基于ABAQUS的盾構切刀群模擬切削研究

蔡 寶， 石坤舉， 朱文華

(上海第二工業大學工程訓練中心， 上海 201209)

基于ABAQUS的盾構切刀群模擬切削研究

蔡 寶， 石坤舉， 朱文華

(上海第二工業大學工程訓練中心， 上海 201209)

為了解決復合式土壓平衡盾構(earth pressure balance)在實際施工時常出現刀盤結餅、刀箱堵塞等工程問題，從刀群切削效果角度研究刀盤刀具布置的合理性，采用切刀群和滾刀群的動態切削模擬方法，提出土體質量變化和刀盤受載的評價指標，得到以下結論： 軟土地質下切刀群存在內偏角時的切削效果明顯好于無內偏角的情況； 掘進地層地質較軟時宜采用小切刀切削重疊量，地質較硬時宜采用大切刀切削重疊量。刀群布置的研究過程為實際工程問題的解決提供了方法，數值仿真結果為復合式土壓平衡盾構刀盤刀群的組合設計提供了參考。

多地質條件； 復合式土壓平衡盾構； 刀盤； 刀具布置； 動態切削模擬； 切刀群

0 引言

復合式土壓平衡盾構簡稱EPB，常應用于水利水電、礦山開采、交通、市政、國防等工程建設中，是集機械、電氣、液壓和測控等于一體的專門用于地下隧道工程開挖的高科技智能化施工裝備[1]。

復合式盾構刀盤處于整個盾構的最前端，主要承擔切削前方巖土的作用，刀盤上通常布置有滾刀、切刀等不同類型的刀具。復合式刀盤在掘進時由于前方地質條件多變，刀盤常出現大面積結餅或者刀箱堵塞問題，對刀盤壽命影響較大，因而如何設計出合理的刀群布置方案，使其適應多種地質條件，在安全掘進的同時增加刀盤刀具壽命是近年來盾構刀盤研究的關鍵[2-5]。

目前，國內學者對EPB刀盤掘進性能開展研究較多。霍軍周等[6]從刀盤開口模式的角度展開，運用計算流體力學的方法，研究了不同刀盤開口方式對碴土流動性的影響。虞詩強等[7]針對EPB盾構刀盤的開口模式與盤體結構設計之間相互影響、耦合的特點，研究盾構刀盤開口率對刀盤挖掘過程的影響規律。夏毅敏等[8]提出了盾構刀盤滾刀布置基本原則，采用遺傳算法求解得到滾刀布置參數。管會生等[9]估算了盾構刀盤的切削轉矩，對滾刀和切刀切削產生的地層抗力轉矩進行了計算公式的推導。閆玉茹等[10]針對北京地鐵4號線14標使用的刀盤布刀方式提出減少刀具磨損的優化布置措施。

已有文獻鮮有對大規模刀群的切削效果進行研究，針對地質條件也較為單一。本文擬對大規模切刀群的切削效果進行對比，并試圖建立多種地質條件，利用數值計算的方法研究多地質條件下刀群布置的合理性。

1 總體研究思路

歸納刀具布置過程中的關鍵參數，尤其針對復合式盾構刀盤復雜多變的掘進地質條件，建立地質條件與刀具布置關鍵參數之間的關系。具體研究的刀具布置關鍵參數如下：

1)切削重疊量。相鄰切刀的切削重疊量是切刀布置的關鍵參數，合理的重疊量能有效提高切削效率。

2)裝配內偏角。刀盤上不同位置的切刀可設計為不同的內偏角。

3)布刀方式。不同形式刀盤結構的切刀群布置方式也不同，比較不同刀具布置方式對切削效果的影響。

本文研究技術路線見圖1。

圖1 研究技術路線

基于此研究技術路線，以切刀群為研究對象，建立黏土、砂土和復合工況多地質條件，采用ABAQUS數值模擬軟件作為仿真平臺，分析刀盤布置的3個關鍵參數，建立動態切削效果評價指標(刀盤受載和巖土質量變化)，得到多地質工況下刀盤布置關鍵參數優選結果，從而為實際刀盤的刀具布置設計提供依據。

