某型土壓平衡盾構(gòu)機刀盤有限元靜力學結(jié)構(gòu)分析

鄧洋，鄭軍，羅紅梅

（中鐵工程服務有限公司，四川 成都 610081）

隨著我國城市化水平的不斷提高，隧道及地下空間的開發(fā)得到迅猛發(fā)展。盾構(gòu)機作為機械化開挖的工程裝備，以其快速、安全等特點，在我國隧道及地下空間開發(fā)中得到了廣泛應用。盾構(gòu)刀盤在掘進過程中會遇到各種不同硬度層理結(jié)構(gòu)的巖石、砂礫石、砂土、粉質(zhì)砂土、淤泥質(zhì)黏土等，各地的地質(zhì)條件千變?nèi)f化，工作條件極其惡劣，這些都對盾構(gòu)刀盤的結(jié)構(gòu)提出了嚴格要求。盾構(gòu)刀盤是盾構(gòu)掘進的核心部件，其性能對盾構(gòu)的工作效率起著決定性的作用。在盾構(gòu)刀盤的設計階段，對刀盤的結(jié)構(gòu)進行分析是設計優(yōu)化的關(guān)鍵。有限元分析以其耗時短、代價小等特點，成為刀盤設計階段一種被廣泛采用的方法。文獻應用有限元法建立三維刀盤模型，分析了刀盤在極限載荷情況下的受力及變形情況。

本文針對某地區(qū)地鐵線路標段的地質(zhì)水文條件，設計某型號土壓平衡盾構(gòu)機的刀盤型式，利用SolidWorks軟件對刀盤三維建模，采用ANSYS Workbench對刀盤進行靜力學分析，得到刀盤的應力和變形情況。通過對刀盤力學特性的分析，為盾構(gòu)選型和隧道施工參數(shù)的確定提供依據(jù)，為刀盤的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供參考。

1 工程地質(zhì)與刀盤受力分析計算

1.1 工程地質(zhì)條件

某地區(qū)地鐵線路標段均為地下線。根據(jù)標段巖土勘察報告，擬建區(qū)間隧道的最大埋深約24m，沿線穿越范圍內(nèi)地層主要為粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉砂和細砂。線路區(qū)間穿越建筑物及地下管線。初步設計刀盤型式為軟土刀盤結(jié)構(gòu)，刀盤主要布置刮刀、撕裂刀，用于地層的開挖，為保證盾構(gòu)機順利施工，滿足刀盤強度和剛度要求，對刀盤進行結(jié)構(gòu)分析。

1.2 刀盤受力分析

盾構(gòu)掘進過程中，刀盤主要承受正面推進阻力F、扭矩T、刀盤周邊的土壓力與水壓力Q和刀盤自重G。刀盤受力情況如圖1所示。

圖1 刀盤受力示意圖

以上 4 種力中，當?shù)侗P的結(jié)構(gòu)確定以后，重力G為恒定不變；正面推進阻力F和扭矩T則隨著刀盤工況的變化而變化。此次選用的是面板式刀盤，刀盤周邊土壓力與水壓力Q主要對于刀盤徑向的變形有影響。根據(jù)多年的施工經(jīng)驗，對于盾構(gòu)刀盤這樣有一定厚度的箱型焊接結(jié)構(gòu)來說，其影響微乎其微，所以在計算刀盤的受力時，可以忽略不計。

1.3 推力和扭矩計算

在計算刀盤正面推進阻力F時，要考慮刀盤的具體形式（面板式、輻條式）、刀具的投影面積及開口率。對于粘土地質(zhì)，刀盤正面推進阻力計算可按如下公式：

式中：K為側(cè)向土壓力系數(shù)：K=0.65～0.85（軟粘土），K=1-sinφ（砂性土）；

DC為刀盤直徑（m）；

γ為土體的重度（kN/m3）；

Hc為地面到盾構(gòu)掘進軸線的距離（m）。

根據(jù)刀盤參數(shù)及標段巖土勘察報告中的相關(guān)參數(shù)值，計算出F=4847kN。

通常刀盤的扭矩計算可參照日本盾構(gòu)隧道標準規(guī)范建議的土壓平衡式盾構(gòu)刀盤扭矩經(jīng)驗計算公式：

式中：D為刀盤直徑（m）；

α為刀盤扭矩系數(shù)。

根據(jù)標段巖土勘察報告中的相關(guān)參數(shù)和刀盤結(jié)構(gòu)形式計算出T=6876kN·m。

2 刀盤建模

2.1 刀盤結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)標段巖土勘察報告，盾構(gòu)穿越范圍內(nèi)地層主要為粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉砂和細砂，故刀盤設計為軟土刀盤。刀盤為面板型，采用焊接結(jié)構(gòu)。刀盤整體高度為1020mm，刀盤直徑為6440mm，刀盤面板開口率為50%，中心開口率大，可有效地避免“泥餅”的產(chǎn)生。刀盤布置有中心魚尾刀、刮刀、邊緣刮刀、撕裂刀，其中刮刀84把，邊緣刮刀16 把，撕裂刀44把。刀盤為中間支撐方式，通過牛腿傳遞推力與扭矩。

2.2 刀盤有限元模型的建立

在SolidWorks軟件中建立刀盤的三維實體模型，為降低有限元的分析時間，對結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)進行簡化處理，簡化后的刀盤模型如圖2所示。盾構(gòu)刀盤的材料為Q345B，其參數(shù)如表1所示。

圖2 簡化后的刀盤實體模型

表1 刀盤材料參數(shù)表

將三維實體模型導入ANSYS Workbench軟件進行有限元分析，接觸設置為Bonded（綁定），忽略間隙與穿透，接觸區(qū)域無滑移。網(wǎng)格劃分如圖3所示。

2.3 約束條件和載荷

圖3 刀盤有限元模型

按照盾構(gòu)刀盤的安裝方式和運動要求，對其施加約束條件。在工作過程中，刀盤主要受到沿軸線方向的推進阻力F、重力和沿周向的轉(zhuǎn)動阻力矩T。對刀盤牛腿安裝面施加固定約束，對刀盤正面施加推進阻力F，對刀盤圓周施加扭矩T。

3 有限元計算結(jié)果分析

圖4 刀盤等效應力云圖

圖5 刀盤等效變形云圖

從圖4可知，在正常工況下，刀盤應力較大的區(qū)域集中于刀盤牛腿安裝面的附近，最大等效應力為200.79MPa。從圖5可知，在該工況條件下，變形主要出現(xiàn)在刀盤邊緣，最大變形出現(xiàn)在刀盤邊緣處，最大變形量為2.1966mm，刀盤中心以及牛腿部分幾乎無變形，刀盤整體的變形較小。現(xiàn)場施工應用情況：該型號盾構(gòu)機在該地鐵線路施工中的應用效果良好，施工效率高，滿足工程施工的要求，得到施工方一致的高度評價。

4 結(jié)語

（1）通過對刀盤的有限元靜力學結(jié)構(gòu)仿真分析可知：設計刀盤的最大應力為200.79MPa；最大變形為2.1966mm，滿足強度和剛度的設計要求。

（2）該刀盤在設計線路中施工的效果良好，施工效率高，滿足施工要求，得到施工方一致高度評價。

（3）通過理論計算結(jié)果和實際應用情況表明，盾構(gòu)機刀盤數(shù)值模擬對刀盤的結(jié)構(gòu)設計提供了理論支撐。該刀盤的設計滿足工程的實際需要。研究結(jié)果可為同類刀盤的結(jié)構(gòu)設計和工程施工維護提供參考依據(jù)。