隧道銑挖法銑挖參數數值模擬研究

肖　楊，楊其新，蔣雅君

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都　610031; 2.西南交通大學土木工程學院，成都　610031)

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隧道銑挖法銑挖參數數值模擬研究

肖楊1，2，楊其新1，2，蔣雅君1，2

(1.西南交通大學交通隧道工程教育部重點實驗室，成都610031; 2.西南交通大學土木工程學院，成都610031)

基于PRO/E建立艾卡特ER1500-1XL銑挖頭模型導入LS-DYNA中，選擇DRUCKER-PRAGER本構模型模擬巖土材料，剛體模擬銑挖頭進行銑削巖土仿真。通過數值模擬方法改變隧道銑挖法中銑削參數(吃刀深度，截割厚度，銑挖方式)，結合現場資料得到隧道銑挖規律。結果如下：(1)截齒荷載平均值差異不大時差異系數較大是截齒破壞的主要原因；(2)吃刀深度和垂直擺動速度與單位比能耗呈指數關系，加大吃刀深度比擺動速度對加大截割厚度更有效，截割阻力與截割厚度成線性關系；(3)銑挖盡量采用順切，較為省力，延長截齒壽命。

隧道工程；銑挖法；銑挖參數；比能耗；LS-DYNA

目前我國山嶺隧道建設主要以鉆爆法為主，鉆爆法對圍巖的擾動大、爆破振動大，對下穿居民區等城市建筑物和水下施工的風險大[1]，煤炭系統引進的懸臂式需要1 100 V高壓電力驅動，山嶺隧道施工條件難以滿足。對于城市地鐵車站[2]，折返線等復雜斷面[3]盾構機無法滿足斷面形式變化要求，鉆爆法對周邊影響太大。銑挖法自2002年進入中國，作為一種機械開挖方式，同煤炭系統的懸臂式掘進機截割過程類似，已經在兩水隧道、瀏陽河隧道[4]、重慶軌道交通3號線[2]、趙家灣隧道等工程中有所應用。其同鉆爆法相比具有小擾動、精確控制超欠挖、安全性好的特點。同TBM與懸臂掘進機相比又有經濟、靈活的優勢，特別適宜軟弱圍巖，地表沉降控制嚴格等不宜采用爆破施工的工程。

目前國內的研究主要集中在以下兩個方面。(1)針對煤炭行業截割頭的設計與優化：劉春生，朱玉勝[5-6]等得到截線間距，截割厚度與比能耗的關系；周游，王崢嶸[7-8]等得出安裝角度對截割效率的影響。(2)對隧道銑挖法施工技術的研究：項志敏開展對銑挖法適用性和效率的研究[4]；孫偉剛研究銑挖法施工工法以及對鉆爆法效率對比[9]。對土建隧道施工中銑挖參數研究較少。

因此，應用動力有限元LS-DYNA對隧道銑挖工藝銑挖參數進行研究，為隧道銑挖法施工提供參考。

1　有限元模型的建立

1.1基本假設

由于實際銑挖過程受巖土體參數、操作手熟練情況、機械配置等影響，為便于數值模擬分析，忽略次要因素，作如下假設：

(1)假設巖土體為各項同性材料，不考慮裂隙節理；

(2)由于刀具剛度遠大于巖土體，故用剛體模型，且不考慮焊縫和排屑的螺旋鋼片；

(3)單元達到失效標準即刻刪除。

1.2銑挖頭與巖土體的建模

銑挖頭以erkat銑挖機ER1500-1XL為藍本，由于模型較為復雜，選擇在PRO/E中建模，裝配好之后導入ANSYS再進行網格劃分。因為左右完全對稱，為簡化模型建模僅考慮其中一鼓，每鼓有24把銑刀，為雙螺旋線排列，單數銑刀在第一條螺旋線上，雙數在第二條螺旋線上，編號如網格圖1所示。幾何參數取自文獻[10]。

