矩形工作斷面盾構刀盤設計
2018-9-30 來源：常州大學 機械工程學院 江蘇銀旭隧道 作者：儲健 沈惠平 鄧嘉鳴 張銀生 王華 華群
摘 要: 盾構斷面的矩形斷面比圓形斷面的有效使用面積大 20% ，因此，矩形盾構是盾構施工法的發展方向。在闡述常見的矩形刀盤形式的基礎上，結合蘇南某地市政工程的地質情況，創新提出一種符合該工程段地質情況的矩形刀盤設計方案; 給出刀盤上刀具的選擇及其布置方案，計算出刀具的使用壽命，并對刀盤進行載荷分析; 同時，通過密封艙土體與矩形刀盤流固耦合分析，給出了矩形刀盤的性能評價，從而為研制矩形工作斷面盾構刀盤奠定了理論基礎。
關鍵詞: 盾構; 矩形斷面; 刀盤; 刀具; 載荷分析: 流固耦合
作為盾構的一項關鍵技術，盾構刀盤主要起到開挖土體、穩定掌子面及攪拌砂土的功能，其設計的好壞直接影響到盾構施工的效率。圓形隧道因其結構受力合理、施工工藝
相對簡單而廣為采用。矩形斷面有效使用面積通常比圓形斷面增加 20% 以上，在城市隧道、人行地道、電纜溝等市政隧道工程中，尤以矩形斷面最為經濟。
因此，矩形盾構的研究和應用有著重要意義。本文對矩形盾構的刀盤形式進行闡述，并結合工程實例，對矩形刀盤的進行設計，包括: 創新提出的矩形刀盤設計方案; 刀盤上刀具的選擇及其布置方案; 刀具使用壽命的計算、刀盤的載荷分析，以及性能評價。
1 、矩形刀盤的主要結構形式
眾所周知，圓形盾構的刀盤切削形式基本為一中心旋轉的大刀盤，異型斷面中的矩形斷面切削，遠比圓形斷面復雜，其難點主要在于刀盤形式的設計。目前矩形刀盤的主要結構形式為以下三種:
( 1) 組合刀盤式在盾構機的端部裝有若干臺小刀盤，由多臺小刀盤共同切削土體，切削面積一般能達到整個斷面面積的 60% ～70% ，小刀盤可單獨運轉 。
圖 1 組合式矩形刀盤
圖 1 即江蘇銀旭隧道機械有限公司網頁配圖，這種刀盤，結構簡單，且互不干涉，但只能適應一般土層，在惡劣地層中施工僅有 60% 的斷面切削率。
( 2) 中心大刀盤式由一臺大刀盤及幾把伸縮刀( 或仿形刀) 組成切削刀組，大刀盤及仿形刀能實現正反轉。中心大刀盤配多把仿形刀或伸縮刀的形式，結構對稱、受力均勻，對土體擾動小，有利于機頭的頂進，但傳動系統較復雜; 另外，這種刀盤只適應正方形斷面。
圖 2 中心大刀盤式矩形刀盤
( 3) 多偏心軸式
圖 3 為上海盾構設計試驗研究中心有限公司網頁配圖。
刀盤上的每把刀具利用了平行雙曲柄機構的運動原理，以各自的支撐點為圓心，曲軸中心距為半徑，作平面圓周運動。圓周運動與軸向方向的推進運動，合成實現了刀盤全斷面的切削掘進。由于此刀盤以多軸偏心驅動刀盤構成仿形切削系統，驅動裝置較為復雜。
圖 3 多偏心軸式矩形刀盤
2 、矩形盾構的具體方案研究
2． 1 工程案例的地質情況和水文情況
地質條件是影響盾構施工的一個十分重要因素，地質水文條件不同，盾構類型、刀盤類型、刀具種類和磨損狀況也不相同。本文設計的矩形盾構的應用背景是: 某蘇南市政工程，蘇南的地層( 地面下 5 m 左右) 以粘土和粉土地層為主，其地質情況，如表 1 所示。
2． 2 組合異型刀盤的具體形式由表 1 可知，本工程段經過的地層為粘土和粉土地層，按照土力學相關知識，屬于軟土地層。
表 1 工程案例的地質情況和水文參數
設掘進橫斷面為尺寸 3 880 mm × 4 880 mm 的拱頂圓角矩形，如圖 4 所示。
顯然，采用傳統的單一圓形刀盤的形式進行掘進，將無法滿足異型斷面切削的要求。結合上述工程地質情況及異型掘進斷面的要求，本文采用土壓平衡盾構機，并創新提出一種異型刀盤結構，如圖 4所示，具體為。
圖 4 異型刀盤的具體布置
( 1) 該異型刀盤由兩部分組成: 第一部分為主刀盤，主刀盤為直徑是 3 880 mm 的圓形刀盤，負責主要的切削工作，防止掌子面坍塌; 第二部分為四個直徑為 1 150 mm
和兩個直徑為 880 mm 的輔助刀盤。
