砂卵石地層盾構刀盤有限元分析

關天民，劉春花，武力，鞠爾男，雷蕾

(1.大連交通大學 機械工程學院， 遼寧 大連 116028;2.大連東軟信息學院 電子工程系，遼寧 大連 116023)

砂卵石地層盾構刀盤有限元分析

關天民1，劉春花1，武力1，鞠爾男2，雷蕾1

(1.大連交通大學 機械工程學院， 遼寧 大連 116028;2.大連東軟信息學院 電子工程系，遼寧 大連 116023)

參照北京地鐵某地段砂卵石地層盾構施工中使用的盾構機刀盤刀具結構，重建了刀盤刀具的三維實體模型；根據地層特性參數計算出了切刀、先行刀和周邊刀的切削力以及地層對刀盤的壓力和摩擦力，建立了盾構機刀盤的有限元計算模型；針對刀盤初始切削、掘進砂卵石地層和遇到大粒徑卵石三種工況，分別分析刀盤刀具的受力特性，得出了應力應變分布規律，并結合工程實例提出刀盤結構的改進措施.

砂卵石地層；刀盤；刀具；有限元分析

0 引言

隨著城市地鐵工程的快速發展，盾構法修建隧道技術在我國得到了廣泛的應用.盾構機刀盤是盾構掘進機的核心部件，其作用主要是開挖地層、穩定開挖面、攪拌碴土[1].砂卵石地層是一種典型的力學不穩定地層，其基本特征是結構松散、無膠結、呈大小不等的顆粒狀[2].砂卵石內摩擦比較大，土的摩擦阻力大，在砂卵石地層中施工對盾構刀盤的磨損程度是極其嚴重的.

李朝、龔艷霞等[3]依據刀盤的實際磨損情況進行分析，給出了提高盾構刀盤耐用性、減少刀盤磨損的工程措施；張明富、袁大軍等[4]采用動態磨損監測裝置盾構刀具進行磨損監測,為工程實際中減小刀具磨損及預測盾構在類似地層條件下的最長掘進距離等提供理論依據；夏毅敏、羅德志等[5]對某種刀盤切削巖石和土壤兩種工況分別進行受力特性分析并得到兩種工況下應力和應變分布規律，研究結果為盾構刀盤的結構設計提供基礎數據；劉守法[6]設計了一種適合在復合地層下掘進的盾構機刀盤結構，并對該刀盤在實際工況下的受力情況進行有限元分析，驗證了該刀盤的結構可靠性；陳饋、蘇翠俠等[7]建立典型刀盤有限元模型建模系統，利用該系統實現了盾構刀盤自動建模和有限元分析,并進行了掘進過程的有限元仿真,得到了刀盤與掘進界面耦合作用下的動態強度、剛度,為刀盤的優化設計提供參考依據.

本文針對盾構機在砂卵石地層切削，參照砂卵石地層特性參數，對建立的盾構機刀盤模型進行了有限元分析，得出刀盤的應力應變分布規律，并根據分析結果提出其改善措施，為盾構機在砂卵石地層施工時的刀盤設計和施工提供理論依據.

1 盾構刀盤三維結構模型

該盾構機刀盤的直徑為6 160 mm，由主輻條3根、輔助輻條3根和6塊面板構成，每個輻條和面板都是中空的箱形結構；輻條和面板各互成60°分布，輻條間采用輔梁連接,輔梁同時起到連接面板的作用.刀盤上面配置有1把中心刀、98把切削刀、12把周邊刮刀和40把先行撕裂刀，刀盤的開口率為39%.刀盤三維實體結構如圖1所示.

圖1 刀盤三維實體模型

2 盾構刀盤有限元模型

2.1 網格劃分

按照上述盾構刀盤的尺寸結構，在Pro/E中建立刀盤的三維模型，然后導入HyperMesh中劃分網格，由于刀盤結構比較復雜，特征較多，所以在用HyperMesh對刀盤劃分網格時對模型進行了必要的簡化，以提高網格劃分精度和減少計算時間.例如：直接刪除螺栓、小圓角、小倒角等幾何特征；簡化了刀具的具體形狀和安裝方式；不考慮刀盤焊接處材料特性的變化，焊接處的材料特性與相鄰構件的材料性能相同[8- 9].盾構刀盤的材料為Q345，密度為7 850 kg/m3，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，許用應力160 MPa.根據盾構刀盤的特點，對切刀、先行刀、周邊刀、輻條、面板、輔梁等根據其結構大小采用不同單元尺寸(分別為15、20、20、50、50、30 mm)進行劃分網格，該有限元模型共有298 706個單元，357 553個節點.

2.2 載荷施加

由于盾構在切削過程中，刀盤轉速和推進速度都很小，因此采用靜力分析模式進行分析，對法蘭盤背面施加全約束.盾構刀盤在掘進時受到切削力和地層擠壓力引起的摩擦力，針對不同工況，分別將上述載荷施加到盤面和刀具的相應部位.盾構刀盤的有限元計算模型如圖2所示.