2 切刀群布置設計

2.1切削重疊量

針對3種常見的切刀切削重疊量5、15、25 mm，分別對3種地質工況展開研究，通過ABAQUS動態模擬得到3種刀群下巖土的切削全過程并對其進行數據處理和分析。

2.1.1 地質條件本構模型

本文采用擴展的Drucker-Prager塑性本構模型作為土體的本構模型，利用對稱罰函數接觸算法模擬切刀與土壤的相互耦合作用，應用包含單元刪除功能的剪切失效準則來避免土壤單元網格扭曲和畸變問題，選擇求解復雜非線性問題的ABAQUS/Explicit顯示算法來實現盾構刀盤上切刀切削過程的仿真模擬[11]。

2.1.2 地質條件建立

工程上常見的地質類型包括黏土、砂土和復合巖土地質，本文建立的地質條件為黏土地質、砂土地質和上層為砂土、下層為中分化閃長巖的復合地質。查閱相關文獻[12-15]的地質參數統計見表1。

表1 巖土物理力學參數

本文所有對比研究均由黏土、砂土和復合巖土3種地質組成，其中黏土工況和砂土工況統稱為軟土工況，復合巖土工況為上軟下硬、上層砂土下層閃長巖地質。這3種工況代表了掘進前方地層的主要地質條件，使該研究更具一般性。

2.1.3 分析步、接觸、載荷添加設置以及網格劃分

為了保證分析過程的準確性，ABAQUS中參數設置time scaling factor為0.1，mass scaling factor為10 000，target time increment為0.005，后處理中輸出60 s的計算結果，設置刀盤旋轉速度為1 r/min，掘進速度為30 mm/r。

設置土體表面網格精度為0.5 mm，采用三維線性減縮積分六面體(hex)單元，巖土模型采用單方向網格加密法，刀群設置為剛體，刀盤網格數保持在10萬個，土體網格數保持在100萬個。

2.1.4 刀群布置模型

為了保證相鄰順次切削的切刀切削重疊量相同，切刀布置方程為：

ρn+1=ρn+D-h。

(1)

式中：ρn表示第n把刀具的安裝半徑，在4輻條4輻板刀盤上切刀安裝在輻條邊且呈對稱布置，因而安裝角度只有0°、90°、180°、270°；D為切刀厚度；h為切刀切削重疊量，分別設置為5、15、25 mm，得到3種不同切削重疊量的切刀群布置方式。

刀盤切刀裝配示意如圖2所示。

圖2 刀群布置示意

2.1.5 3種地質工況下土體表面應力分布云圖

圖3為切刀切削重疊量為5 mm時3種地質工況下土體模型的應力分布云圖。由于黏土土質較為疏松，其表面應力值較小，數量級為0.01 MPa，如圖 3(a)所示；砂土表面應力值數量級為0.1 MPa，如圖3(b)所示；復合地層中由于閃長巖硬度較大，所以應力分布呈現明顯的不同，巖石表面應力值數量級為100 MPa，如圖3(c)所示。由于刀盤均未設置中心刀具，從應力云圖中可以清晰地看到巖土模型中心均未受到切削作用。

2.1.6 3種地質工況下土體質量下降對比

圖4示出3種地質工況下巖土模型的質量變化曲線，可以清晰地對比出不同切削重疊量的刀盤刀群的切削效果，為了更加有效地反映土體質量變化，計算出切削時間內刀群的切削率P(%)。巖土模型質量變化統計見表2。

(a)黏土地質(b)砂土地質(c)復合地質

圖3 3種地質工況的地質應力云圖(單位： MPa)

圖4 3種地質工況下巖土質量隨時間變化曲線(不同切刀切削重疊量)

