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矩形工作斷麵盾構刀盤設計

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（wáng）華華群

摘要: 盾構斷麵的矩形斷麵比圓形斷麵（miàn）的有效使用麵積大 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（nán）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（zhì）情況的矩形刀盤設計方案（àn）; 給出刀盤上刀具的選擇及其布置方案，計（jì）算（suàn）出刀具的使用（yòng）壽命，並對刀盤進行載荷分析; 同時（shí），通過密封艙土體與矩形刀盤流（liú）固耦合分析，給出了矩形刀盤的性能評價，從而為研製矩（jǔ）形工作（zuò）斷麵盾構刀盤奠定了理論基礎。

關鍵詞: 盾構; 矩形斷麵; 刀（dāo）盤; 刀具（jù）; 載荷分析: 流固耦合

作為盾構的一項關鍵技術，盾構刀盤主（zhǔ）要（yào）起到開挖土體、穩定掌子麵及攪拌砂土的功能，其設計（jì）的好壞（huài）直接影響到盾構施工的效率。圓形隧道因（yīn）其結構受力合理、施工工藝

相對簡單（dān）而廣為（wéi）采用。矩形斷麵有（yǒu）效使用（yòng）麵積通常比圓形斷麵增加 20% 以上（shàng），在城市隧道、人行地道、電纜溝等市政隧（suì）道工程中，尤以矩形斷麵最為經濟。

因此（cǐ），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（háng）闡述，並結合工程（chéng）實例，對矩形刀盤的進行設（shè）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（suǒ）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，異型斷麵中（zhōng）的矩形斷麵切削，遠比圓形斷麵複雜，其難點主要在於刀盤形式的設計。目前矩形刀盤的主要結構形式為以下三（sān）種:

( 1) 組合刀盤式在盾構機（jī）的端（duān）部裝有若幹台小刀盤，由多台小刀盤共同切削土體，切削麵積一般能達到整個斷麵麵積的 60% ～70% ，小刀盤可單獨運轉。

圖 1 組合式矩（jǔ）形刀盤

圖 1 即江蘇銀旭（xù）隧道機械有限公司（sī）網頁配（pèi）圖，這種刀盤，結構簡單，且互不幹涉，但（dàn）隻能適應一般土層，在惡（è）劣地層中施工（gōng）僅有（yǒu） 60% 的斷麵切削率。

( 2) 中心大刀盤式（shì）由一台（tái）大刀盤及幾把伸縮刀( 或（huò）仿形刀) 組成切削刀組，大刀盤及仿形（xíng）刀（dāo）能實現正反轉（zhuǎn）。中心大刀盤配多把仿形刀或（huò）伸縮刀的形式，結（jié）構對稱、受力均勻，對（duì）土體擾動小，有利於機頭的頂進，但（dàn）傳動係統較複雜; 另外，這種刀盤（pán）隻適應正方形斷麵。

圖（tú） 2 中心大刀（dāo）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（jù）利用了平行雙曲柄機構的運（yùn）動原理，以各自的支撐點為（wéi）圓心，曲軸中心距為（wéi）半徑，作平麵圓周運動。圓周運動與軸向方向的推進運動，合成實現了刀盤全斷麵的切削掘進。由於此刀盤以多軸偏心驅動刀盤（pán）構成仿形切削係（xì）統，驅動裝（zhuāng）置較為複（fù）雜。

圖 3 多偏心軸式（shì）矩形刀（dāo）盤

2 、矩形盾構（gòu）的具體（tǐ）方案研究

2． 1 工程案例的地質（zhì）情況和水文情況

地質條件是影響盾構施工的一個（gè）十分重要因素，地質水文條件不同（tóng），盾構類（lèi）型（xíng）、刀盤類型、刀具種類和磨（mó）損狀況也（yě）不相同。本文（wén）設計的矩形（xíng）盾構的應用背景是: 某蘇南市政工程，蘇南的地層( 地麵（miàn）下 5 m 左右) 以粘土和（hé）粉土地層為主，其地（dì）質情況，如表 1 所示（shì）。

