基于ANSYS 的地鐵盾構機刀盤擴徑改造與加固設計

楊懸

（上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海200235）

目前我國城市軌道交通正處于高速發展階段，全國已有三十多個城市建設或規劃了軌道交通項目，有大量的地鐵隧道需要采用盾構機設備。盾構機作為地鐵隧道施工的重要設備，通常根據施工隧道地質情況“量體裁衣”式研制，具有“專土專用”的特點。而按照某一隧道工程參數設計制造的盾構機在完成該工程掘進后，通常還剩余相當長的使用壽命，對盾構機進行回收改造再利用可以有效節約地鐵隧道建設成本。刀盤作為盾構機的核心受力構件，必須保證其結構強度和開挖能力，其改造設計方案是盾構機改造項目成功與否的關鍵。

上海現已有20 余條軌道交通線路投入運營，是目前世界范圍內線路總長度最長的城市軌道交通系統。自2013 年起，為適應新版《地鐵設計規范》對地鐵盾構隧道限界的新要求，上海所有采用A 型車的區間隧道盾構管片結構內徑均由φ5500mm 增大到φ5900mm，外徑均由φ6200mm 增大到φ6600mm。這一重大調整，使得原來用于舊線路施工的盾構機設備將無法滿足新線軌道交通區間隧道的施工要求。這種情況下，對盾構機進行擴徑改造具有顯著的工程意義，經過比選研究，部分型號的舊盾構機可以擴徑改造至φ6760mm 以滿足新線建設要求。本文以小松φ6340mm 土壓平衡盾構機為研究對象，重點研究其刀盤擴徑改造與加固設計方案，使其成功應用于上海地鐵新線建設。

1 盾構機刀盤擴徑改造方案簡介

小松φ6340mm 盾構機為日本進口的土壓平衡式盾構機，適用于上海地區淺覆土地鐵隧道掘進施工。其刀盤結構形式為輻條面板式，盤體直徑φ6330mm，由于原刀盤在經過了幾個區間隧道的掘進施工后已經出現了一定的疲勞損壞，而且擴徑后的刀盤將承受更大的載荷，故刀盤的改造包括擴徑改造和結構加固兩部分：

1.1 擴徑改造：（1）保留主體結構，在外圈板上沿輻條方向焊接延長結構，并制作外徑為φ6750mm 新外圈板，結構形式與原刀盤保持一致；（2）仿形刀安裝位置徑向外移210mm，相關內部管路采用硬管接長；（3）刀盤注水口位置保持不變，檢查并修復注水口逆止閥，并為每個注水口位置增加一把保護刀，共4把；（4）為每個標準刀切削軌跡加裝貝殼刀，共28 把；（5）另外增加標準刀12 把以滿足擴徑后掘進切削要求，外圈周邊雙標準刀座相應外移；（6）增加刀盤延伸盤面和圈板外表面堆焊硬質合金。

1.2 結構加固：（1）對已經出現疲勞裂紋的扇形輻條根部進行局部加強處理，改變該部位的受力形態，保護疲勞裂紋區域，避免裂紋擴散；（2）對全部6 個刀盤支撐牛腿進行加固，通過增加筋板并形成圓滑封閉的腔體，增大牛腿與刀盤輻條的夾角，增大牛腿根部的抗彎強度，改善牛腿根部外側出現的應力集中情況；（3）在直徑φ4200mm 位置加焊一圈40mm 厚的圈板，增大刀盤的整體剛度和穩定；（4）對已經出現局部面板塌陷變形的扇形區內部加焊隔筋板，增大扇形區腔體的強度和剛度。

擴徑并加固改造后的刀盤盤體直徑為φ6750mm，刀盤開口率約為36.5%，改造增重約9.3 噸，改造后的總重約為34.3 噸，最終盤體結構如圖1 所示。改造前后的刀盤盤體三維模型分別如圖2 和圖3 所示。

圖1 擴徑改造后的刀盤盤體結構

圖2 原刀盤盤體三維模型

圖3 擴徑改造后的刀盤盤體三維模型

2 土壓平衡盾構機刀盤的受力分析

在對盾構機刀盤進行受力分析時，推力和扭矩是最主要的兩個載荷參數。土壓平衡盾構機在地下掘進過程中，刀盤的正面、側面均受到土體壓力，從而對作業中的刀盤產生摩擦阻力；土壓倉內充滿了刀盤開挖下來的碴土，在壓力的作用下會對刀盤的背面產生摩擦阻力；刀盤上的刀具在切削土體時受到地層抗力，從而對刀盤產生摩擦阻力扭矩；刀盤攪拌棒及支撐梁也會受到土壓倉內土體的摩擦阻力；密封及主軸承在刀盤旋轉過程中也會產生摩擦阻力扭矩。因此，土壓平衡盾構機刀盤扭矩的構成是[1-2]：（1）刀盤正面與土體之間的摩擦阻力扭矩T1；（2）刀盤背面與壓力艙內的土體摩擦阻力扭矩T2；（3）刀盤側面與土體之間的摩擦阻力扭矩T3；（4）刀具切削土體時的地層抗力產生的扭矩T4；（5）刀盤攪拌阻力扭矩T5；（6）刀盤主密封摩擦阻力扭矩T6；（7）主軸承摩擦阻力扭矩T7。

則總的刀盤扭矩可表示為

實際在盾構機的設計中，往往需要采用經驗公式對刀盤的扭矩和盾構的推力進行估算。

刀盤扭矩的經驗公式[3](kN·m)

