突變載荷下盾構刀盤設計驗證分析

韓偉鋒，陳 饋，張 兵

(盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南 鄭州 451003)

0 引言

盾構在隧道施工過程中，主要依靠刀盤部件旋轉驅動安裝在該部件上的刀具進行破巖。在地層條件較為惡劣的環境中，刀盤受力尤為復雜，除了正常的破巖所造成的阻力外，由于地層軟硬不均的特性，會造成刀盤震動;因此，在刀盤設計過程中須考慮盾構刀盤在掘進過程中震動對刀盤結構強度造成的影響［1-3］，突變載荷情況下刀盤的驗證設計非常有必要。

為了保證關鍵零部件設計的可靠性，隨著計算機三維技術的發展，有限元分析在機械設計中的應用越來越廣泛。對于盾構刀盤設計，目前雖然已有多名學者、專家針對盾構刀盤數字化設計進行了研究，但大多數主要是采用有限元的方法，簡單地在刀盤前面板添加負載，對刀盤受力特性進行極端條件分析，而不能掌握刀盤在載荷不穩定條件下掘進過程的受力狀態［4-9］。

刀盤破巖主要是在運動過程中對巖石沖擊、滾壓進行破巖，并且在不同地理位置，刀盤受力狀態也不相同。為了更深入、更全面地對刀盤受力狀態進行研究，必須對刀盤受不穩定載荷過程進行分析，并根據分析結果，判定刀盤設計的可靠性與合理性。

本文針對某工程項目，通過采用有限元的方法，對盾構掘進過程的刀盤受力特性進行分析，從分析結果可知，刀盤結構強度處于安全范圍內。

1 分析思路

本文采用的方法主要是驗證性分析，結合地質勘探相關數據，采用理論計算方法，獲取盾構掘進理論推力、扭矩對已經完成設計的刀盤進行有限元分析計算，獲得在某段地層條件下盾構刀盤應力、應變數據。如果受力特性沒有超出對應材料的設計風險點，說明刀盤結構強度滿足要求;反之，則須對刀盤進行重新設計。總體分析思路如圖1所示。

圖1 刀盤分析思路Fig.1 Flowchart of cutterhead design

其中，刀盤受力理論計算、刀盤設計標準不是本文的研究重點，故不作詳細介紹。刀盤受力理論計算方法按照鄧立營［9］的研究成果進行計算。設計標準主要應滿足材料標準，Q345碳素鋼屈服強度為345 MPa，如果零部件應力不超過相應安全系數(2～2.5)，則說明刀盤強度設計滿足要求。

2 盾構刀盤

某項目盾構直徑6 280 mm，刀盤表面和開口部位焊接有耐磨層，外圈焊接有耐磨板。為適應黏土地層，防止中心部位結泥餅，刀盤開口率為35%，刀盤開口部分設計為便于流動的楔形結構，開口逐漸變大，利于渣土流動。在刀盤背面的支撐臂和攪拌臂注入泥水和開挖渣土，并在刀盤背面進行充分攪拌。刀盤通過法蘭安裝在主軸承的內齒圈上，并通過液壓馬達驅動。刀盤設計為雙向旋轉，其轉速可無級調節，轉速為1～6 r/min。為了適應本隧洞工程的地質條件，在刀盤上安裝了不同形式的刀具，共有15把17″單刃邊滾刀、16把17″單刃正滾刀、4把17″雙刃滾刀和64把切刀。刀盤結構如圖2所示。

3 地層條件

針對項目特點，選取地層結構較為復雜地段進行分析。該段地層包含人工填土、淤泥質粉質黏土、砂質黏性土、礫質黏性土、粉砂、混合巖及花崗巖等，為典型的軟硬不均地層。在盾構掘進過程中，不但會對刀盤造成受力不均，而且會對刀盤造成一定沖擊，還容易造成地表沉降。地層剖面如圖3所示。

在盾構施工過程中，推力與扭矩的控制隨著地層變換而變化，黏土、填土等地層由于土體抗壓強度較小，較小的推力便能產生較大貫入度;但是由于土體的阻力，刀盤驅動扭矩會比較大。在硬巖地層，由于巖石抗壓強度較高，需要較大推力才能破巖，并且刀具貫入度較小，因此刀盤驅動扭矩較小。盾構各管片的推力、扭矩如圖4和圖5所示。

圖2 刀盤結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of cutterhead structure

圖3 地層剖面圖Fig.3 Geological profile

圖4 盾構推力曲線圖Fig.4 Shield thrust curve

4 盾構刀盤有限元分析

盾構刀盤有限元分析主要以項目施工數據為基礎，以Ansys Workbench為平臺，采用全過程方法完成盾構刀盤在不同地層掘進過程中應力、應變和模態分析，獲取盾構刀盤應力應變數據。

圖5 盾構扭矩曲線圖Fig.5 Shield torque curve

4.1 刀盤建模

首先采用CATIA V5完成刀盤、刀具建模(應盡量減少模型的倒角與圓角數量，以便于后續的網格劃分)，由于刀具對刀盤整體受力性能影響不大，為減輕計算機運算負荷，只對刀盤及刀箱進行分析，然后通過子母受力方式對刀具進行分析研究。刀盤三維模型如圖6所示。