圖2 刀盤有限元分析模型

(1)切削力

依據北京地鐵4號線角門北路站-北京南站區間地層土工試驗的參數及切刀設計尺寸[10]，計算切刀受力公式為：

(1)

式中：F′C為切刀所受的峰值切削力，N；σT為所切削巖石的抗拉強度，約為4.5MPa；d為切刀的切割深度，約為20mm；w為刀具寬度，為150mm；α為刀具的前角，為15°；經計算切刀所受峰值切削力約為42kN.

先行刀是分布在輻條中心，先于切削刀切削和松散土體，為切削刀創造良好的切削條件.周邊刀布置在刀盤外圓前端面，專用于切削砂卵石.根據切削特點、分布及受力情況，將先行刀的受力大小在切削刀的基礎上增加30%，周邊刀的受力大小在切削刀的基礎上增加50%，即分別為54.6kN和63kN.力分別加載在直接參與土體切削的刀具節點上，分別與刀具切削方向相反，切刀、先行刀和周邊刀上受力單元節點分別為11個、21個和19個，每種刀具上節點所受力大小分別是3 818.182、2 600和3 315.789N.

(2)土體擠壓力

盾構在切削過程中，同時也受到土層的壓力，其受力公式為[11]：

(2)

式中：k0為土壓力系數，砂卵石地層經驗值為0.34～0.45，取0.4；γ為土重力密度，為25kN/m3；z為土層深度，取30m.

將上述數據代入公式，可得砂卵石地層土層壓力為300kPa,再根據開口率可算出刀盤整個盤面的受力為5 451.075kN.

(3)摩擦力

地層摩擦力為:

(3)

式中：μ為土層與刀盤摩擦系數，砂卵石地層取值0.4；F是整個盤面的受力，為5 451.075kN；代入公式可得土層摩擦力為2 180.43kN.將摩擦力施加在整個盤面節點上，與刀盤盤面旋轉方向相反.整個盤面共有節點15 040個，每個節點上施加的力為144.975N.

3 盾構刀盤的有限元分析結果

3.1 工況一：砂卵石地層開始切削

該工況下，切刀受力42kN，先行刀受力54.6kN，周邊刀受力63kN.分別將這些力施加到各刀具的參與土體切削的單元節點上，得到這種工況下的應力應變云圖，如圖3所示.該工況下刀盤最大應力為140.244MPa,最大應變為0.284 742mm，出現在切刀上.

圖3 盾構刀盤應力云圖1

3.2 工況二：砂卵石地層切進土壤

該工況下各刀具除了受到工況一的力外，刀盤面還受到土層摩擦力，由上述可知，砂卵石土層摩擦力為2 180.43kN.將地層摩擦力加載在刀盤盤面上，其余力同工況一，得到此種工況下的應力應變云圖，如圖4所示.該工況下刀盤最大應力為148.262MPa，出現在輻條與刀盤體的連接處,同時切刀上、面板和輻條與輔梁的連接處以及牛腿與法蘭盤的連接處也有較大的應力.最大應變為0.415 4mm，出現在周邊刀上.

圖4 盾構刀盤應力云圖2

3.3 工況三：砂卵石地層遇到大粒徑卵石或孤石

在砂卵石地層中，經常會遇到大粒徑卵石或孤石，使切削比較困難.該工況下假設部分先行刀和周邊刀遇到大粒徑卵石或孤石，抗拉強度為16.1MPa，由式(1)可得切刀所受切削力約為150.3kN，進而可得先行刀受力為195.39kN，周邊刀受力為225.45kN.將切削力加到幾個先行刀和周邊刀上，大小分別為195.39kN和225.45kN，其余刀具和盤面受力同工況二.得到此種工況下的應力和應變云圖，如圖5所示.該工況下刀盤的最大應力為270.653MPa，出現在遇到大粒徑卵石的先行刀上，超過材料的許用應力，破壞較嚴重.另外，遇到大粒徑卵石的周邊刀上、輻條與刀盤體的連接處、切刀上以及面板和輻條與輔梁的連接處也有較大的應力.最大應變為0.591 075mm，出現在周邊刀和刀盤外周.

圖5 盾構刀盤應力云圖3

3.4 分析結果

從有限元的分析結果可知，最大應力應變出現在各工作刀具上、輻條與刀盤體的連接處、面板和輻條與輔助梁的連接處以及牛腿與法蘭盤的連接處.這些地方應力應變較大，容易發生損壞，這與北京地鐵砂卵石地層施工實例較相符，圖6為北京地鐵砂卵石地層施工時刀盤刀具的磨損破壞情況,a為先行刀磨損破壞情況，b為切刀外側不均勻磨損，c為刀盤外圈磨損破壞圖.

