斜井盾構地下可拆解刀盤結構設計

徐震

（中國鐵建重工集團有限公司，湖南長沙410100）

斜井盾構地下可拆解刀盤結構設計

徐震

（中國鐵建重工集團有限公司，湖南長沙410100）

盾構斜井地下拆解受空間及地質(zhì)條件等多方因素的影響，無法直接進行刀盤吊裝拆解。為實現(xiàn)盾構刀盤在斜井地下有限空間內(nèi)安全、快速、高效拆解，必須開展盾構刀盤可拆解結構形式研究。在盾構研發(fā)設計階段，結合盾構施工斜井工程設備要求和盾構地下拆解施工條件，將刀盤分塊設計理念植入到盾構刀盤結構設計中，對盾構刀盤的重量、結構尺寸等關鍵可拆解結構參數(shù)進行分析設計。

盾構；斜井；地下；拆解；刀盤

隨著我國境內(nèi)軌道交通基礎設施的大量興建，盾構法施工得到了越來越廣泛的應用[1]。然而，由于山嶺隧道或煤礦斜井工程的盾構獨頭掘進機施工與城市地鐵的盾構掘進結束后拆機條件不同[2]，獨頭掘進沒有接收井，不能直接推出隧道洞口，必須在隧道洞內(nèi)進行拆機工作，而類似城市地鐵的盾構掘進設計有接收井，可在露天環(huán)境進行盾構拆機工作。因此，盾構隧道內(nèi)拆機受空間和自身部件重量的限制，拆機施工困難復雜，且具有較大的危險性。

刀盤作為盾構拆解的關鍵部件，不僅結構尺寸較大，而且重量也比其他零部件重[3]，直接影響盾構在隧道內(nèi)的拆機工作，而通常的刀盤拆除方法是破壞性拆除，拆卸后的刀盤無法再次利用，造成設備損壞和設備資產(chǎn)的損失[4]。為此，本文在刀盤設計階段，對尺寸大、重量重的盾構刀盤結構進行可拆解形式研究，解決盾構刀盤在隧道內(nèi)拆解受空間狹小、自身重量重和破壞性拆除難以再利用的問題，從而為盾構掘進施工后續(xù)的部件拆解提供技術支持。

1　刀盤可拆解結構設計

1.1設計要求和原則

刀盤可拆解結構主要滿足盾構刀盤適應斜井施工、模式快速轉換結構、廠內(nèi)制造加工能力、公路橋梁運輸能力、地下原位拆解施工作業(yè)等要求。刀盤可拆解結構設計主要遵循“載荷平衡、耐磨抗振、破巖高效、排渣順暢”的原則，針對施工地質(zhì)狀況、刀盤受力對稱平衡性以及鏟渣效率等方面的影響，結合斜井大坡度、大埋深的工程特點，重點分析設計刀盤分塊形式。因此，刀盤可拆解結構設計通過以下三種方案進行比選，即盾構的“1+1”分塊刀盤、“2+1”分塊刀盤、“4+1”分塊刀盤，三種刀盤方案均可采用分塊運輸，施工現(xiàn)場完成拼焊組裝。

1.2“1+1”分塊刀盤結構設計

由于刀盤直徑為7.62 m，尺寸過大，根據(jù)公路運輸強制性要求，在高速公路上運輸非常困難，所以將整體刀盤一分為二，從而減小半個刀盤尺寸；同時考慮刀具安裝定位便捷、快速，該刀盤分為不對稱式左、右分塊結構，具體分塊參數(shù)為：塊1外形尺寸為：7 620 mm×4 860 mm×2 895 mm，重量為65 t；塊2外形尺寸為7 342 mm×3 390 mm×2 895 mm，重量為40 t，如圖1所示。

圖1　刀盤“1+1”分塊形式圖

從刀盤制造組裝和承載能力，運輸對最大質(zhì)量、尺寸的要求，以及在地下硐室內(nèi)拆解運輸?shù)目蓪嵤┬苑矫婵紤]，“1+1”分塊結構雖然整體承載性能與整體刀盤接近，但是由于分塊尺寸大，制造組裝過程中難度較大，連接大法蘭被拆分成兩塊，易引起拼焊精度不足，出現(xiàn)與主驅(qū)動螺栓連接受限等不利因素。在地下硐室內(nèi)拆解時，“1+1”分塊刀盤因分塊尺寸過大，不利于拆卸以及實現(xiàn)硐室內(nèi)往外運輸。綜上所述，“1+1”分塊刀盤的整體承載性能雖然比較可靠，但是其尺寸大、重量重，不適合地下硐室拆解。