2． 2 組合異型刀盤的具體形式（shì）由表 1 可知，本（běn）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（shǔ）於軟土（tǔ）地層。

表 1 工程案（àn）例的地質情況和水文參（cān）數

設掘進橫斷麵為尺寸 3 880 mm × 4 880 mm 的拱頂圓角矩形，如圖 4 所示。

顯然（rán），采用傳統的單一圓（yuán）形（xíng）刀盤的形（xíng）式進行掘進，將無法滿足異型斷麵切削的要求。結（jié）合上述工程地質情（qíng）況及異型掘進斷麵的要求，本文采用土壓平衡盾構機，並創新提出一（yī）種異型刀盤結構，如圖 4所示，具體（tǐ）為。

圖 4 異型刀盤的具體（tǐ）布置

( 1) 該異型刀（dāo）盤由兩部分組成: 第一（yī）部分為主刀盤，主刀盤為直徑是 3 880 mm 的圓形刀（dāo）盤，負責主要（yào）的切削工作，防止掌子麵坍塌; 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（pán）均為（wéi）具有輻條式刀盤，由麵板、軸套、切削刀、攪拌棒、注漿係統組成; 且兩部（bù）分刀盤前後分層布置，保證之間最小間隙 60 mm，避免相互幹擾，且各刀盤單獨驅動。

( 3) 刀盤後螺旋布置 6 根攪拌棒，能對土倉內（nèi）土體不斷進行攪拌，增強土倉內（nèi）土體的流動（dòng）性與塑性（xìng）;

( 4) 刀盤（pán）正麵及（jí）中心布（bù）置有 4 個注漿口（kǒu），可用於對刀盤正麵土體的改良，又可用於對刀盤的清洗，以防止泥餅的形成。

2． 3 刀具的選（xuǎn）擇及其布置（zhì）

盾構機的工具有切（qiē）削類刀具、滾壓破岩類刀具和輔助類刀具（jù），其切削原理和作用也不盡相同。對於本工程實例（lì），隻需配置（zhì）切削型刀具，如: 切刀、周邊刮刀、中心刀等。其在刀盤上布（bù）置合理與否（fǒu），不僅關（guān）係到盾（dùn）構在隧道施工中整個工程的（de）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（yuán）的布置形式，即在（zài）同一切削半徑上同時布置（zhì）多把刀具達到全斷麵開挖的目的，具體的（de）刀具布置（zhì）原則是:

( 1) 切（qiē）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（bú）受傾覆力矩的作用，刀（dāo）具的對稱布（bù）置需要滿足刀盤正反兩個方（fāng）向轉動的（de）要求（qiú）。

( 2) 為了（le）保證切刀軌跡能夠覆蓋整個開挖麵，另外也為了減（jiǎn）少刀具磨損，相鄰兩軌跡（jì）的切刀應有一定的重疊量（liàng）。

( 3) 由於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（děng）磨（mó）損布（bù）置的（de）原則，優化不同半（bàn）徑之間刀（dāo）具的安裝關係，使（shǐ）刀具磨損達到刀盤壽命的最大化效果。

下麵以主刀盤為例，分析切削刀具的布（bù）置:主（zhǔ）刀盤為六根輻條式刀（dāo）盤，刀盤直徑為 3 880 mm; 刀盤中心由（yóu）一把半徑為（wéi） 460 mm 的中（zhōng）心刀（dāo）( 或魚尾刀（dāo）) 進行切削。根據上述布置原則( 3) ，整個主刀盤分為（wéi）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（guǐ）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（jiǎn）少外部（bù）刀具磨損。