由圖4和表2可得到以下結論：

1)在不同地質工況下， 3種不同的切削重疊量在60 s內切削的土體質量均大于刀盤掘進的理論切削值，說明刀具能夠完全清除掌子面渣土。

2)對于同一切削重疊量，切刀的切削能力趨于相同，重疊量為5 mm的刀盤在砂土地質中切削效果最好，如圖4(a)所示；重疊量為15 mm和25 mm的刀盤在復合地質中的切削效果更好，如圖4(b)和4(c)所示。

2.1.7 復合地質工況下刀盤受到的作用力、作用力矩對比

在黏土和砂土地質工況下，刀盤受到的載荷偏小，分析刀盤受載規律意義較小，重點分析不同切刀切削重疊量刀盤在復合地質中存在巖石地層的受載情況，如圖5所示。

為了更加直接地比較3種不同切削重疊量刀盤在復合地質下的受載情況，將刀盤受到的3個方向的力Fx、Fy、Fz(其中Fy為刀盤軸向受到的反推力，Fx和Fz為平行于刀盤表面的相互垂直的一對作用力)及其產生的力矩(Mx、My、Mz)進行數據統計，如表3和表4所示。

(a)∑Fx(b)∑Fy(c)∑Fz(d)∑Mx(e)∑My(f)∑Mz

圖5 復合地質工況下不同切刀切削重疊量刀盤受載情況

表4 不同切刀切削重疊量刀盤所受力矩統計分析

結合圖5(a)、5(b)、5(c)和表3，復合地質中由于有巖石地層的存在， 3個方向的作用力數量級為106N；結合圖5(d)、5(e)、5(f)和表4，重疊量為25 mm的切刀群受到的轉矩波動均小于重疊量為5 mm和15 mm的切刀群轉矩，從刀盤受到的作用力和作用力矩角度考慮，在地質條件較為復雜、尤其存在較硬巖石的復合地層中適當增加切刀群的切削重疊量，不僅能有效減小刀盤受載而且能降低刀盤受載的波動。

2.2切刀裝配內偏角

2.2.1 切刀群布置方案

在模擬的刀盤上共布置不同極徑的切刀26把，刀具布置方程與前述相同，但刀盤上每把切刀根據所處位置均設置一定的內偏角，具體布置方案如圖6所示。

(a) 無內偏角

(b) 有內偏角

2.2.2 3種地質工況下土體質量下降對比

在相同的切刀群布置方式下， 3種典型工況下巖土模型質量變化曲線如圖7所示。可以看出，有切刀內偏角的刀群切削下來的土體質量均高于無內偏角的刀群，有內偏角的刀群切削效果好于無內偏角的刀群。

(a) 黏土地質

(b) 砂土地質

(c) 復合地質

圖7 3種地質工況下巖土質量隨時間變化曲線(切刀有、無內偏角)
Fig. 7 Curves of rock and soil quality varying over time under three different geological conditions(with and without inner angle)

2.3切刀布置方式

2.3.1 切刀群對比模型建立

比較2類刀盤結構下切刀群的切削效果，刀具布置角度因輻條變化而變化，6輻條刀盤布置方程與4輻條刀盤原則上相同(見式1)，刀具布置角度θ分別為0°、60°、120°、180°、240°和300°，刀盤結構示意如圖8所示。

(a)4輻條(b)6輻條

圖8刀盤結構示意
Fig. 8 Two kinds of cutterhead structure

2.3.2 3種地質工況下土體質量下降對比

3種地質工況下巖土質量下降隨時間變化曲線如圖9所示， 2種不同形式的刀盤在3種地質條件下土體質量變化區域相同，并無明顯質量差異。

(a)黏土地質(b)砂土地質(c)復合地質

圖9 3種地質工況下巖土質量隨時間變化曲線(不同刀盤結構形式)
Fig. 9 Curves of rock and soil quality varying over time under three different geological conditions(different cutterhead structures)