( 2) 兩部分刀盤均為具有輻條式刀盤，由面板、軸套、切削刀、攪拌棒、注漿系統組成; 且兩部分刀盤前后分層布置，保證之間最小間隙 60 mm，避免相互干擾，且各刀盤單獨驅動。
( 3) 刀盤后螺旋布置 6 根攪拌棒，能對土倉內土體不斷進行攪拌，增強土倉內土體的流動性與塑性;
( 4) 刀盤正面及中心布置有 4 個注漿口，可用于對刀盤正面土體的改良，又可用于對刀盤的清洗，以防止泥餅的形成。
2． 3 刀具的選擇及其布置
盾構機的工具有切削類刀具、滾壓破巖類刀具和輔助類刀具，其切削原理和作用也不盡相同。對于本工程實例，只需配置切削型刀具，如: 切刀、周邊刮刀、中心刀等。其在刀盤上布置合理與否，不僅關系到盾構在隧道施工中整個工程的成本，而且也直接影響盾構施工的進度和效率。
本文采用同心圓的布置形式，即在同一切削半徑上同時布置多把刀具達到全斷面開挖的目的，具體的刀具布置原則是:
( 1) 切刀的運動軌跡都為一圓形軌跡，同時滿足軸對稱的布置原則，使刀盤在理論上不受傾覆力矩的作用，刀具的對稱布置需要滿足刀盤正反兩個方向轉動的要求 。
( 2) 為了保證切刀軌跡能夠覆蓋整個開挖面，另外也為了減少刀具磨損，相鄰兩軌跡的切刀應有一定的重疊量。
( 3) 由于刀具的磨損量隨著刀具安裝半徑的增加而增大，一般按照等磨損布置的原則，優化不同半徑之間刀具的安裝關系，使刀具磨損達到刀盤壽命的最大化效果。
下面以主刀盤為例，分析切削刀具的布置:主刀盤為六根輻條式刀盤，刀盤直徑為 3 880 mm; 刀盤中心由一把半徑為 460 mm 的中心刀( 或魚尾刀) 進行切削。根據上述布置原則( 3) ，整個主刀盤分為三個區域，由內向外依次是: 中心刀區域、內周部區域、外周部區域。因為切削刀具刀頭寬 80 mm，為了減少刀具磨損，在內周部相鄰兩軌跡的切刀應有 6 mm 的重疊量，在外周部重疊量增加至 10 mm，以減少外部刀具磨損。
表 2 刀具的布置及其數目
表 3 為日本公司盾構施工提供的磨耗系數 k
刀具磨損量是根據最大直徑處切削軌跡 1 把刀計算，當刀具布置數量超過 1 把時，由于每把刀具的切削厚度降低，使切削力減小。因此，磨耗系數 k 也相應減小，如計算中的刀盤內周邊 1 條掘削軌跡上，配置 2 把切削刀; 及外周部 1條掘削軌跡配置 3 把切削刀 ，可減少刀具磨損。
于是，計算結果如表 4 所示:
表 4 切削刀具的計算結果
計算后得到 L = 5 332 m。因此，盾構在區間隧道距離 L 內至少須更換一次刀具。根據以上計算方法，可預測盾構刀具最長掘進長度，計劃換刀時機，從而有利于盾構的施工管理和提高掘進效率。切刀均安裝在開口槽的兩側，覆蓋了整個進碴口的長度，刮刀安裝在刀盤邊緣。刀具安裝采用螺栓固定，便于更換。
2． 5 異型刀盤的扭矩計算
正確的刀盤扭矩計算是盾構刀盤設計的關鍵 ，在刀盤的轉動過程中，刀盤與土體之間產生摩擦，從而產生多種阻力矩，具體扭矩計算為:
2． 5． 1 主刀盤正面與土體的摩擦阻力矩
T1是主刀盤旋轉過程中刀盤前表面與掘削土體的摩擦產生的扭矩，單一地質情況下:
2． 5． 2 主刀盤側面與土體的摩擦阻力矩
不考慮盾構刀盤自重，刀盤所受側向土壓力和垂直土壓力上下對稱、左右對稱。因此，在計算垂直和側向土壓力時，只需計算第一象限的力的分布情況; 然后，利用其對稱性，即可求得刀盤的整個圓周方向的垂直和側向土壓力。工程段雖為軟土地層，仍存在不同的地質情況，由于該地質之間的力學性能差異很小，所以，以下計算則采用土體
性能指標的平均值。
2． 5． 3 主刀盤切削地層時地層的抗力扭矩
地層抗力扭矩，是主刀盤切入地層旋轉時克服土體的剪切力所產生的扭矩，其計算公式為:
5． 4 主刀盤背面與土體的摩擦阻力矩
輻條式刀盤，由于其開口較大，刀盤前端與土倉之間沒有壓力差或壓力差較小，可忽略不計。因此，刀盤背面與土體的摩擦阻力矩，和刀盤正面與土體的摩擦阻力矩相等，即：
2． 6 輔助刀盤的扭矩計算
