一種EPB&TBM雙模盾構機刀盤結構設計及有限元分析

劉偉，羅鴻，羅懷錢

（中鐵工程服務有限公司，四川 成都 610082）

深圳、廣州等華南地區地質復雜多變，經常出現軟硬不均的復合地層，且往往伴隨孤石、結泥餅、磨損和上軟下硬等一系列工程重難點問題。由于不同地層的水文和力學特征具有顯著差異，單一模式盾構機已難以滿足工程施工。目前，已逐步推廣雙模盾構機，可根據不同的工程地質和水文條件進行模式轉換。本文詳細介紹了一種適用于EPB和TBM兩種模式的盾構機刀盤結構設計，并對刀盤結構強度和剛度進行有限元分析。

1 工程概況

深圳地鐵某區間全長2104.597m。線間距10.0～32.5m，最大縱坡為29.5‰，隧道覆土約15.0～44.61m。

區間地質為強、中和微風化角巖層，微風化角巖天然單軸抗壓強度最大值為165MPa，平均值為103MPa；中風化角巖飽和單軸抗壓強度最大值為135MPa，平均值為92MPa。區間采用EPB&TBM雙模盾構法施工，以EPB模式始發，進入全端面微風化角巖約20m后轉換為TBM模式，適應于硬巖地層掘進（圖1）。

圖1 地質斷面圖

2 刀盤結構總體設計

2.1 刀具布置

對于硬巖復合地層地質，重點考慮刀具破巖能力和貫入度，選用滾刀和切刀進行布置。滾刀具有先導破巖的作用，切刀的主要作用將渣土刮進開口。

刀盤開挖直徑為Φ6990mm，共設計49條滾刀軌跡線，為了有效保證開挖直徑，在最外軌跡線路布置2把邊滾刀，可減少邊滾刀換刀次數。超出前盾直徑邊滾刀設計3把，可減少卡盾概率，增強刀盤保徑能力。刀間距越小，裂紋貫通越容易，破巖的能力越好。中心滾刀運動線速度低，渣土流動性差，選用12把17寸雙聯滾刀，刀間距為90mm；正面滾刀選用26把19寸正面滾刀，刀間距為75mm；外周選用12把19寸邊滾刀。19寸滾刀承載力為30T，滿足硬巖下大推力的掘進需求，滾刀在六主梁上進行均勻布置。滾刀安裝高度160mm，刮刀安裝高度115mm，滾刀于刮刀之間的高度差為45mm。滾刀與刮刀的布置層次不同，一方面，能夠發揮滾刀破巖的先導作用；另一方面，保護了刮刀，延長了其使用壽命（圖2）。

圖2 滾刀軌跡布置圖

2.2 刀盤鋼結構設計

在EPB模式下，雙模刀盤需要有合適的開口率；在TBM模式下，雙模刀盤必須具有足夠的強度和剛度。本區間以TBM模式為主、EPB為輔，為達到刀盤在TBM掘進時一定的剛度和強度，犧牲一定的開口率，開口率設計為28%。刀盤結構設計為6輻條+6輔梁重型結構，主輻條根據刀箱的布置進行輻條鋼結構設計，主輻條與刀箱單邊留出2mm間隙；刀盤大圓環板厚設計為120mm，保證各主梁間外圍結構的連接；內部圈梁為3層厚板疊加，用于安裝刀盤扭腿；刀盤面板上均勻布置6根輔梁，輔梁上左右兩側安裝邊刮刀和刮刀。為了提高刀盤在復合地層下的耐磨性，保證刀盤在巖層內進行長距離掘進，在刀盤面板及周圍易磨損處，覆蓋耐磨鋼板，在刀盤大圓環加焊整圈耐磨合金塊進行防護（圖3和表1）。

表1 刀盤主要技術參數

圖3 雙模刀盤示意圖

2.3 EPB模式針對性設計

EPB模式下，刀盤處于低轉速、高扭矩模式。對于軟土和軟巖地層，巖石容易軟化而導致黏性增加，進而在刀盤處相互黏結形成泥餅。故對于較軟地層，需充分考慮渣土改良。刀盤設計8路渣土改良通道，單管單泵，通過注入泡沫和膨潤土，改善渣土的和易性，降低固結泥餅危險；刀盤背部設計3根可拆卸攪拌棒，在同一軌跡均勻布置，與前盾被動攪拌棒間錯布置，充分攪拌渣土；刀盤中心設計L形梁與中心回轉體進行連接，內部布置液壓和流體管路（圖4～圖6）。

圖4 渣土改良示意圖

圖5 攪拌棒示意圖

圖6 L梁示意圖

2.4 TBM模式針對性設計

TBM模式下刀盤處于高轉速、小扭矩模式。針對硬巖地層，設計為中心螺機出渣。均勻設計6個導料板，通過刀盤轉動，循環收集渣土，將底部渣土通過導料板循環轉動，從上方流入中心固定的溜渣槽，最后落入螺機接料斗，通過螺旋輸送機向外運渣（圖7）。

