盾構刀盤多目標優化設計

林學華　卓秀清

摘要：盾構刀盤設計的時候應該充分考慮到整個刀盤的刀盤開口率、刀具的布置、結構形式等對刀盤的影響，必須適合使用條件，確保使用過程中在保持穩定的前提下提高掘進速度。刀盤設計是盾構機的主要零部件，其結構設計的合理性直接影響到盾構機的性能。為了提高設備的使用效率，需要合理優化刀盤結構。文章主要從盾構機刀盤的結構形式、結構設計和優化設計目標三個方面進行簡要分析。優化后的盾構刀盤應力分布更加均勻、刀盤結構的強度增加，為盾構機刀盤今后的設計與發展提供參考。

關鍵詞：盾構刀盤；優化設計

盾構機是一種地下隧道挖掘專用的大型、成套施工設備，其主要優點有質優、安全、經濟效益高、開挖快、有利環境保護、降低勞動強度等，在城市施工、隧道挖掘中得到廣泛應用。盾構機在施工過程中可能遇到各種不同的地質環境，從粘土、與你、砂層到軟巖、硬巖等。在盾構機使用過程中，其關鍵部位就是盾構刀盤。盾構刀盤質量好壞直接關系到盾構機的工作效率、使用壽命和工程的成敗。因此，盾構刀盤的設計和地質工程有著緊密的關系，不同的地質類型要選擇不同的刀盤結構，進而盾構刀盤的設計也應該采取多目標優化設計，提高盾構機的工作效率。

1.盾構機刀盤結構形式

盾構刀盤主要具備穩定掌子面、攪拌渣土、挖掘三大功能。觀察刀盤的結構，主要由輻條式和面板是兩種，具體使用哪一種應該根據現場的施工條件和地質條件決定。泥水盾構主要使用面板是刀盤，如果是土壓平衡盾構則考慮采用輻條式或者面板式，當然，輻條式刀盤明顯優于面板式。對于土壓平衡盾構來說，使用面板式的盾構刀盤時，當泥土流經刀盤面板的時候，泥土可能進入土倉開口，進而導致盾構機挖掘的過程中艙內土壓和挖掘面土壓之間產生壓力，導致挖掘面不易控制。而輻條式的刀盤結構輻條較少，切削下來的土體可能直接進入到設備土倉當中，沒有壓力損失，而且在輻條后面設有攪拌的葉片，在攪拌砂土過程中可以流暢工作。所以，輻條式的刀盤比面板式刀盤的適應性強。但是輻條式的刀盤不能安裝滾刀，這也是其缺陷之一，在風化后的巖石或者軟硬質地不均的地方使用，還是應該選擇面板式刀盤。

2.盾構刀盤結構設計

2.1開口率設計

盾構刀盤的開口率是面板式刀盤開口部分的面積和刀盤面積的比率，其實質上指的是刀盤切削下來的碎土要經過刀盤開口槽進入土倉。因此，在進行刀盤開口設計的時候，必須要考慮到盾構機使用的土壤環境、開挖面的穩定性、開挖效率，并以此作為根據選擇尺寸、形狀及其他條件相符的刀盤。例如對水泥盾構的時候，盾構刀盤的開口率一般設計在10%-30%之間；對土壓平衡盾構的刀盤設計，開口率較??；對于粘性土質盾構來說，刀盤的開口率應該加大；對于較容易坍塌的地質結構進行盾構的時候，刀盤的開口率必須慎重選擇。此外，盾構刀盤的開口位置要緊靠刀盤的中心，避免工作室切削下來的渣土掉落在中心部位，造成運行不暢。

2.2泡沫管的設計

實施土壓平衡盾構主要使用于土質相對粘稠的施工地點，如果施工地點的含沙量超過限度，泥土的可塑性降低，而且土倉內的土會因為凝固而被壓得緊密，倉內的土渣就無法排除。此時，可以采用向土倉內注泡沫或水、膨潤土的方法進行強制性攪拌，讓沙質土軟化。使用泡沫可以有效控制土體塑流性，還可以潤滑盾構刀盤、刀具、螺旋輸送機等，保持盾構機的流暢運行，提高其性能和作用。所以，泡沫管可以有效防止刀盤運轉過程中，泥土形成泥餅，通常情況下，泡沫管注入口設置在刀盤的中心部位或者刀盤的背面，通過旋轉接頭將泡沫引入，刀盤上布置的泡沫管有兩種，一種是外置式，一種是內置式，外置式清理相對容易，但是與土壤直接摩擦，比較容易損壞，內置式清理比較麻煩，但是不宜損壞，目前盾構機多使用的是內置式。從盾構刀盤多目標設計的角度來說，做好泡沫管布置同樣具有重要作用。

2.3刀盤倒角和變滾刀設計

盾構機刀盤的切削直徑最終是由安裝在刀盤外周的刀具實現的。所以，在盾構機進入土層的時候，其運行時通過周邊的刮刀實現的。在土質堅硬或者巖石地質進行盾構的時候，主要由邊滾刀實現，在土質較軟的區域進行盾構的時候，主要由周邊的刮刀實現。邊滾刀的徑向和刀盤的面板必須形成一定的角度，刀盤的形狀在邊緣處要流出一定的傾斜角。刀盤在運轉的過程中，滾刀靠近刀盤的邊緣，其旋轉速度要比中心部位滾到旋轉速度快，而且切削巖層的直線距離很長。所以，邊滾刀的磨損要遠遠大于中心滾刀，因此在進行設計的時候，要增加邊滾刀數量。

3.刀盤多目標的優化設計

刀盤設計之前，要預先建立相應的數學模型，將選取鋼材的厚度作為設計中的主要變量，選擇刀盤最大變形和質量作為函數，進行整體優化，其目標就是使刀盤最大變形量和質量實現最小。當然，進行多目標優化分析的時候，目標函數的級別會影響到設計方案的優化，并以此來確定最佳的設計方案。最優的設計方案選擇原則在盡量滿足優化目標的前提下進行，優化效果最明顯的方案就是盾構刀盤需要選擇的方案。

盾構刀盤優化設計流程，先將盾構機刀盤模型參數化，并按照典型的工況條件對刀盤進行靜力分析，并將靜力分析的結果和設計參數作為邊界條件，對參數化的模型進行不斷優化直至求出最佳解，將優化結果返回模型，變更并確定最終設計方案。通過這個方式進行盾構機刀盤校核，即使失敗也可以通過改變設計參數改變刀盤模型的結構尺寸，減少重復建模的工作量。

4.總結

盾構刀盤進行設計的時候，要考慮到刀盤的使用范圍和現實的土質情況，全面考慮各種問題之后，全面優化盾構刀盤優化設計。進行設計的時候可以根據相關參數選擇獲取設計方案，提高設計分析思路，為盾構刀盤設計提供新的方法和思路。

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