式中：α'為扭矩系數，通常地鐵施工用6m 系列土壓平衡盾構機α'在18～22 左右選取；D1為盾構機開挖直接，單位m。

式中：Pj為單位掘削面積上的經驗推力，6m 系列土壓平衡盾構機Pj一般為1000～1300kN。

本文對盾構機刀盤進行強度校核受力分析計算，模擬盾構施工過程中刀盤處于極限狀態的情況，即盾構刀盤受到前方土層阻力，導致刀盤停轉，而刀盤驅動轉矩保持輸出，最大達到6176 kN·m。

3 刀盤盤體結構有限元分析與加固方案的優化

為了驗證刀盤擴徑改造及結構加固方案的可靠性，利用ANSYS 有限元分析軟件對刀盤進行三維有限元靜力分析，校核刀盤盤體的結構強度和剛度。根據工程使用環境，選取極限工況（脫困扭矩）進行校核計算，對刀盤背部聯接驅動的法蘭面進行全約束，對刀盤正面施加0.4 MPa 土壓力和6176kN·m 的扭矩，對改造刀盤盤體進行靜力分析計算。

由于原刀盤結構的材料為Q235B 鋼，為增加刀盤的強度，擴徑改造采用的新增材料為Q345B 鋼，為保證改造后的刀盤能夠滿足盾構掘進施工要求，必須確保擴徑改造后的刀盤在極限工況下的結構應力分布合理，新舊結構的最大應力均應保證在各自材料的許用應力范圍之內。為此，在對擴徑刀盤進行ANSYS有限元分析計算的過程中，以刀盤的變形和應力分布情況作為校核標準，通過不斷調整加固方案，修改模型重新計算并對比分析結果，最終確定了擴徑刀盤的結構加固改造方案。具體過程及結果如表1 所示。

表1 中，方案A 為擴徑刀盤不進行結構加固的情況，其分析結果的如圖4-圖6 所示；方案D 為經過不斷調整結構加固方案得到的優化方案，其分析結果如圖7-圖9 所示。對比擴徑刀盤結構加固方案的優化過程和分析結果可知，在對刀盤進行結構加固以前，刀盤的整體剛度不佳，在極限工況下的最大變形達到了6.43mm，同時，扇形輻條與主輻條根部連接位置的應力達到了319.6MPa，大大超出了Q235 材料的許用應力值，并表現為根部接觸位置的應力集中，這一分析結果也與刀盤在使用一段時間后在該位置出現疲勞裂紋的實際情況相符。為解決這一問題，設計時考慮用加焊25mm 厚弧形小筋板的方式對該區域進行了加固保護，傳導應力的同時也形成了局部穩定三角形結構，避免了裂紋的擴散。同時，為解決支撐牛腿與主輻條連接部位出現的應力集中問題，采用增加梯形加強筋板的方式對該部位進行了加固，考慮到增加背部筋板對刀盤背面與壓力艙內的土體摩擦阻力扭矩T2 的影響，對筋板進行了倒圓和密封成腔體的操作，同時優化了加強結構的形狀尺寸，使其在能滿足結構加強要求的同時盡量減小對T2 的影響。另外，為了增加刀盤的整體剛度和穩定，經過不斷優化調整，在直徑φ4200mm 位置加焊一圈40mm 厚的圈板。從最終優化加固方案的分析結果可以看出，加固后的擴徑刀盤在剛度和強度上都得到了合理的加強，整體最大變形減小到了4.00mm，刀盤Q235 舊結構的最大應力減小到了158.6MPa,改造新增Q345B 材料的最大應力也控制在229.8 MPa，刀盤整體結構強度滿足要求。

表1 擴徑刀盤加固改造方案優化過程及靜力分析結果

圖4 不加固擴徑刀盤的位移云圖

圖5 不加固擴徑刀盤的應力云圖

圖6 不加固擴徑刀盤的最大應力部位局部放大

圖7 擴徑刀盤加固后的位移云圖

圖9 擴徑刀盤加固后的最大應力部位局部放大

4 擴徑改造盾構機刀盤的應用情況

經過對小松φ6340mm 盾構機刀盤進行擴徑改造和加固設計后，結合新制的盾體結構，可在保留原有螺旋機、拼裝機、刀盤驅動、推進系統、同步注漿系統及車架等主要部件的基礎上重新裝配形成新的φ6760mm 盾構機。刀盤改造設計方案滿足了多臺小松盾構機的擴徑改造需求，擴徑改造后的盾構機已成功應用于上海地鐵9 號線三期、14 號線、15 號線、17 號線、18 號線等多條軌道交通線路的區間盾構隧道施工中，避免了舊盾構機的閑置和浪費，有效節約了工程建設成本。

5 結論

隨著我國城市軌道交通工程建設的發展，盾構機的需求量不斷增加，雖然我國盾構機裝備制造技術已取得較好的發展，并已逐步實現國產化生產和自主創新研發，但舊盾構機的更新改造技術同樣值得關注。本文對小松φ6340mm 盾構機刀盤的擴徑改造和加固設計，使其滿足上海地鐵軌道交通線路φ6760mm 盾構隧道的施工要求，從而使原本面臨報廢的舊盾構機得以回收再利用，繼續服務于地鐵建設，合理延續其剩余使用壽命，并有效節約工程成本，是一次比較成功的探索和實踐，可為同類型的盾構機改造與應用提供借鑒和參考。