2.3.3 3種地質工況下刀盤受到的力和力矩對比

3種地質工況下刀盤受到的合力、合力矩隨時間變化曲線如圖10所示。

1)根據圖10(a)、10(d)，在黏土地層中，2類刀盤所受的合力、合力矩數值較小且變化規律趨于相同；根據圖10(b)、10(e)，在砂土地層中，6輻條6輻板刀盤合力明顯大于4輻條4輻板刀盤，合力矩變化趨于相同。

(a)黏土地質(b)砂土地質(c)復合地質(d)黏土地質(e)砂土地質(f)復合地質

圖10 3種地質工況下刀盤受到的合力、合力矩隨時間變化曲線
Fig. 10 Curves of resultant force and bending moment varying over time of cutterhead under three different geological conditions

2)根據圖10(c)、10(f)，復合地層中6輻條6輻板刀盤無論是合力、合力矩數值相比于4輻條4輻板刀盤都高出1個數量級，且數值波動較大，所以在較硬的地層中宜選用4輻條4輻板刀盤，能夠保證刀盤掘進更為平穩。

3 結論與建議

本文對刀具布置的關鍵參數進行了研究，模擬了3種地質工況下刀群的切削過程，結論如下：

1)以土體質量變化和刀盤受載為掘進評價指標，軟土地層的切刀切削重疊量應較小，地層較硬時切刀切削重疊量應較大。

2)有切刀裝配內偏角的刀盤的切削效果好于無內偏角的刀盤，在軟土地層中效果最為明顯。

3)在砂土地層或復合地層中，6輻條6輻板刀盤的切削效果好于4輻條4輻板刀盤，4輻條4輻板刀盤所受載荷比6輻條6輻板刀盤大且波動更為明顯。

4)動態切削模擬結果與實際工程數據尚有一定偏差，實際施工時通常添加膨潤土、泡沫、泥漿等進行土體改良，所以仿真結果與實際還存在差距，后續研究將考慮土體改良因素，使仿真結果與實際相對應。

5)研究刀盤刀群動態切削過程時，采用搭建試驗臺或在掘進現場采集數據的方式較為困難。采用數值仿真方法時，下一步的研究工作是將模擬結果與實際工程數據進行比較，為工程掘進提供參考。

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StudyofCuttingSimulationofShieldCutterGroupBasedonABAQUS

CAI Bao， SHI Kunju， ZHU Wenhua

(EngineeringTrainingCenter,ShanghaiPolytechnicUniversity,Shanghai201209,China)

Blockings usually occur to cutterhead and cutter box during tunneling of composite earth pressure balance (EPB) shield. As a result, the rationalities of cutterhead and cutter arrangement are studied in terms of cutting effect; the dynamic cutting simulation method of cutter group and disc cutter group is adopted; the evaluation indices for soil mass variation and cutterhead loading are put forward. The simulation results show that: 1) In soft soil stratum, the cutting effect of the cutter group with inner angle is obviously better than that without inner angle. 2) The small cutter overlap should be adopted when tunneling in soft stratum; and large cutter overlap should be adopted when tunneling in hard stratum. The study of cutter group layout can provide a method to solve practical engineering problems and the finite element simulation results can provide reference for the design of cutterhead and cutter group of EPB shield.

multiple geological conditions; composite earth pressure balance (EPB) shield; cutterhead; cutter layout; dynamic cutting simulation; cutter group

2017-04-10;

2017-07-29

上海第二工業大學科技發展基金項目(A01GY17EX50)； 上海第二工業大學重點學科建設資助(A20NH1609B20-13)

蔡寶(1989—)，男，江蘇南通人，2015年畢業于大連理工大學，機械制造及其自動化專業，碩士，助理工程師，現從事機械設計和計算機圖形學方面的研究工作。E-mail： caibao@sspu.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.10.019

U 455.3

A

1672-741X(2017)10-1334-07