表 2 刀具的布（bù）置及其數目

表 3 為日本公司盾構（gòu）施工（gōng）提供的磨耗係數 k

刀（dāo）具磨損量是根據最大（dà）直徑處切（qiē）削軌跡 1 把刀計算，當刀具布置數量超過 1 把時，由於每把刀具的切削厚度（dù）降低，使切（qiē）削力減小。因此，磨耗係數 k 也相應減小，如計算中的刀（dāo）盤內周邊 1 條掘削軌跡上，配（pèi）置 2 把（bǎ）切削刀; 及外周部 1條掘削（xuē）軌跡配置 3 把切削刀，可減少刀具磨損。

於是（shì），計算結果（guǒ）如表 4 所示:

表 4 切削刀具的計算（suàn）結果

計算後得到 L = 5 332 m。因此，盾構在區間隧（suì）道距離 L 內至少須更換一（yī）次刀具。根據以上計算方法，可預測盾（dùn）構刀（dāo）具最長（zhǎng）掘進長度，計劃換刀時機，從而有利於盾構的施工管理和提高掘進效率。切刀（dāo）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（pán）邊緣。刀具安裝采用螺栓固（gù）定，便於更換。

2． 5 異型刀盤的扭矩計算

正確（què）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（lì）矩，具體扭（niǔ）矩計算為:

2． 5． 1 主刀盤正麵與土體的摩擦阻力矩（jǔ）

T1是主刀盤旋（xuán）轉過程中刀盤前表麵與掘削土體的摩擦產生的扭矩，單一地質（zhì）情況下:

2． 5． 2 主刀盤側麵與（yǔ）土體的摩擦阻力矩（jǔ）

不（bú）考慮盾構刀（dāo）盤（pán）自重，刀盤所受側向土壓力（lì）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，隻需計算第一象限的（de）力的分布情況; 然後，利用其對稱性，即可求得刀盤的整個（gè）圓周（zhōu）方（fāng）向的（de）垂直和側向土壓力。工程段雖為軟土地層，仍（réng）存在不同的地質情況，由（yóu）於該地質之間的力學性能差異很小，所（suǒ）以，以下計算則（zé）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（kàng）力（lì）扭矩

地層抗力扭矩，是主刀盤切入（rù）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（dāo）盤背麵與土體的摩擦阻力矩

輻條式（shì）刀盤（pán），由（yóu）於其開（kāi）口較大（dà），刀盤前端與（yǔ）土倉之間沒有壓力差或壓力差（chà）較小，可忽略不計。因（yīn）此，刀盤背麵與土體的摩擦（cā）阻力矩，和刀盤正麵與土體（tǐ）的摩擦阻力矩相等，即：

2． 6 輔助刀盤的（de）扭矩計（jì）算

由於輔助刀盤所（suǒ）需驅動扭（niǔ）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（wài）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（hé）分（fèn）析

基於流固耦合力學，本文對矩形刀盤作流固耦合分析，以（yǐ）得到（dào）優於其他研究方法的結果。

3． 1 方案介紹

盾構機（jī）向前掘進，通過刀盤旋轉切下前方（fāng）土體，土體進入並（bìng）充滿密（mì）封艙，經螺旋出土機流出。在數（shù）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，由於盾構掘進（jìn）速度（dù）緩（huǎn）慢，這樣的簡化並不改變密（mì）封艙內流場分布情（qíng）況。

在施工操作中，通過改變螺旋出土機的轉速，來控製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（zhí）模擬（nǐ）省去了這一傳（chuán）遞過程，直接通過設置出口壓力邊界條件來控製壓力穩定。

組（zǔ）合式刀盤與（yǔ）密封艙耦合（hé）係統的模擬過程如下:

( 1) 構建組合式刀盤（pán）模型和密封艙（cāng）內（nèi）流場的有限元模型，並設置流固耦合（hé）計算模式;

( 2) 添（tiān）加密封艙進出口邊界條件並對密封（fēng）艙內流（liú）場（chǎng）施加重力，重複（fù）計算直至密封艙內流場流動穩定;

