摘　要：本文以南京緯三路過江通道項目工程為依托，在14.93m 泥水平衡盾構(gòu)機(jī)上設(shè)計了刀盤伸縮機(jī)構(gòu)及多切削模式刀盤以應(yīng)對復(fù)雜地質(zhì)條件，經(jīng)實際工程應(yīng)用證明該設(shè)計思路的正確性，有效的解決了盾構(gòu)機(jī)通過枯木區(qū)刀盤卡死及減少復(fù)合地層中長距離帶壓換刀掘進(jìn)次數(shù)的難題。
 
       關(guān)鍵詞：泥水平衡 盾構(gòu)機(jī) 刀盤伸縮 切削模式刀盤
 
      除南京緯三路過江通道工程外，目前我國累計已完工的管片外徑超過14m 的超大斷面隧道有南京緯七路長江隧道[1]、上海長江隧道[2]、杭州錢江隧道[3] 等7 條隧道，均為粘土、砂卵石等軟土地質(zhì)，施工用盾構(gòu)機(jī)設(shè)備均為進(jìn)口品牌。而對于更為復(fù)雜的穿江隧道，如南京緯三路長江隧道，掘進(jìn)過程中需要穿越粘土、砂卵石、巖石、淤泥、上軟下硬等多達(dá)8 種以上復(fù)合地質(zhì)，且存在漂木、拋石等不明障礙物，同時還需要面對淺覆土層（0.5 倍盾構(gòu)直徑）、高水壓（≥ 7.2ba r）、高石英含量（≥ 60%）、長距離不換刀（穿江4km）等挑戰(zhàn)，國際上尚沒有一臺成功應(yīng)用于此類復(fù)雜地質(zhì)的超大斷面隧道掘進(jìn)機(jī)。本文以南京緯三路過江通道工程為依托，總結(jié)了該超大直徑盾構(gòu)機(jī)刀盤伸縮機(jī)構(gòu)及刀盤結(jié)
構(gòu)設(shè)計的經(jīng)驗，為同類隧道盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計提供一定的借鑒作用。
 
      1、 工程概況與地質(zhì)條件
 
      南京市緯三路過江通道位于緯七路過江通道下游5km、南京長江大橋上游4.5km 處，連接南京主城區(qū)與浦口新市區(qū)中心，是南京市“以江為軸，跨江發(fā)展，呼應(yīng)上海，輻射周邊”的沿江開發(fā)戰(zhàn)略重點工程之一，有利于改善南京長江大橋交通飽和的現(xiàn)狀。該過江通道工程采用八車道“X”形隧道方案，從浦口到定淮門將有兩條隧道“X”形交叉過江，隧道設(shè)計為雙層雙向八車道。隧道在江中段采用雙層盾構(gòu)，左右線分離布置兩管，盾構(gòu)隧道管片外徑為14.5m，內(nèi)設(shè)上下層雙向四車道，上層均為北岸至南岸方向，下層均為南岸至北岸方向。隧道N 線( 北線) 盾構(gòu)段長3537.8m，隧道S線( 南線) 盾構(gòu)段長4134.8m。
 
      本工程地質(zhì)條件復(fù)雜，隧道斷面多為復(fù)合地層，巖性上下軟硬不均，差異較大，主要分為以下四種：①淤泥、粉質(zhì)粘土、粉砂地層；②細(xì)砂、砂卵石、卵石、泥巖地層；③粉細(xì)砂、卵石、砂巖；④粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、砂卵石、卵石地層；具體如圖1 所示。其中砂巖為中風(fēng)化，最高單軸抗壓強(qiáng)度高達(dá)120MPa，石英含量高達(dá)60%。其中，上部砂卵石，下部砂巖層區(qū)間長約500m。沿線存在漂木、塊石拋填區(qū)等，極易產(chǎn)生涌砂、塌陷；施工水壓最高達(dá)0.72MPa。
  
     
  
       2 、刀盤伸縮機(jī)構(gòu)
 
       2.1 刀盤支承方式的選擇
 
       刀盤支撐方式有圖2 所示的5 種支撐方式，本設(shè)計方案選用中間支承方式，中間支承方式是指通過中間梁來支承刀盤外周側(cè)及內(nèi)周側(cè)的中間部分的結(jié)構(gòu)，這樣可以提高相對于作用在刀盤的偏心負(fù)載所產(chǎn)生的力矩的穩(wěn)定性。同時，由于使用了大口徑軸承，旋轉(zhuǎn)平穩(wěn)，這樣土砂密封的可靠性也將提高。另外，由于旋轉(zhuǎn)的刀盤和靜止的中心隔板為相對運動，因此卷入土艙內(nèi)的土砂也不易因粘附而使泥塊增大。