1.3“2+1”分塊刀盤結構設計

為保證刀盤結構強度、減小刀盤分塊后的尺寸和重量，將刀盤設計成上、中、下三分塊的“2+1形式”結構，如圖2所示。

圖2　刀盤“2+1”分塊形式

1.4“4+1”分塊刀盤結構設計

為了實現(xiàn)刀盤在地下硐室內(nèi)順利拆解和運輸，在“2+1”刀盤分塊基礎之上，將刀盤進一步分成“4+ 1”結構形式，如圖3所示。

圖3　刀盤“4+1”分塊形式

2　刀盤可拆解結構受力分析

2.1工況分析

本文設計的盾構刀盤應用于煤礦斜井工程中，主要存在三種工況：工況一為盾構在地質(zhì)均勻、無破碎帶、地層穩(wěn)定條件下掘進，刀盤受力均勻；工況二為盾構在地質(zhì)連續(xù)變化、軟硬不均、破碎帶地層掘進，刀盤受力不均勻；工況三為盾構在硬巖工作面出現(xiàn)部分軟巖，刀盤受到偏心負載載荷作用。

2.2約束和載荷加載

為了模擬刀盤分塊結構中各個分塊結構間的作用力，刀盤各分塊間采用綁定接觸約束關系進行模擬，且各分塊單獨劃分網(wǎng)格，在計算結果中可以單獨查看各個分塊間接觸面上的應力分布情況。針對盾構施工煤礦斜井的復雜工況，結合盾構理論分析設計結果和安全要求。由于不同巖層對盾構掘進過程產(chǎn)生不同阻力，在刀盤有限元分析模型中，需對盾構刀盤施加最大軸向推力和最大扭矩值，并由理論計算結果得出其最大軸向推力和扭矩值分別為12 500 kN和8 460 kNm.在工況一條件下刀盤加載方法為刀盤背部法蘭面上均勻加載最大推力，在刀盤背部法蘭外圈弧面上施加最大扭矩，其他連接部位和刀座上施加全約束。在工況二條件下，盾構雖滿推力工作，但整個刀盤中只有約1/5的刀具受力，在刀具安裝位置上均勻加載最大推力，在刀盤背部法蘭外圈弧面上施加最大扭矩。在工況三條件下盾構的硬巖工作面出現(xiàn)部分軟巖，刀盤受到的偏心力，此時只有1/3刀盤面積上施加推力，在刀盤背部法蘭外圈弧面上施加扭矩，并在刀盤法蘭環(huán)處添加約束，刀座上施加載荷。

2.3“2+1”分塊刀盤結構分析

“2+1”刀盤在工況一條件下，刀盤最大應力出現(xiàn)在刀盤刀座上，最大應力值為197.3 MPa；工況二條件下，刀盤最大應力出現(xiàn)在刀座支架部位，最大應力值為279.6 MPa，最大位移量為5.2 mm（見圖4）；工況三條件下，刀盤最大應力值出現(xiàn)在加強筋板處，最大應力值為223.7 MPa，由于刀盤選擇的材料是Q345高強度鋼，其屈服強度均大于刀盤在三種工況條件下所受的最大集中應力，故“2+1”形式分塊刀盤在保證焊接質(zhì)量后的結構強度完全滿足盾構施工要求。

圖4　“2+1”刀盤應力云圖（工況二）

“2+1”刀盤分塊在工況二條件下，刀盤兩邊塊最大應力均出現(xiàn)在刀盤支架連接處，最大應力值為187.9 MPa；刀盤中心塊最大應力則出現(xiàn)在刀盤刀座和支架連接處，最大應力值為279.6 MPa（見圖5）；由于刀盤選擇的材料是Q345高強度鋼，其屈服強度均大于刀盤連接處所受的最大集中應力，故“2+1”形式分塊刀盤在保證焊接質(zhì)量后的刀盤分塊結構強度仍滿足盾構施工要求。

圖5　“2+1”刀盤分塊的應力云圖

2.4“4+1”分塊刀盤結構分析

工況一條件下，刀盤受到的最大應力為286.3 MPa；工況二條件下，刀盤受到的最大應力為318.2 MPa，最大位移量6.3 mm（見圖6）；工況三條件下，刀盤受到的最大應力為302.6 MPa.考慮選用Q345材料，其屈服強度為345 MPa，由于應力集中的影響，三種工況下的最大應力均接近材料的屈服極限，故“4+1”分塊刀盤焊接后的結構強度雖然在屈服強度范圍內(nèi)，但考慮到實際施工狀況復雜，難于滿足盾構施工要求。

圖6　“4+1”刀盤應力云圖（工況二）

3　刀盤可拆解結構比選

針對煤礦斜井工程的盾構地下拆解更多是在原位無擴大硐室的條件下進行，而無擴大硐室拆解工程的特點是原位就地拆解、無擴大硐室、經(jīng)濟效益高，適用于斜井地段拆解，其不足之處是需要采用多吊點聯(lián)動，且作業(yè)空間狹小。