圖1　模型網格

銑挖頭選用為*MAT_RIGID剛體材料節省運算時間，銑挖頭選用8節點六面體solid164實體單元。由于銑刀尖角過多，同時細化與巖土接觸的部分，選用四面體solid164實體單元，采用*CONSTRAINED_RIGID_BODIES關鍵字將銑刀和銑挖頭連接。巖土選用考慮靜水壓影響的修正摩爾庫倫模型，在軟件中選取193號*MAT_DRUCKER_PRAGER材料，同樣選擇solid164 六面體單元，單元尺寸為8 mm，巖土尺寸為70 cm×50 cm×20 cm。巖土參數主要參考趙家灣隧道進口銑挖段Ⅳ級圍巖現場測試指標[13]，同時根據《鐵路隧道設計規范》中Ⅳ、Ⅴ級圍巖指標做一定修正。巖土和銑挖頭材料參數見表1。

表1　材料參數

程序中材料193并不帶失效模式，故添加關鍵字*MAT_ADD_EROSION，設置失效準則為最大拉應力和剪切應變拉剪共同作用。最終銑挖頭共91 792個單元，巖土體106 720個單元。

設置銑挖頭與巖土接觸為面面侵蝕接觸，這樣能使巖土單元失效后，程序能夠繼續搜索新的接觸面計算。設置巖土體未與銑挖頭接觸的部分約束全部自由度，同時為消除固定邊界帶來的應力波反射問題，在約束自由度的表面同時添加*BOUNDARY_NON_REFLECTING無反射邊界來抵消應力波反射對計算結果的影響。對銑挖頭施加一個轉動速度和一個平動速度，同時約束其他4個方向的自由度。在非線性動力計算中為了減少計算耗時，采用單點高斯積分，但可能帶來沙漏問題，必須加以抑制，本文選用程序中type5剛性沙漏控制，沙漏系數設為0.05，控制沙漏能小于內能的5%。求解設置中添加RCFORC關鍵字，每10-5s輸出一次接觸力，求解時間設置為銑挖頭旋轉2周需要的時間。

2　銑挖仿真結果與分析

隧道銑挖過程一般分為進鉆掏槽，擺臂銑挖，斷面成型三個過程[11]，其中擺臂截割是最主要的工作。 圖2為銑挖頭垂直擺動時圍巖應力發展狀況，由圖2可見，2條截線上截齒最先由一處破碎發展為2處破碎，塑性域隨著銑挖頭推進擴大連通。從圖1可以看出：沒有與銑挖刀接觸的巖土，雖然發生分離，但并沒有失效消失，這是符合巖土的脆性崩落性質的。

圖2　不同時間銑削巖土的應力

2.1不同吃刀深度的銑挖模擬

吃刀深度是銑挖頭往返作業時沿工作面高度方向的深度[12]，其大小對生產率，截齒受力都將有影響。本文涉及的橫軸式銑挖機相較于刨煤機和縱軸式截割設備吃刀深度較小。吃刀深度取5，7，9，11，16 cm，銑挖頭轉速為75 r/min，擺動速度為0.2 m/s。將截齒所受截割阻力按下式進行處理。

(1)

(2)

(3)

式中Fi——截齒瞬時荷載，N；

σ——截齒荷載標準差，N；

δ——荷載差異系數；

n——同一截齒受力次數。

圖3　不同吃刀深度截割力均值

圖4　不同吃刀深度截割力標準差

圖5　換刀次數與差異系數的對比

由圖3～圖5可見，由于截割荷載的隨機波動性除個別截齒以外，隨著吃刀深度增加截齒所受合外力增大，同時標準差增大表示荷載波動絕對程度增大。截齒的受力齒數隨吃刀深度增加而增多，當吃刀深度達到16 cm時，所有截齒均受力。在吃刀11 cm時差異系數僅20和21號截齒小于吃刀5 cm時差異系數，表明吃刀深度增加截齒所受荷載波標準差增加比平均值增加更劇烈。1～4號截齒在吃刀深度小于16 cm時均不參與破巖，所以換刀次數最少。5，6號截齒和13～16號截齒差異系數在吃刀11 cm時除15號截齒均大于1排在所有截齒前列，17～24號截齒所受荷載均值與13～16號相差不大為1 000 N左右，大于9～12號荷載均值，但差異系數較小，所以在荷載均值差距不大的情況下差異系數對截齒的壽命影響更大，同時表明，現場施工吃刀深度在一個較深的水平上。

