盾構切樁弧形撕裂刀幾何構型優化研究

摘 要：該研究利用有限元與離散元的方法構建弧形撕裂刀切削鋼筋混凝土耦合模型，并開展參數分析，探明弧形撕裂刀刃寬與刃角對刀具切削性能與損傷的影響，給出弧形撕裂刀在切削鋼筋混凝土時的推薦結構設計方案。研究結果表明，刃寬與刃角對弧形撕裂刀的切削性能有顯著影響，刃寬越小，刃角越小，弧形撕裂刀的刀刃越鋒利，有助于提高破樁能力。但是，這樣的設計帶來的缺點是容易出現局部應力集中現象，導致弧形撕裂刀斷裂失效和損壞。因此，刀刃寬度不應過大或過小，綜合考慮有效應力和切削力，實際工程中設計弧形撕裂刀時，建議刀刃寬度控制在4～5 mm之間，刃角建議控制在80～90°之間。研究結論可為未來盾構切樁的弧形撕裂刀選型優化提供參考和借鑒。

關鍵詞：盾構法；弧形撕裂刀；切削鋼筋混凝土；FEM-DEM耦合建模；構型優化

中圖分類號：U455.43 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）27-0101-06

Abstract： In this study， the coupling model of cutting reinforced concrete with arc tearing cutter is constructed by using finite element method and discrete element method， and the parameter analysis is carried out to find out the influence of arc tearing knife edge width and edge angle on tool cutting performance and damage. The recommended structure design scheme of arc tearing cutter when cutting reinforced concrete is given. The results show that the blade width and edge angle have significant influence on the cutting performance of arc tearing cutter， and the smaller the blade width is. The smaller the blade angle is， the sharper the blade of the arc tearing knife is， which is helpful to improve the pile breaking ability. However， the disadvantage of this design is that it is easy to appear local stress concentration， which leads to fracture failure and damage of arc tearing cutter. Therefore， the blade width should not be too large or too small， and the effective stress and cutting force should be taken into account. When designing arc tearing cutters in practical engineering， it is recommended that the blade width should be controlled between 4 mm and 5 mm， and the edge angle should be controlled between 80°and 90°. The research conclusion can provide reference for the optimization of arc tearing knife selection of shield cutting pile in the future.

Keywords： shield method; arc tearing knife; cutting reinforced concrete; FEM-DEM coupling modeling; selection optimization

隨著全球經濟的持續快速發展，地下建筑的需求日益增加[1-7]。盾構工法作為一種全機械化的隧道施工方法，因其對地層擾動小、安全性高、施工速度快等多項優點，已被廣泛應用于地鐵隧道與公路隧道的建設中[8-12]。然而，由于地上建（構）筑物數量的增加與地鐵線路的加密，在城市中使用盾構法修建隧道時，碰到既有建筑物樁基的情況時有發生。在隧道線路選擇時常常避開既有樁基，如“側穿”或“下穿”樁基[13-15]。這種避開樁基的方式常常會增加額外成本且得不到最優的線路。也有采用拆除原構筑物、開挖豎井進行鑿樁或地面拔樁等方式去除樁基，然而高大建筑、地下建筑等特殊建筑的樁基很難采用以上常規方式拆除。

隨著盾構技術的進步與硬質合金材料的研發，采用盾構刀盤強化、刀具重新選型等方法，可以使盾構機具有一定的直接切樁能力。這種方法與傳統方法相比具有施工工期短、施工成本低、對周圍環境影響小及適用范圍廣等優點。但盾構切樁技術在國際國內尚未成熟，主要表現在盾構切樁效率低，刀具切樁效果差，鋼筋纏繞刀盤，難以排出等[16]。刀具作為盾構機的“牙齒”，良好的切削性能是刀具破除鋼筋混凝土樁基的關鍵所在。根據目前盾構切樁案例來看，多采用撕裂刀或滾刀作為盾構先行刀配置。2種刀具各有不同的優勢與局限性，適用條件不同。撕裂刀刀身強度較高，兼具良好的剛度和硬度，在低貫入度的掘進模式下，可以充分切削或磨削樁基。滾刀一般用于硬巖地層，較易破碎混凝土，但很難直接切斷鋼筋，并且如若在軟土地層，容易因達不到啟動扭矩而發生偏磨損傷。

目前，大多數研究者主要利用數值計算與模型試驗的手段研究了刀具的切削性能與磨損性能。Luo等[17]揭示了前裝式水射流預切縫條件下滾刀的破巖機理，研究了水射流切縫深度和刀具間距對破巖性能的影響。結果表明，水射流割縫深度增加，盤形滾刀的垂直力和滾動力最大分別降低48.2%和32.9%，刀具間距80 mm和水射流割縫深度9 mm的最佳組合有利于主裂紋的擴展，提高破巖效率。Li等[18]結合蘇州地鐵廣濟橋14根大直徑鋼筋混凝土樁的切削施工，對改進后的撕裂刀的損傷和磨損情況進行了全面檢查，發現弧形撕裂刀頂部兩側硬質合金刀刃的斷裂占主導地位，破損弧形撕裂刀磨損嚴重。隨著研究的深入，有限元與離散元方法被廣泛應用于材料損傷的模擬，離散元可以很好地描述混凝土的力學特性，有限元可以很好地描述鋼筋的力學特性。目前利用有限元與離散元耦合的盾構切樁的弧形撕裂刀幾何構型優化的研究很少。