      2.2 刀盤伸縮機(jī)構(gòu)
   
     盾構(gòu)機(jī)在巖石地層中換刀時，由于刀具已經(jīng)磨損，導(dǎo)致了刀頂端距離刀盤面板的距離縮小，而更換的新刀需要把刀具安裝到設(shè)計位置方可固定，從而導(dǎo)致了更換新刀的安裝空間不夠。傳統(tǒng)的辦法是采用松動推進(jìn)油缸或者人工去鑿巖石，而松動推進(jìn)油缸的話在上軟下硬的地層有可能導(dǎo)致前方掌子面坍塌，人工鑿石頭作業(yè)效率極低，特別是對超大直徑盾構(gòu)機(jī)在高水壓條件下，工程風(fēng)險極大，因此針對本項目設(shè)計了刀盤伸縮機(jī)構(gòu)，可有效的解決更換新刀的安裝空間問題，縮短了帶壓換刀作業(yè)時間，提高人身安全。

                         圖2 刀盤支撐方式圖
 
      另外，在地質(zhì)勘查時，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)穿越斷面存在著一百多米長區(qū)域的漂木，可能會纏繞在刀盤上，影響到刀具的切削。因此，設(shè)置功能還能有效的解決刀盤卡死的現(xiàn)象。
 
      對于超大型盾構(gòu)機(jī)，刀盤通過牛腿與主驅(qū)動連接，形成一個懸臂結(jié)構(gòu)，由于刀盤和主驅(qū)動的總重量高達(dá)1100 噸，并且前盾在高埋深的土水壓力及同步注漿壓力的聯(lián)合作用下，形成一定的變形量作用在主驅(qū)動上，如圖3 所示，刀盤將會產(chǎn)生磕頭現(xiàn)象，刀盤在旋轉(zhuǎn)時將會做橢圓運動，從而導(dǎo)致中心回轉(zhuǎn)接頭的破壞，刀盤上的所有液壓設(shè)備將不能使用。為解決該難題，對前盾上刀盤驅(qū)動安裝基座進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，考慮設(shè)計一定的預(yù)變形量，并通過在主驅(qū)動滑動軸承內(nèi)測添加超薄墊片來調(diào)整間隙如圖4 所示，以抵消變形量，確保刀盤在工作時能與盾構(gòu)中軸線保持垂直。
  
  

     
  
                        圖 3 刀盤伸縮機(jī)構(gòu)受力示意圖
  

           
  
                        圖4 主驅(qū)動滑動面圖

      刀盤伸縮是通過在主驅(qū)動部后端設(shè)計24 組伸縮油缸和鎖緊油缸來實現(xiàn)伸縮功能的，當(dāng)需使用刀盤伸縮裝置時，通過伸縮油缸把刀盤主驅(qū)動連同刀盤一起伸出或縮回，刀盤伸縮機(jī)構(gòu)的工作流程如5 所示，首先通過伸縮油缸把刀盤連同驅(qū)動部一起向前開挖推進(jìn)20mm，對章子面通過泥水或者氣壓維持掌子面的穩(wěn)定后，把刀盤向后縮回120mm，鎖緊油缸鎖緊放置刀盤松動，待作業(yè)完成后，解除鎖緊裝置，將主驅(qū)動連同刀盤一起向前推進(jìn)120mm，鎖緊油缸回位鎖緊后，通過伸縮油缸把驅(qū)動部連同刀盤一起向后拉回20mm 復(fù)位。
  

     
  
                             圖5 刀盤伸縮機(jī)構(gòu)工作流程圖
 
      3 、刀盤設(shè)計
 
      3.1 刀具的選擇和布置
 
      設(shè)置常壓可更換式切削刀，除了滿足常壓更換切削刀的要求外，另外可以通過調(diào)整其高度來解決其在砂土地層和巖石地層不同刀具高低差的使用效果。即：盾構(gòu)機(jī)始發(fā)段為軟土地層，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在軟土地層中施工時，調(diào)整可更換式切削刀的高度，使其與先行刀為一個高度，高出滾刀一定的高度，通過該種方式可以有效的防止?jié)L刀在軟土地層中偏磨，同時也使先行刀起到了松土和常壓可更換式切削刀切削的作用。當(dāng)進(jìn)入巖石地層時，此時，先行刀已經(jīng)磨損，調(diào)整常壓可更換式切削刀的高度，使?jié)L刀起到了滾壓破巖、切削刀刮巖屑的作用，如圖6 所示。
 
 