圖6 砂卵石地層刀盤刀具磨損破壞情況

針對這些情況應當采取適當措施來改善應力集中的現象，提高刀盤耐用性,如：①在刀盤面板堆焊格柵狀特殊耐磨材料的工藝措施，適當地增加牛腿與法蘭盤、輔梁以及輔梁與主輔條間的焊接強度,適當地增加刀盤邊緣輻條和面板連接處的面板厚度;②在設計時使用耐磨及韌性好的礦用刀具材料，可沿刀具表面實施硬化堆焊，提高刀具自身的耐磨性.

4 結論

通過對盾構刀盤在砂卵石地層中的三種不同工況下的切削進行有限元分析，得出刀盤應力應變分布：砂卵石地層開始切削時最大應力出現在工作切刀上，最大應變為0.284 742mm，最大應力為140.244MPa；砂卵石地層切進土壤時最大應力出現在輻條與刀盤體的連接處，最大應力云圖為148.262MPa，同時切刀上、面板和輻條與輔梁的連接處以及牛腿與法蘭盤的連接處也有較大的應力，最大應變為0.415 4mm，出現在周邊刀上；砂卵石地層遇到大粒徑卵石或孤石最大應力出現在遇到大粒徑卵石的先行刀上，最大應力為270.653MPa，另外，遇到大粒徑卵石的周邊刀上、輻條與刀盤體的連接處、切刀上以及面板和輻條與輔梁的連接處也有較大的應力，最大應變為0.591 075mm，出現在周邊刀和刀盤外周. 排除有限元模型中的結構細部簡化，最大應力位置與實際情況比較吻合，研究結果可為同類刀盤的結構設計和工程施工提供基礎數據.

[1]夏毅敏,羅德志,歐陽濤.小型盾構刀盤有限元建模與分析[J]．制造業自動化，2010,32(2):15- 17,30．

[2] 陳饋，洪開榮，吳學松.盾構施工技術[M]．北京：人民交通出版社，2009．

[3] 李朝，龔艷霞，林森，等.北京砂卵石地層盾構機刀盤磨耗分析及工程措施[J]．建設機械技術與管理，2012(8)：95- 98．

[4]張明富，袁大軍，黃清飛,等.砂卵石地層盾構刀具動態磨損分析[J]．巖石力學與工程學報,2008,27(2):397- 402．

[5]夏毅敏，羅德志，歐陽濤．小型盾構刀盤有限元建模與分析[J]．制造業自動化，2010(2):15- 17,30．

[6] 劉守法.新型盾構機刀盤設計與有限元分析[J]．機械設計與制造,2010(3)：59- 60．

[7] 陳饋,蘇翠俠,王燕群.盾構刀盤的有限元參數化建模及其分析[J]．隧道建設,2011,31(1):37- 41．

[8]暨智勇.一種盾構刀盤的有限元分析[J]．機械設計與制造，2012,3(3):196- 198．

[9] 夏毅敏，周喜溫，劉玉江，等.某型土壓平衡盾構刀盤有限元分析[J]．鄭州大學學報(工學版)，2009,30(3):70- 74．

[10] 樂貴平，賀少輝，羅富榮，等.北京地鐵盾構隧道技術[M]．北京：人民交通出版社,2012．

[11] 陳禹臻，曹麗娟，李守巨，等.盾構機掘進過程中受力平衡分析[J]．工程建設，2010，42(5)：1- 5．

Finite Element Analysis of Shield Cutterhead in Sandy Cobble Stratum

GUAN Tianmin1,LIU Chunhua1,WU Li1,JU Ernan2,LEI Lei1

(1.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.Department of Electronic Engineering,Dalian Neusoft Institute of Information,Dalian 116023,China)

A three-dimensional entity model of shield cutterhead and cutters is reconstructed by referring to the structure of shield cutterhead and cutters,which is used in a section of Beijing metro in Sandy Cobble Stratum.The extrusion force of the stratum to shield cutterhead,force of friction and cutting force of cutter bit,first tools and circumference cutting bit are computed based on the characteristic parameter of stratum,and the finite’element calculation model of shield cutterhead is established. According to the three conditions of the initial cutting of cutterhead,the cutting in Sandy Cobble Stratum and encountering big diameter cobbles,mechanical characteristics of shield cutterhead and cutters are analyzed respectively,so that the rule of stress-strain is educed.In addition,the improvement measures of the cutterhead structure are proposed for a practical project.

sandy cobble stratum;cutterhead;cutters;finite element analysis

1673- 9590(2015)01- 0043- 04

2013- 08- 26

國家自然科學基金資助項目(51105048)

關天民(1963-)，男，教授，博士，主要從事新型擺線輪傳動的研究

E-mail:gtm@djtu.edu.cn.

A