截割比能耗是截割單位體積巖土體所消耗的能量Hw(MJ/m3)，是評估截割效率一個有效的指標。

(4)

式中z——截割阻力，N；

t——平均截線間距，mm；

h——平均截割厚度，mm。

但在實際實施過程中，z、t、h均為隨機波動。所以從原定義出發，利用有限元的優勢統計失效的單元數量和所消耗的能量，取散點擬合曲線如圖6所示。

(5)

式中Hw——比能耗，MJ/m3；

部分黨組織書記對發展黨員不夠重視，對黨員后備力量培養認識不到位；有的在黨員發展上存有私心，對有能力想入黨的年輕人存在不培養不發展甚至打壓現象，造成一部分人對黨組織失去信心；有的黨組織書記受傳統影響較大，對女性在村級事務管理上認識不到位，不能夠很好地吸收女性進入黨組織進而發揮作用。

d——吃刀深度，cm。

由式(5)可知：比能耗隨吃刀深度增大而減小，從提高效率出發，可以加大吃刀深度，不但能量利用率更好同時單位時間內截割體積更多，但吃刀深度過大造成截割無法進行，影響截割進度，可結合現場情況選擇合適的吃刀深度。

圖6　不同吃刀深度比能耗

2.2不同截割厚度的模擬

擺動速度影響著截割的生產率，也影響著截齒壽命。與采煤機類似[12]，在銑挖頭參數固定的情況下截割厚度(hi)由垂直擺動速度和轉速決定，如圖7所示。

圖7　截割厚度示意

(6)

式中v——銑挖頭擺動速度，m/min；

n——銑挖頭轉速，r/min；

m——銑挖頭每線齒數；

φi——鎬齒在銑挖頭上周向布置角度。

一般采煤機吃刀深度能達到滾筒半徑，在最大截割厚度時φ最大取90°。此處吃刀深度取9 cm，轉速為75 r/min，本銑挖頭m值取2，照公式(6)換算后計算參數見表2。

表2　不同擺動速度對應最大截割厚度

前節不同吃刀深度按式(6)換算后得到在擺動速度0.2 m/s下不同吃刀與最大截割厚度的關系見表3。

表3　不同吃刀深度對應最大截割厚度　cm

隨擺動速度增加各截齒截割力變化規律與圖3、圖4類似，為描述各截齒受力變化綜合狀況，按式(1)取所有受力截齒平均力，得到截割阻力和比能耗隨截割厚度變化如圖8所示。

圖8　截割阻力和比能耗隨截割厚度變化曲線

從圖8可得在同一吃刀深度下，比能耗隨擺動速度增加呈指數減小，擬合得式(7)

(7)

式中Hw——比能耗，MJ/m3；

hmax——最大截割厚度，cm。

當擺動速度太小，相對應轉速太高，這時與巖體是一種摩擦狀態，產生大量粉塵，截割比能耗低下。當吃刀深度不變，變化擺動速度控制最大截割厚度在5～10 cm，此時比能耗變化基本穩定，再增加擺動速度對降低截割比能耗作用不大。在同一擺動速度情況下，最大截割厚度與比能耗基本呈線性關系。加大吃刀深度比加大擺動速度對于減小比能耗更為有效，但改變吃刀深度對截割厚度范圍改變較小。當擺動速度為0.2 m/s，吃刀深度達到銑挖頭半徑時，截割厚度最大達到8 cm。由圖7幾何關系可知隨吃刀深度增大φ也跟著加大，但sinφ隨φ增大變化率越來越小，即同一擺動速度下吃刀深度對截割厚度改變量越來越慢。通過改變擺動速度或是吃刀深度來改變截割厚度，截割厚度與截割阻力基本呈線性關系，其中當吃刀深度達到16 cm，1～4號截齒參與受力且受力較小拉低了平均值，增加趨勢有所減慢。