圖6 盾構刀盤三維模型Fig.6 Three dimensional model of shield cutterhead

4.2 網格劃分

有限元求解的思路是將無限連續的材料劃分為有限個求解域，分解成可得到精確解的適當數量的單元，劃分求解區域的過程就叫網格劃分。3D網格的基本形狀有四面體、六面體、棱錐體和棱柱體，有限元分析常用的網格主要有四面體和六面體。相對于四面體，六面排布比較適合材料晶體排布規律，分析結果相對較為準確;但是，由于零部件結構一般情況下并非規則外形，如果完全采用六面體進行網格劃分會出現劃分不成功或者網格質量比較差的問題。因此，對于結構較為復雜的盾構刀盤對于刀盤本體可采用四面體網格進行劃分;對于受力較大的局部位置，如切刀、牛腿、連接法蘭等采用六面體網格進行分析。為了減少計算量、加快計算速度，對于應力集中明顯較小的部位可以加大網格尺寸;對于關鍵部位或者應力集中明顯嚴重的部位應減小網格尺寸，加大網格密度。此種網格劃分方法既能保證網格質量，又能保證刀盤計算準確度。劃分網格后的刀盤如圖7所示。

圖7 刀盤網格劃分示意圖Fig.7 Schematic diagram of mesh division of cutterhead

網格質量的好壞直接影響分析結果的準確性。刀盤網格質量可根據單元格質量、網格寬高比、雅克比比率、扭曲系數、平行偏差、最大壁角角度、偏斜、正交品質等參數進行衡量。一般靜態、準靜態等結構分析常用網格質量分布情況衡量網格質量好壞。圖8為刀盤網格質量分布圖，圖中橫坐標由0～1代表網格質量由壞到好，衡量準則為網格邊長比;縱坐標為網格數量，網格數量與矩形條成正比。從傳動分析結果來看，大部分網格質量大于0.60，說明網格質量滿足分析要求。

4.3 邊界條件設置

1)刀盤材料。金屬材料變形是由于剪應力(偏移應力)所造成的晶界滑動而引起的。這種錯位移動本質上是原子在晶體結構重新排列，造成卸載后不可恢復的應變或永久變形，判定為材料破壞。對金屬部件進行受力分析主要目的是為了不超過彈性極限，要求留有一定安全系數。如刀盤使用材料為Q345，屈服強度為345 MPa，如果刀盤最大應力不超出設計及安全系數，即判定刀盤是安全的。

2)邊界條件。盾構掘進過程中刀盤受力主要包含刀具破巖所產生的推力和刀具滾動阻力產生的刀盤扭矩。刀盤受力如圖9所示。在盾構掘進過程中動力系統通過刀盤將推力與扭矩作用于掌子面，從而實現破巖。

圖8 刀盤網格質量分布圖Fig.8 Distribution of mesh quality of cutterhead

圖9 刀盤推力扭矩作用示意圖Fig.9 Thrust and torque of cutterhead

推力與扭矩加載主要是由地層變化而定，在刀軸與刀箱連接處加載一個隨地層條件變化的推力與扭矩，推力的方向與刀盤軸向平行，扭矩的方向與刀盤旋轉方向相反。此處不論是加載推力還是扭矩，重點是一個動態數據，與傳統的盾構刀盤有限元分析重要區別在于動態分析，使刀盤受力狀況更加貼近實際工況。此處共設置50個刀盤加載步，即按照每環管片長度考取推力扭矩平均值，共分析刀盤在50環管片長度的地層環境中掘進。

5 結果后處理

后處理主要包含應力、應變、變形及模態變形趨勢等各種分析結果。通常最大等效應力和最大變形量為有限元分析最為關注的2個量。應力表示有很多種方法，有限元的最大應力是根據材料力學第四強度理論，采用mises等效應力表示;變形量采用等效變形表示。在50環掘進過程中，刀盤等最大效應力變化曲線與應力云圖如圖10所示，在掘進過程中最大等效應力為281.54 MPa;最大應變變化曲線如圖11所示，掘進過程最大等效應變為1.809 6×10-3mm/mm。

圖10 刀盤最大應力變化曲線圖Fig.10 Curve of maximum stress of cutterhead

圖11 刀盤最大應變變化曲線圖Fig.11 Curve of maximum strain of cutterhead

6 結論與展望

通過對突變載荷條件下盾構刀盤結構受力分析驗證，采用獲得的應力、應變變化情況與刀盤設計相關技術標準進行對比分析，得出在工程極限環境工況下按照材料強度及剛度極限原則進行盾構刀盤設計，在突變載荷條件下滿足刀盤設計相關技術標準和材料強度要求。該方法是盾構刀盤設計重要且不可缺少的環節，不但能完成盾構刀盤設計驗證，同時加載載荷應作為盾構施工過程中的參數指導和理論參考。

但是，本文只是研究了在不同地質條件下刀盤受力狀態，缺少掌子面受力分布研究;因此，還需針對巖機動態耦合過程進行分析，如此不僅可以獲取刀盤最優設計參數，還會獲得在掘進過程中刀盤掘進控制參數以及在盾構受到擾動的地層沉降參數。

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