾構(gòu)機(jī)刀盤今后的設(shè)計(jì)與發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)刀盤；優(yōu)化設(shè)計(jì)

盾構(gòu)機(jī)是一種地下隧道挖掘?qū)Ｓ玫拇笮汀⒊商资┕ぴO(shè)備，其主要優(yōu)點(diǎn)有質(zhì)優(yōu)、安全、經(jīng)濟(jì)效益高、開挖快、有利環(huán)境保護(hù)、降低勞動(dòng)強(qiáng)度等，在城市施工、隧道挖掘中得到廣泛應(yīng)用。盾構(gòu)機(jī)在施工過程中可能遇到各種不同的地質(zhì)環(huán)境，從粘土、與你、砂層到軟巖、硬巖等。在盾構(gòu)機(jī)使用過程中，其關(guān)鍵部位就是盾構(gòu)刀盤。盾構(gòu)刀盤質(zhì)量好壞直接關(guān)系到盾構(gòu)機(jī)的工作效率、使用壽命和工程的成敗。因此，盾構(gòu)刀盤的設(shè)計(jì)和地質(zhì)工程有著緊密的關(guān)系，不同的地質(zhì)類型要選擇不同的刀盤結(jié)構(gòu)，進(jìn)而盾構(gòu)刀盤的設(shè)計(jì)也應(yīng)該采取多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高盾構(gòu)機(jī)的工作效率。

1.盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)形式

盾構(gòu)刀盤主要具備穩(wěn)定掌子面、攪拌渣土、挖掘三大功能。觀察刀盤的結(jié)構(gòu)，主要由輻條式和面板是兩種，具體使用哪一種應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場的施工條件和地質(zhì)條件決定。泥水盾構(gòu)主要使用面板是刀盤，如果是土壓平衡盾構(gòu)則考慮采用輻條式或者面板式，當(dāng)然，輻條式刀盤明顯優(yōu)于面板式。對于土壓平衡盾構(gòu)來說，使用面板式的盾構(gòu)刀盤時(shí)，當(dāng)泥土流經(jīng)刀盤面板的時(shí)候，泥土可能進(jìn)入土倉開口，進(jìn)而導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)挖掘的過程中艙內(nèi)土壓和挖掘面土壓之間產(chǎn)生壓力，導(dǎo)致挖掘面不易控制。而輻條式的刀盤結(jié)構(gòu)輻條較少，切削下來的土體可能直接進(jìn)入到設(shè)備土倉當(dāng)中，沒有壓力損失，而且在輻條后面設(shè)有攪拌的葉片，在攪拌砂土過程中可以流暢工作。所以，輻條式的刀盤比面板式刀盤的適應(yīng)性強(qiáng)。但是輻條式的刀盤不能安裝滾刀，這也是其缺陷之一，在風(fēng)化后的巖石或者軟硬質(zhì)地不均的地方使用，還是應(yīng)該選擇面板式刀盤。

2.盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1開口率設(shè)計(jì)

盾構(gòu)刀盤的開口率是面板式刀盤開口部分的面積和刀盤面積的比率，其實(shí)質(zhì)上指的是刀盤切削下來的碎土要經(jīng)過刀盤開口槽進(jìn)入土倉。因此，在進(jìn)行刀盤開口設(shè)計(jì)的時(shí)候，必須要考慮到盾構(gòu)機(jī)使用的土壤環(huán)境、開挖面的穩(wěn)定性、開挖效率，并以此作為根據(jù)選擇尺寸、形狀及其他條件相符的刀盤。例如對水泥盾構(gòu)的時(shí)候，盾構(gòu)刀盤的開口率一般設(shè)計(jì)在10%-30%之間；對土壓平衡盾構(gòu)的刀盤設(shè)計(jì)，開口率較小；對于粘性土質(zhì)盾構(gòu)來說，刀盤的開口率應(yīng)該加大；對于較容易坍塌的地質(zhì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行盾構(gòu)的時(shí)候，刀盤的開口率必須慎重選擇。此外，盾構(gòu)刀盤的開口位置要緊靠刀盤的中心，避免工作室切削下來的渣土掉落在中心部位，造成運(yùn)行不暢。

2.2泡沫管的設(shè)計(jì)