圖7 L梁示意圖

導料板采用焊接方式均勻布置在副輻條上和六個扭腿組焊，將土倉內部分割成6個獨立的空間，導料板頂部布置鏟刀（圖8）。

圖8 導料板示意圖

中心溜渣槽和螺機接料斗為分塊結構，通過端部法蘭與主驅動中心隔板進行連接（圖9）。

圖9 中心溜渣槽和螺機接料斗示意圖

3 模式轉換流程

EPB模式轉換TBM模式：由于TBM模式不需渣土改良，故需拆除攪拌棒、L梁和中心回轉體。并在刀盤內焊接導料板和安裝溜渣槽（圖10a）。

由于土倉內空間有限，且對焊接工藝要求高，故此工序消耗時間長。

TBM模式轉換EPB模式：割除導料板和取下溜渣槽，再回裝渣土改良配置設備（圖10b）。

圖10

在一個區間如果地質變化過于頻繁，需要經常轉換模式，模式轉換過多一定程度上影響施工效率。

4 刀盤結構有限元分析

刀盤在盾構機施工過程中主要運動為自身的回轉運動和掘進方向的前進運動。由于刀盤轉速和推進速度相對較低，故可對刀盤結構進行靜應力分析。

4.1 建立刀盤有限元模型

主要對刀盤鋼結構的強度和剛度進行有限元分析，刀盤強度不足會導致在掘進過程中產生變形，降低疲勞壽命和工作效率，剛度不足會使得刀盤受力不均勻產生傾斜。在保證計算精度要求的前提下，為提高模型計算效率，建立分析模型時，忽略耐磨板、刀具、磨損檢測、渣土改良噴口等對刀盤結構強度、剛度影響較小的部件。賦予刀盤模型Q355B材料屬性，其基本物理屬性為彈性模量3.0E+11Pa、泊松比0.3、密度7850kg/m3（圖11）。

圖11 有限元模型示意圖

4.2 邊界條件確定

盾構掘進過程中，刀盤前部和背部有渣土，刀盤前部和背部受到的水土壓力是一個平衡狀態，即水土壓力對刀盤整體受力情況影響較小，可忽略不計。此外，刀盤受到底部渣土的支撐作用，因此其自身重力的影響也忽略不計，故主要考慮刀盤所受推力和扭矩的影響。

推力：刀盤采用6把雙聯滾刀、38把單刃滾刀。雙聯滾刀額定承載力為50t/把，單刃/雙刃滾刀額定承載力為35t/把，計算得到刀盤所受總推力為16300kN。

扭矩：盾構主驅動額定扭矩為5920kN.m。

主要有2種工況：

正常工況：即分析刀盤全盤滾刀承受額定載荷以及承受主驅動額定扭矩的靜力學狀態。刀盤在正常工作狀態下的受力狀態，不考慮短時的沖擊載荷、變向載荷等，主要載荷為軸向推力和扭矩。

偏載工況：即分析刀盤環梁外側區域受最大推力以及承受主驅動額定扭矩的靜力學狀態。

4.3 邊界條件確定

為平衡有限元求解效率與求解精度之間矛盾，設置全局單元尺寸為40mm，添加Patch Conforming Method 設置，并將所有可調節項設置為最優（圖12）。

圖12 網格示意圖

4.4 計算結果分析

（1）正常工況有限元分析：在刀盤法蘭與主驅動連接面上添加固定約束，在滾刀刀箱所在位置逐一添加刀盤推力，在大圓環外表面添加刀盤扭矩（圖13）。

圖13 等效應力和變形云圖

計算結果顯示，最大等效應力為195.6MPa，出現在扭腿與刀盤法蘭連接處，此處，鋼板厚度為100mm，材料許用應力為254MPa；刀盤結構的最大變形量為3.64mm，出現在刀盤大圓環上。

（2）偏載工況有限元分析：在刀盤法蘭與主驅動連接面上添加固定約束，在下半部滾刀刀箱所在位置逐一添加刀盤推力，在大圓環外表面添加刀盤扭矩（圖14）。

圖14 等效應力和變形云圖

計算結果顯示，最大等效應力為191.2MPa，出現在扭腿與法蘭連接處的位置，此處鋼板厚度為100mm，材料許用應力為254MPa；刀盤結構的最大變形量為3.32mm，出現在刀盤大圓環上。

綜上所述，兩種工況中刀盤的最大等效應力均低于材料許用應力，最大變形量也較小，刀盤結構強度、剛度可以滿足以上兩種工況的使用要求。與刀盤實際工作情況相符，刀盤法蘭與扭腿的連接處常出現焊縫開裂的情況，原因在于此處焊縫較多，焊縫產生的殘余內應力較大，盾構機在推進過程中推力過大，刀盤扭矩過大，此處強度不足，容易造成焊縫開裂。

5 結語

本文針對華南地區硬巖復合地層設計了一種適應于EPB和TBM兩種模式的盾構機刀盤結構，優化了刀具布置，在不同模式下進行針對性結構設計。

對刀盤結構進行了受力特性有限元分析，在正常工況和在軟硬地層下的偏載工況，分別獲得了刀盤的應力及變形情況。結果表明，雙模刀盤滿足強度和剛度的要求，能適應掘進區間的施工要求。對類似掘進區間刀盤設計具有參考意義。