綜上所述，本研究利用有限元（FEM）與離散元（DEM）的方法構建了弧形撕裂刀切削鋼筋混凝土耦合模型，并開展了參數分析，探明了弧形撕裂刀刃寬與刃角對刀具切削性能與損傷的影響，給出了弧形撕裂刀在切削鋼筋混凝土時的推薦結構設計方案，研究結論可為未來盾構切樁的弧形撕裂刀選型優化提供參考和借鑒。

1 有限元與離散元耦合模型建立

1.1 有限元建模

本研究利用Johnson-Cook（J-C）模型構建鋼筋的物理力學行為，該模型已被廣泛應用于描述材料大變形與材料損傷方面的研究。該模型的應力方程如下所示

式中：σ是有效應力；ε是等效塑性應變；是等效塑性應變率；0是參考應變率；T*表示為同系溫度；T為材料的當前溫度；Tr為室溫；Tm為材料的熔點溫度。J-C方程材料常數為A*（標準條件下材料的屈服應力）、B（應變硬化變量）、C（應變速率的強化因子）、n（應變硬化因子）和m（熱軟化系數）。

在弧形撕裂刀切削的過程中，其刀刃部分是主要與鋼筋混凝土接觸的部分，因此，為了提高計算效率，本文只對撕裂刀的單個刀刃進行建模，不同撕裂刀刃寬與不同撕裂刀刃角如圖1所示。此外，本文利用侵徹接觸算法描述弧形撕裂刀刀刃與鋼筋的接觸切削作用。鋼筋和弧形撕裂刀刀刃的參數見表1，鋼筋的J-C模型參數設置見表2。

1.2 離散元建模

離散單元法最初是由Cundall和Strack教授提出[19]的，目前已被廣泛應用于巖土工程、采礦工程、農業工程等方面。其原理是基于非連續介質力學，并且可以很好地還原顆粒材料的損傷動態演化過程，例如混凝土與刀具之間的相互接觸。此外，離散單元法是通過定義離散顆粒之間的接觸摩擦參數來描述材料的物理力學特性，該接觸摩擦參數不能直接通過真實物理力學參數確定，需要進行接觸參數標定來確定。本文在Stopka[20]的基礎上，確定了混凝土顆粒之間的一組適宜的接觸參數。表3表明了本文所用的混凝土顆粒接觸參數。

1.3 耦合模型

圖3為有限元與離散元耦合原理圖，耦合模型內的有限元網格節點與離散元顆粒面自動接觸耦合。如圖4所示，在數值計算中，計算模型的兩側（z方向）和下側（y方向）采用固定邊界，其他邊界設置為自由邊界，撕裂刀的貫入度設置為5 mm，共計4次切削，每次切削線速度為0.3 m/s。此外，為了分析弧形撕裂刀幾何構型（刃寬與刃角）對切削性能的影響，本文開展了參數分析，表4列明了本文所有的計算工況。

2 結果分析

2.1 混凝土顆粒損傷分析

以對照組為例，圖5給出了混凝土顆粒在每次切削后的損傷分布云圖。如圖5所示，對于第一次切割，破碎區的深度大約等于弧形撕裂刀的貫入度（5 mm），破碎區的寬度大約為11 mm，并且在混凝土顆粒表面上觀察到很少的剪切和拉伸裂紋。隨著弧形撕裂刀的繼續切割（在累計貫入度達到10 mm之后），混凝土破碎區的最大深度和寬度分別為11 mm和24 mm，即分別是貫入度的大約1倍和刀刃寬度的5倍。此外，可以觀察到，在弧形撕裂刀的擠壓下，在與混凝土接觸的刀刃下部產生了損壞的裂縫。隨著切割過程的進行（在累計貫入度達到15 mm后），混凝土破碎區的寬度和深度不斷擴大，在混凝土顆粒表面觀察到明顯的剪切和拉伸裂縫，并有大塊的混凝土碎片剝落。累計貫入度達到20 mm后，混凝土表面出現深V形劃痕，混凝土顆粒幾乎完全破碎失效。

2.2 刀具極限應力分析

圖6描述了弧形撕裂刀在整個切割過程中數值獲得的最大有效應力分布。從圖6中可以看出，弧形撕裂刀的應力集中區出現在撕裂刀刃前側，最大有效應力值為2.58 GPa，實際工程中，弧形撕裂刀刀刃通常采用碳化鎢硬質合金材料，許用應力為2.8 GPa。在數值模擬中，當最大應力超過許用應力時，假定撕裂刀刀刃斷裂失效。對于對照組，最大應力沒有超過容許應力。