實(shí)施土壓平衡盾構(gòu)主要使用于土質(zhì)相對粘稠的施工地點(diǎn)，如果施工地點(diǎn)的含沙量超過限度，泥土的可塑性降低，而且土倉內(nèi)的土?xí)驗(yàn)槟潭粔旱镁o密，倉內(nèi)的土渣就無法排除。此時(shí)，可以采用向土倉內(nèi)注泡沫或水、膨潤土的方法進(jìn)行強(qiáng)制性攪拌，讓沙質(zhì)土軟化。使用泡沫可以有效控制土體塑流性，還可以潤滑盾構(gòu)刀盤、刀具、螺旋輸送機(jī)等，保持盾構(gòu)機(jī)的流暢運(yùn)行，提高其性能和作用。所以，泡沫管可以有效防止刀盤運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，泥土形成泥餅，通常情況下，泡沫管注入口設(shè)置在刀盤的中心部位或者刀盤的背面，通過旋轉(zhuǎn)接頭將泡沫引入，刀盤上布置的泡沫管有兩種，一種是外置式，一種是內(nèi)置式，外置式清理相對容易，但是與土壤直接摩擦，比較容易損壞，內(nèi)置式清理比較麻煩，但是不宜損壞，目前盾構(gòu)機(jī)多使用的是內(nèi)置式。從盾構(gòu)刀盤多目標(biāo)設(shè)計(jì)的角度來說，做好泡沫管布置同樣具有重要作用。

2.3刀盤倒角和變滾刀設(shè)計(jì)

盾構(gòu)機(jī)刀盤的切削直徑最終是由安裝在刀盤外周的刀具實(shí)現(xiàn)的。所以，在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入土層的時(shí)候，其運(yùn)行時(shí)通過周邊的刮刀實(shí)現(xiàn)的。在土質(zhì)堅(jiān)硬或者巖石地質(zhì)進(jìn)行盾構(gòu)的時(shí)候，主要由邊滾刀實(shí)現(xiàn)，在土質(zhì)較軟的區(qū)域進(jìn)行盾構(gòu)的時(shí)候，主要由周邊的刮刀實(shí)現(xiàn)。邊滾刀的徑向和刀盤的面板必須形成一定的角度，刀盤的形狀在邊緣處要流出一定的傾斜角。刀盤在運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，滾刀靠近刀盤的邊緣，其旋轉(zhuǎn)速度要比中心部位滾到旋轉(zhuǎn)速度快，而且切削巖層的直線距離很長。所以，邊滾刀的磨損要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中心滾刀，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，要增加邊滾刀數(shù)量。

3.刀盤多目標(biāo)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

刀盤設(shè)計(jì)之前，要預(yù)先建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，將選取鋼材的厚度作為設(shè)計(jì)中的主要變量，選擇刀盤最大變形和質(zhì)量作為函數(shù)，進(jìn)行整體優(yōu)化，其目標(biāo)就是使刀盤最大變形量和質(zhì)量實(shí)現(xiàn)最小。當(dāng)然，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析的時(shí)候，目標(biāo)函數(shù)的級別會(huì)影響到設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，并以此來確定最佳的設(shè)計(jì)方案。最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案選擇原則在盡量滿足優(yōu)化目標(biāo)的前提下進(jìn)行，優(yōu)化效果最明顯的方案就是盾構(gòu)刀盤需要選擇的方案。

盾構(gòu)刀盤優(yōu)化設(shè)計(jì)流程，先將盾構(gòu)機(jī)刀盤模型參數(shù)化，并按照典型的工況條件對刀盤進(jìn)行靜力分析，并將靜力分析的結(jié)果和設(shè)計(jì)參數(shù)作為邊界條件，對參數(shù)化的模型進(jìn)行不斷優(yōu)化直至求出最佳解，將優(yōu)化結(jié)果返回模型，變更并確定最終設(shè)計(jì)方案。通過這個(gè)方式進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)刀盤校核，即使失敗也可以通過改變設(shè)計(jì)參數(shù)改變刀盤模型的結(jié)構(gòu)尺寸，減少重復(fù)建模的工作量。

4.總結(jié)

盾構(gòu)刀盤進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候，要考慮到刀盤的使用范圍和現(xiàn)實(shí)的土質(zhì)情況，全面考慮各種問題之后，全面優(yōu)化盾構(gòu)刀盤優(yōu)化設(shè)計(jì)。進(jìn)行設(shè)計(jì)的時(shí)候可以根據(jù)相關(guān)參數(shù)選擇獲取設(shè)計(jì)方案，提高設(shè)計(jì)分析思路，為盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)提供新的方法和思路。

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