由于輔助刀盤所需驅動扭矩較小，可以采用經驗公式進行估算。目前，對刀盤的扭矩可按照盾構的外徑，來進行所需扭矩的簡易計算。
3 、密封艙土體與矩形刀盤的流固耦合分析
基于流固耦合力學，本文對矩形刀盤作流固耦合分析，以得到優于其他研究方法的結果。
3． 1 方案介紹
盾構機向前掘進，通過刀盤旋轉切下前方土體，土體進入并充滿密封艙，經螺旋出土機流出。在數值模型中，假定密封艙靜止，切下來的土體為均勻流體，進入密封艙，流體的速度為盾構機掘進速度，由于盾構掘進速度緩慢，這樣的簡化并不改變密封艙內流場分布情況。
在施工操作中，通過改變螺旋出土機的轉速，來控制土體流出密封艙的速度，以此來維持艙內土體壓力穩定。數值模擬省去了這一傳遞過程，直接通過設置出口壓力邊界條件來控制壓力穩定。
組合式刀盤與密封艙耦合系統的模擬過程如下:
( 1) 構建組合式刀盤模型和密封艙內流場的有限元模型，并設置流固耦合計算模式;
( 2) 添加密封艙進出口邊界條件并對密封艙內流場施加重力，重復計算直至密封艙內流場流動穩定;
( 3) 對刀盤施加轉動載荷，當流場流動狀態呈周期性穩定分布時，記錄刀盤的計算結果。
3． 2 結構模型
流固耦合模型是一個組合的模型，因此，分別構建了刀盤和密封艙內流場的有限元模型，他們之間通過流固耦合邊界 條 件 連 接在 一 起。 密封 艙 簡 化 后的模型如圖 6示，考 慮 到 切刀 在 整 個 模型 中 所 占 體積較 小，對 密封 艙 內 土 體擾動 較 小，在數值模擬中，在不影響計算結果的前提下，為了簡化計算和提高計算速度，可以將其去除。刀盤前部與待開挖土層沒有直接接觸，在它們之間設置寬度為 0． 1 m 的流動土體。
3． 3 材料模型
3． 4 邊界條件與操作參數
由于密封艙內土體為高粘度流體，因此，在流固耦合界面與剛性界面上均采用無滑移條件，在剛性壁上流體速度矢量等于零，即 v = 0; 在流固耦合界面上，流體速度和固體速度一致。設置掘進界面處流體入口邊界條件，即 Vy= 0，Vz= 0，Vx大小與設定的掘進速度相同，方向為沿 x 軸負向; 設置密封艙流場出口壓力邊界條件 P = 0． 3 MPa。添加剛性約束，使刀盤沿中心軸線作勻速轉動。
3． 5 矩形刀盤的性能分析:
為了能夠合理地評價刀盤的性能，區分刀盤的優劣性，本文結合刀盤的強度準則、剛度準則，對刀盤的性能進行評價。
3． 5． 1 強度準則
刀盤的強度準則，指的是刀盤的設計應滿足工作狀態下的結構強度要求，即刀盤所受的最大應力與安全系數的乘積，應小于材料的屈服應力，即σmax·k ≤［σ］ ( 13)式中: σmax為刀盤的最大應力計算應力; k 為安全系數，此處取 2． 0; ［σ］為材料的許用應力;根據流固耦合分析，得出刀盤的應力圖，如圖 7 所示。可知 σmax= 10． 803 MPa，而刀盤材料屈服應力［σ］ = 345MPa，可知，結構強度遠小于材料的屈服強度，因此，滿足刀盤的強度要求。
3． 5． 2 剛度準則
刀盤的剛度準則是指刀盤的軸向變形必須控制在一定的安全范圍內。刀盤的設計時，要求盾構刀盤的變形量應不應超過刀盤厚度的 3%( 中鐵隧道集團提供: 盾構刀盤的變形量不應超過刀盤板材材料厚度的 3% ) 即:
4 、結 論
矩形盾構在節約地下空間的占用、減小隧道覆土厚度方面，均有較好的優勢; 同時，可實現一些圓形隧道無法實現的特殊工況下的應用，具有較好的社會效益。
本文首先闡述了目前最常見的矩形刀盤的主要結構形式; 然后結合蘇南某地市政工程的地質情況，創新提出一種符合工程段地質情況的 矩形刀盤設計方案，對刀盤上刀具的選擇、布置及其壽命進行了說明，對刀盤所需扭矩進行了計算; 最后通過密封艙土體與矩形刀盤流固耦合仿真得出矩形刀盤的性能分析，對刀盤的強度和剛度進行了判斷。本文工作為矩形盾構刀盤的設計、制造及其施工奠定了較好的基礎，矩形盾構刀盤的樣機正在研制中。
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