3 參數分析

3.1 刀刃刃寬對切削性能的影響

弧形撕裂刀刀刃寬度是樁切割過程中的關鍵設計參數。圖7和圖8顯示出了刀刃寬度對弧形撕裂刀切割性能的影響。圖7顯示了在不同刀刃寬度下，弧形撕裂刀的最大有效應力分布?？梢钥闯?，最大有效應力位于刃尖處，所有不同刀刃寬度的弧形撕裂刀都存在局部應力集中現象，并且隨著刀刃寬度的減小，這種現象更加明顯和顯著。圖8描繪了在切割鋼筋混凝土期間弧形撕裂刀在不同刀刃寬度下的切割力和有效應力的峰值。可以觀察到，弧形撕裂刀的有效應力峰值隨著弧形撕裂刀刀刃寬度的減小而線性增大。然而，切削力的峰值與有效應力的峰值表現出相反的趨勢，最大切削力隨著刀刃寬度的增加呈二次函數關系增加，這是由于撕裂刀刀刃的切削接觸面積隨著刀刃寬度的增加而增加，導致切削力增加。此外，注意到當刀刃寬度低于3 mm時，弧形撕裂刀的刀刃承受的有效應力的峰值已經超過刀刃材料的極限應力，導致撕裂刀刀刃的斷裂失效。這是因為當刀刃寬度減小時，刀刃更薄，其應力集中現象更明顯。因此，弧形撕裂刀的刀刃寬度對撕裂刀的切削性能具有顯著影響，并且刀刃寬度不應過大或過小。綜合考慮有效應力和切削力，建議在實際工程中進行弧形撕裂刀設計時，刀刃寬度應控制在4～5 mm之間。

3.2 刀刃刃角對切削性能的影響

弧形撕裂刀的刀刃角度同樣是樁切割過程中的關鍵設計參數。圖9和圖10描述了刀刃角度對弧形撕裂刀切割性能的影響。圖9顯示了在不同刀刃角度下，弧形撕裂刀刀刃的最大有效應力分布?？梢钥闯觯S著刀刃角度的減小，刀刃局部應力集中現象更加明顯和顯著。圖10顯示了弧形撕裂刀在切割鋼筋混凝土期間不同刀刃角度下的切割力和有效應力的峰值。可以觀察到，弧形撕裂刀的有效應力峰值隨著刀刃角度的減小而線性增大。與刀刃寬度的影響類似，切削力的峰值與有效應力的峰值呈現相反的趨勢，最大切削力隨著刀刃角度的增大而呈二次函數關系增大，這是因為隨著刀刃角度的增大，弧形撕裂刀的切削接觸面積增大，導致切削力增大。此外，應注意的是，當刀刃角度低于70°時，刀刃承受的有效應力的峰值已經超過刀刃材料的極限應力，導致撕裂刀刀刃斷裂失效。這是因為當刀刃角度減小時，刀刃更加鋒利，但其應力集中現象也更明顯。因此，撕裂刀的刀刃角度在撕裂刀切割鋼筋混凝土過程中起著重要的作用，刀刃角度不宜過大或過小。綜合考慮有效應力和切削力，實際工程中設計撕裂刀時，建議刀刃角度控制在80～90°之間。

4 結論

本研究利用有限元與離散元的方法構建了弧形撕裂刀切削鋼筋混凝土耦合模型，并開展了參數分析，探明了弧形撕裂刀刃寬與刃角對刀具切削性能與損傷的影響，給出了弧形撕裂刀在切削鋼筋混凝土時的推薦結構設計方案，主要研究結論如下。

1）對于第一次切割，破碎區的深度大約等于弧形撕裂刀的貫入度（5 mm），破碎區的寬度大約為11 mm，并且在混凝土顆粒表面上觀察到很少的剪切和拉伸裂紋。隨著切割過程的進行（在累計貫入度達到15 mm后），混凝土破碎區的寬度和深度不斷擴大，在混凝土顆粒表面觀察到明顯的剪切和拉伸裂縫，并有大塊的混凝土碎片剝落。累計貫入度達到20 mm后，混凝土表面出現深V形劃痕，混凝土顆粒幾乎完全破碎失效。

2）參數分析研究表明，刃寬對弧形撕裂刀的切削性能有顯著影響，刃寬越小，弧形撕裂刀的刀刃越鋒利，有助于提高破樁能力。但是，這樣的設計帶來的缺點是容易出現局部應力集中現象，導致弧形撕裂刀斷裂失效和損壞。因此，刀刃寬度不應過大或過小，綜合考慮有效應力和切削力，實際工程中設計弧形撕裂刀時，建議刀刃寬度控制在4～5 mm之間。

3）參數分析研究表明，刃角對弧形撕裂刀的切削性能有顯著影響，刃角越小，弧形撕裂刀的刀刃越鋒利，有助于提高破樁能力。但是，這樣的設計帶來的缺點是容易出現局部應力集中現象，導致弧形撕裂刀斷裂失效和損壞。因此，刀刃角度不應過大或過小，綜合考慮有效應力和切削力，實際工程中設計弧形撕裂刀時，建議刀刃角度控制在80～90°之間。

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