         圖6 不同地層條件下切削模式的選擇圖
 
 
     3.2 刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計及不同刀具的布置區(qū)域
 
     綜合以上要求，刀盤主輻條為十字交叉型結(jié)構(gòu)，布置固定式滾刀和超挖滾刀；刀盤副輻條布置常壓可更換式切削刀，可通過設(shè)置在主驅(qū)動上的常壓艙經(jīng)牛腿進(jìn)入到刀盤常壓艙；在主輻條和副輻條之間設(shè)置類似于叉子狀的輻條以布置備用可推出式滾刀和先行貝殼刀。具體刀具布置分區(qū)如圖7 所示，刀盤刀具布置及作用如圖8 所示：
  
  

     
  
          圖7 刀盤結(jié)構(gòu)基本組成及刀具布置分區(qū)圖
  
  

     
                             圖8 刀盤刀具配置及作用圖
  

     
  
                                            圖9 FEM模型圖
   
 
      3.3 有限元模型的建立
 
      載荷條件考慮前面載荷工況、偏載荷工況、土質(zhì)工況、巖石條件固定刀具載荷工況、巖石條件可伸縮刀具載荷工況這5 種工況。
 
      工況1、工況2 模型如圖9 所示：工況3、工況4、工況5 模型如圖10 所示：
  
  

                              圖10 有限元模型圖
   
 
      3.4 材料參數(shù)的設(shè)計
 
      
  
      3.5 網(wǎng)格劃分
 
      采用默認(rèn)的網(wǎng)格劃分方式，設(shè)定刀盤部分單元尺寸為30mm，共劃分單元數(shù)3153537，節(jié)點數(shù)5546360。網(wǎng)格劃分模型如圖11 所示。
  
  

     
                              圖11 網(wǎng)格劃分圖
  

     
  
                             圖12 工況3載荷設(shè)置圖
  
  

      
                            圖13 工況4載荷設(shè)置圖
  
  

     
                                 圖14 工況5載荷設(shè)置圖
 
 
      3.6 載荷設(shè)置
 
      (1) 工況1 ：前面載荷工況。
      T：刀盤扭矩( 常用) 36,585 kN ；
      Fd ：滾刀載荷（常用） 250 kN/ 把；
      F ：前面負(fù)荷（Fc + Fe）= 0.305×Ft 42,538 kN。
 
      (2) 工況2 ：偏載荷工況。
      圖10 有限元模型圖
      P 垂直：垂直壓強(qiáng) 0.6MPa ；
      P水平：水平壓強(qiáng) 0.3MPa ；
      P 背面：背面壓強(qiáng) 0.18 MPa ；
      T：刀盤扭矩36,585 kNm ；
      T垂直：垂直扭矩 4390.2kNm ；
      T水平：水哦扭矩 10975.5kNm ；
      T背面：背面扭矩 6585.3kNm 。
 
      3.7 約束設(shè)置
 
      (1) 工況1、工況2 約束條件：在刀盤中間梁端部全方向固定( 圖15)。  
  

     
  
                   圖15 約束條件圖
   
 
      (2) 工況3 ～ 5 約束條件：刀盤背面牛腿連接部分進(jìn)行固定約束( 圖16)。
  
  

      
                        圖16 約束條件圖
 
 
      3.8 不同工況下的解析結(jié)果
 
      工況1、工況2 用FEM 分析得到刀盤強(qiáng)度計算的結(jié)果，工況3、工況4、工況5 用ansys workbench 分析得到刀盤強(qiáng)度計算的結(jié)果，最大應(yīng)力及最大變型如下所示。
 
      使用的材料是Q345B，屈服點為275N/mm2。以下是確定的材料許用應(yīng)力。長期許用應(yīng)力：屈服點/1.5 的情況下， 則為275/1.5=183N/mm2。短期許用應(yīng)力：長期許用應(yīng)力增加50%， 則為275N/mm2。只考慮前面負(fù)荷的工況1 的許用應(yīng)力即為長期許用應(yīng)力，而考慮偏負(fù)重的工況2 的許用應(yīng)力為短期許用應(yīng)力。
 
     （1）前面載荷工況。
 
     提取刀盤的等效應(yīng)力云圖、總應(yīng)變圖，如圖17 和圖18 所示（應(yīng)力200N/mm2 以上用紅色表示）。最大應(yīng)力 σmax=160MPa，最大變形σmax=7.37mm。
 
     （2）偏載工況。
   
      提取刀盤的等效應(yīng)力云圖、總變形圖，如圖19 和圖20 所示 ( 應(yīng)力300N/mm2 以上用紅色表示)。最大應(yīng)力σmax=240MPa，最大變形σmax=11.1mm。
  

     
  
                                   圖17 工況1 刀盤應(yīng)力圖
  

     
  
                                 圖18 工況1 刀盤總變形圖
  

     
  
                                   圖19 工況2刀盤應(yīng)力圖
  

     
  
                                     圖20 工況2刀盤變形圖
  

    
  