3.1刀盤分塊對比分析

對盾構無擴大硐室拆解的施工特點和三種分塊方式下刀盤仿真分析結果對比分析得出：“1+1”分塊刀盤因為尺寸大、重量大，難以在地下硐室內(nèi)完好拆解；“2+1”分塊刀盤中邊塊1和邊塊2的尺寸重量相比“1+1”分塊刀盤均較小，便于制造組裝過程中吊運，其中間塊結構可保證連接大法蘭保持整體承載性能。但在地下無擴大硐室拆解時，由于隧道斷面空間尺寸限制，如果中心塊尺寸過大和重量偏大，難以拆解和硐室內(nèi)運輸；“4+1”分塊刀盤單塊最大尺寸減小、重量降低，能保證盾構原位無擴大硐室拆解的較高完好率但對刀盤的制造拼接精度要求高，組裝難度大，結構強度降低。三種分塊方式下刀盤形式性能對比分析如表1所示。

表1　三種分塊方式刀盤性能比選分析表

3.2刀盤分塊結構選型

盾構刀盤在三種工況條件下，既要滿足盾構施工的強度可靠性要求，又要充分滿足加工組裝、運輸和拆解的安全要求。由于“2+1”分塊刀盤邊塊的尺寸和重量均較小，便于制造組裝過程中吊運，其中間塊結構可保證連接大法蘭保持整體承載性能，但是中間塊尺寸過大和重量偏大難以在地下無擴大硐室拆解和硐室內(nèi)運輸；而“4+1”分塊刀盤單塊最大尺寸減小、重量降低，但對刀盤的制造拼接精度要求高，組裝難度大，結構強度降低，并能保證盾構原位無擴大硐室拆解的較高完好率。

因此，針對煤礦斜井工程的地下無擴大硐室拆解需求，結合三種刀盤分塊優(yōu)劣的比選分析結果，刀盤的結構形式采用“2+1”刀盤分塊組裝結構和“4+1”刀盤分塊拆解結構，即在刀盤設計制造組裝階段，采用便于制造加工且整體強度高的“2+1”分塊刀盤在廠內(nèi)加工制造組裝；在刀盤拆解階段，采用分塊尺寸小、重量較輕的“4+1”刀盤分塊拆解，實施無擴大硐室內(nèi)拆解，具體分塊參數(shù)如表2和表3所示。

表2　“4+1”分塊刀盤具體參數(shù)表

表3　“2+1”分塊刀盤具體參數(shù)表

4　結束語

本文通過分析盾構刀盤尺寸和重量的空間限制、結構受力與變形的影響，運用經(jīng)驗設計和仿真分析等方法對無擴大硐室刀盤可拆解結構形式進行比較分析得出，在保證刀盤制造組裝的高質(zhì)高效，達到刀盤拆解運輸對最大質(zhì)量和尺寸的可行性要求下，綜合分析比較刀盤“1+1”、“2+1”和“4+1”三種分塊設計思路，綜合設計了便于制造且整體強度高的“2+1”形式和分塊尺寸小、重量較輕的“4+1”形式刀盤組合而成的刀盤可拆解結構形式，滿足了在盾構施工斜井地下無擴大硐室拆解施工條件下的刀盤受力特性、施工安全性和拆解再利用的要求。

[1]雷升祥.斜井復合盾構法施工技術研究[M].北京:中國鐵道出版社，2011.

[2]李守彪，毛東暉，鄒春華．大埋深煤礦長斜井盾構拆解施工技術分析[J]．煤炭工程，2014，46（9）：32-34．

[3]龍斌.新街臺格廟礦區(qū)長距離大坡度斜井TBM設備選型探討[J].鐵道建筑技術，2012，（10）：25-27.

[4]鄒春華，梅勇兵.煤礦斜井盾構螺旋輸送機原位拆卸施工技術[J].施工技術，2015，（7）：117-119.

Design of the Disassembly Cutter Structure and Dismantling Technology for Shield Machine Underground in Inclined Shaft

XU Zhen
（China Railway Construction Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha Hunan 410100，China）

Shield inclined shaft underground dismantling affected space and geological conditions and other factors. It cannot directly carry out the dismantling of cutter.In order to realize the shield safety，in inclined underground space is limited in rapid and efficient dismantling，research on cutter structure type of shield can be carried out. Therefore，according to the construction of inclined shaft engineering equipment and shield underground dismantling construction conditions，the design concept of the cutter block is embedded in the shield cutter structure design in the research and design phase of the shield，and the weight and size of dismantling cutter structure are studied in this paper.

shield；slope；underground；dismantling；cutter

TD40

A

1672-545X（2016）10-0001-04

2016-07-19

國家科技支撐計劃資助項目:煤礦長距離斜井盾構原位地下拆解及配套技術（2013BAB10B03）

徐震（1981-），男，河南淮陽人，博士，主要研究方向：盾構機/TBM的關鍵部件研發(fā)設計。