因此可得出，為提高生產效率降低比能耗，在一定程度上首先應加大吃刀深度再是提高擺動速度。當吃刀深度太大無法正常截割，則減小吃刀加大擺動速度提高效率。

2.3順切與逆切的模擬

截割過程按照擺臂方向和銑挖頭旋轉方向可分為順切和逆切[11]，如圖9所示。

圖9　不同截割方式示意

取吃刀深度9 cm，擺動速度0.2 m/s，各截齒平均力和差異系數見圖10。

圖10　順切與逆切荷載平均值與差異系數

從圖10可得出，逆切荷載均值為順切的1.6倍，其中18號截齒荷載均值逆切達到順切的2.6倍，由于荷載的波動性24個截齒有4個順切時的差異系數大于逆切，其余逆切時的差異系數大于順切。截齒破巖可分為儲能階段和崩裂階段兩個階段，第一階段產生變形，形成微裂紋，第二階段裂紋發育貫穿到自由面上形成巖石崩裂[14]。順切則充分利用自由面，截割過程中截齒受力較小且波動較小。

3　結論

通過對隧道銑挖法銑挖參數的研究，可以得出如下主要結論。

(1)吃刀深度與比能耗呈指數關系，增大吃刀深度，截割力與差異系數均增加，加快截齒損耗。截齒荷載平均值差距不大時，差異系數較大導致截齒壽命較短。同時表明此型號銑挖頭截齒排列還有優化空間，截齒排列可更為合理以減小銑挖過程中受力差異性，延長整體壽命。

(2)同一吃刀深度下，隨擺動速度變化截割厚度與比能耗呈指數關系，與截割力呈線性關系，在此圍巖條件下，最佳截割厚度為5～10 cm。增加吃刀深度比增大擺動速度對加大截割厚度更為有效。

(3)截割應合理設計截割路徑，充分利用自由面采用順切，減少截齒損耗。

限于篇幅，本文主要是基于數值模擬展開的相關研究工作，還應進一步結合實際施工中的應用再對相關參數進行深入的討論分析。

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Numerical Simulation Analysis of Milling Parameters with Tunnel Milling Excavation Method

XIAO Yang， YANG Qi-xin， JIANG Ya-jun

(1.Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering， Ministry of Education， Chengdu 610031, China; 2.School of Civil Engineering Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China)

German Erkat ER1500-1XL cutting head model is established based on PRO/E， and the element model of rock-soil milling is simulated and analyzed by LS-DYNA solver. DRUCKER-PRAGER constitutive model is employed for rock， and rigid model is adopted for cutting head. The milling parameters(the cutting depth， cutting thickness and cutting mode)are modified by means of numerical simulation and the rules of tunnel milling excavation are obtained based on field data. The results show that:(1)when the mean value of cutting pick has little difference， the bigger the difference coefficient， the more the cutting pick is subject to damage;(2)the cutting depth and vertical swinging velocity turn to be an exponential relationship with specific energy consumption(Hw)， increasing the cutting depth is more effective than increasing vertical swinging velocity for higher cutting thickness， and cutting resistance has linear relationship with cutting thickness; (3) down cutting should be applied as much as possible for better cutting efficiency and long life cycle of the cutting pick．

Tunnel engineering; Milling excavation; Milling parameter; Specific energy consumption; LS-DYNA

2015-12-17；

2016-01-26

中央高校基本科研業務費專項資金資助(SWJTU11ZT33)

肖楊(1989—)，男，碩士研究生，E-mail：jason523@126.com。

1004-2954(2016)08-0100-05

U455.4

ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.08.021