                              圖21 工況3 刀盤等效應(yīng)力云圖
 
 
      （3）土質(zhì)工況。
 
      提取刀盤的等效應(yīng)力云圖、總變形圖，如圖21、圖22、圖23 和圖24 所示。最σmax=109MPa，最大變形σmax=1.44mm。
  

    
  
                                   圖22 局部最大等效應(yīng)力圖
  
  

     
                                     圖23 工況3 刀盤總變形圖
  

     
  
                                          圖24 刀盤局部變形圖
 
 
      （4）巖石條件下固定刀具。
 
      提取刀盤的等效應(yīng)力云圖、總變形圖，如圖25、圖26、圖27 和圖28 所示。最大應(yīng)力σmax=191MPa，最大變形σmax=1.05mm。
 
     （5）巖石條件下可伸縮刀具。

      
                                  圖25 工況4刀盤等效應(yīng)力云圖
 

     
                                   圖26 工況4局部等效應(yīng)力云圖
     
     提取刀盤的等效應(yīng)力云圖、總變形圖，如圖29、圖30、圖31 和圖32 所示。最大應(yīng)力σmax=118MPa，最大變形σmax=1.29mm 。

       
                                    圖27 工況4 刀盤總變形圖
  

     
                                      圖28 刀盤局部變形圖
  

     
                               圖29 工況5刀盤等效應(yīng)力云圖
  

     
                                 圖30 工況5局部等效應(yīng)力云圖
  

     
                                   圖31 工況5刀盤總變形圖
  

     
                                       圖32 刀盤局部變形圖
  

     
                   圖33 盾構(gòu)機(jī)穿越不同地層的排渣情況圖
  

     
                          圖34 盾構(gòu)機(jī)排出的拋石和鋼筋圖
  

     
               圖35 盾構(gòu)穿越漂木區(qū)域所排出的枯木圖
  

     
           圖36 完成掘進(jìn)的盾構(gòu)機(jī)刀盤刀具情況圖
 
 
      各工況下，刀盤靜力分析的等效應(yīng)力及變形如表1 所示：從上述有限元分析可以看出：

     （a）最大等效應(yīng)力分布的地方是支撐筋與面板連接的拐角處，由于存在尖角，故出現(xiàn)應(yīng)力集中。且去刨除應(yīng)力集中最大處，大部分等效應(yīng)力都在25MPa 左右。應(yīng)力相對最大值出現(xiàn)在先行刀面板處。

     （b）刀盤的變形大小是由刀盤中心部位向邊緣漸變的，越靠近邊緣部位刀盤的變形越大，邊緣處則出現(xiàn)最大變形。這是由于在中心部位有牛腿的支撐作用存在，刀盤受
到壓力與扭矩作用，而在邊緣處，刀盤則是彎扭組合變形，由于刀盤材料的抗彎抗壓強(qiáng)度不同，導(dǎo)致刀盤的變形差異。
 
      （c）最大變形幾乎全部分布在整個刀盤側(cè)面上。同時在刀盤的中心部位的變形也比較大，特別是工況4 下，中心滾刀刀座的地方出現(xiàn)了最大變形。說明了牛腿的位置離
刀盤的邊緣稍微遠(yuǎn)一些。
 
      4 、實際應(yīng)用效果
 
     盾構(gòu)機(jī)在4135m 的掘進(jìn)過程中，順利穿越了淤泥、粉細(xì)砂、粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂、砂卵石、卵石、泥巖、砂巖等多種地層，所排出的渣土如圖33 所示，并且在掘進(jìn)過程中順利排出了直徑達(dá)400mm 的拋填石和鋼筋，如圖34 所示。
 
                                      表1 刀盤強(qiáng)度分析結(jié)果表
    
  
      盾構(gòu)機(jī)在283 環(huán)起多次遇到樹木， 推力從140000kN 上升到186375kN，扭矩從18500kN/m 上升到23414kN/m，推進(jìn)速度從45mm/min下降至2~4mm/min。運用刀盤伸縮機(jī)構(gòu)、泥水沖洗系統(tǒng)，順利解決刀盤被樹木卡住情況，首次采用盾構(gòu)機(jī)挖掘樹木區(qū)域達(dá)百米，改變了以往地面處理的方法，提高了工作效率，降低了施工風(fēng)險。所排出的枯木如圖35 所示。
 
     在整個施工過程中達(dá)到了最大日掘進(jìn)13 環(huán)、拼裝12 環(huán)及最大單月掘進(jìn)476m 的超大直徑盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)記錄。通過不同刀具的組合首次實現(xiàn)了在石英含量高的砂卵石、粘土地質(zhì)條件下連續(xù)掘進(jìn)2580m 沒有更換刀具，圖36 為完成掘進(jìn)后的刀盤刀具情況。