( 3) 對刀盤施（shī）加轉動載荷（hé），當流場（chǎng）流動狀態呈周期性穩定分布（bù）時（shí），記錄刀盤的計算結（jié）果（guǒ）。

3． 2 結構（gòu）模型

流固耦合模型是一個組合的模型，因此，分別（bié）構（gòu）建（jiàn）了刀盤和密封艙（cāng）內流場的有限元模型，他們之（zhī）間通過流固耦合邊界條件連接在一（yī）起（qǐ）。密封艙簡化後的模型如圖（tú） 6示，考慮到切刀在整（zhěng）個模（mó）型中所占（zhàn）體積較小，對密封艙內土體擾動較小，在數值模擬中，在不（bú）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（yǔ）待開挖土層沒有直接接觸（chù），在它們之間設置寬度為（wéi） 0． 1 m 的流（liú）動土體。

3． 3 材料模型

3． 4 邊界條件與操作參數

由於密封艙（cāng）內土體為（wéi）高粘度流體（tǐ），因（yīn）此，在流固耦合界麵與剛性（xìng）界麵上均采用（yòng）無滑移條件（jiàn），在剛性壁上流體速（sù）度矢（shǐ）量等（děng）於零（líng），即 v = 0; 在流固耦合界麵（miàn）上，流體速度（dù）和（hé）固體速度一致。設置掘進界麵處流體入口邊界條（tiáo）件，即 Vy= 0，Vz= 0，Vx大小與設定（dìng）的掘（jué）進速度相同，方向為沿 x 軸負向; 設置密封艙（cāng）流場出口壓力（lì）邊界條件 P = 0． 3 MPa。添加剛性約束，使刀盤（pán）沿中心軸線作勻（yún）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（pán）的性能，區（qū）分刀盤的優劣性，本文結合刀盤的強度準則、剛度準則（zé），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（tài）下的結構強度要求，即刀（dāo）盤所（suǒ）受的最大應力與（yǔ）安全係數的乘積，應小於（yú）材料的（de）屈服（fú）應力，即σmax·k ≤［σ］ ( 13)式中: σmax為刀盤的最大應力計算應力; k 為安全係數，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（dāo）盤材料屈（qū）服應力［σ］ = 345MPa，可知，結構強（qiáng）度遠小於材料的屈服強度，因此，滿足刀盤（pán）的（de）強度要（yào）求。

3． 5． 2 剛度準則（zé）

刀盤的剛度準則是指刀盤（pán）的軸向（xiàng）變形必（bì）須控製在一定的安全範圍內。刀盤的設計時，要（yào）求盾構刀盤的變形量（liàng）應不應超過（guò）刀盤厚度的 3%( 中鐵隧（suì）道集團提供: 盾構刀盤的變形量不（bú）應超過刀盤板材材料厚（hòu）度的 3% ) 即:

4 、結論

矩形盾構在節約地下空間的占（zhàn）用、減小隧道覆土厚度方麵，均有較好的優勢; 同時，可實現一些（xiē）圓形隧道無法實現的特殊（shū）工況（kuàng）下（xià）的應用，具有較好的社會效益。

本文首先闡述了目前（qián）最常（cháng）見的矩形刀盤（pán）的主要結構（gòu）形式; 然後結合蘇（sū）南某地市政工程的地質情況，創新提出一（yī）種符合工程段地質情況的矩（jǔ）形刀盤設計方案，對刀盤（pán）上刀（dāo）具的選（xuǎn）擇（zé）、布置及其壽命進行了（le）說明，對刀盤所需扭矩進行了計算; 最後通過密封艙土體與矩（jǔ）形刀盤流固耦合仿真得（dé）出矩形刀盤的性能分析，對刀（dāo）盤的強度和剛（gāng）度進行了判斷。本文工作為矩（jǔ）形（xíng）盾構刀盤的設計、製造及其施工奠定了較好的基礎，矩形盾（dùn）構刀盤的樣（yàng）機正在研製中（zhōng）。

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