蔡 寶， 石坤舉， 朱文華

(上海第二工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心， 上海 201209)

基于ABAQUS的盾構(gòu)切刀群模擬切削研究

蔡 寶， 石坤舉， 朱文華

(上海第二工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心， 上海 201209)

為了解決復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)(earth pressure balance)在實(shí)際施工時(shí)常出現(xiàn)刀盤結(jié)餅、刀箱堵塞等工程問題，從刀群切削效果角度研究刀盤刀具布置的合理性，采用切刀群和滾刀群的動(dòng)態(tài)切削模擬方法，提出土體質(zhì)量變化和刀盤受載的評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到以下結(jié)論： 軟土地質(zhì)下切刀群存在內(nèi)偏角時(shí)的切削效果明顯好于無內(nèi)偏角的情況； 掘進(jìn)地層地質(zhì)較軟時(shí)宜采用小切刀切削重疊量，地質(zhì)較硬時(shí)宜采用大切刀切削重疊量。刀群布置的研究過程為實(shí)際工程問題的解決提供了方法，數(shù)值仿真結(jié)果為復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)刀盤刀群的組合設(shè)計(jì)提供了參考。

多地質(zhì)條件； 復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)； 刀盤； 刀具布置； 動(dòng)態(tài)切削模擬； 切刀群

0 引言

復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)簡(jiǎn)稱EPB，常應(yīng)用于水利水電、礦山開采、交通、市政、國(guó)防等工程建設(shè)中，是集機(jī)械、電氣、液壓和測(cè)控等于一體的專門用于地下隧道工程開挖的高科技智能化施工裝備[1]。

復(fù)合式盾構(gòu)刀盤處于整個(gè)盾構(gòu)的最前端，主要承擔(dān)切削前方巖土的作用，刀盤上通常布置有滾刀、切刀等不同類型的刀具。復(fù)合式刀盤在掘進(jìn)時(shí)由于前方地質(zhì)條件多變，刀盤常出現(xiàn)大面積結(jié)餅或者刀箱堵塞問題，對(duì)刀盤壽命影響較大，因而如何設(shè)計(jì)出合理的刀群布置方案，使其適應(yīng)多種地質(zhì)條件，在安全掘進(jìn)的同時(shí)增加刀盤刀具壽命是近年來盾構(gòu)刀盤研究的關(guān)鍵[2-5]。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)EPB刀盤掘進(jìn)性能開展研究較多。霍軍周等[6]從刀盤開口模式的角度展開，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)的方法，研究了不同刀盤開口方式對(duì)碴土流動(dòng)性的影響。虞詩(shī)強(qiáng)等[7]針對(duì)EPB盾構(gòu)刀盤的開口模式與盤體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之間相互影響、耦合的特點(diǎn)，研究盾構(gòu)刀盤開口率對(duì)刀盤挖掘過程的影響規(guī)律。夏毅敏等[8]提出了盾構(gòu)刀盤滾刀布置基本原則，采用遺傳算法求解得到滾刀布置參數(shù)。管會(huì)生等[9]估算了盾構(gòu)刀盤的切削轉(zhuǎn)矩，對(duì)滾刀和切刀切削產(chǎn)生的地層抗力轉(zhuǎn)矩進(jìn)行了計(jì)算公式的推導(dǎo)。閆玉茹等[10]針對(duì)北京地鐵4號(hào)線14標(biāo)使用的刀盤布刀方式提出減少刀具磨損的優(yōu)化布置措施。

已有文獻(xiàn)鮮有對(duì)大規(guī)模刀群的切削效果進(jìn)行研究，針對(duì)地質(zhì)條件也較為單一。本文擬對(duì)大規(guī)模切刀群的切削效果進(jìn)行對(duì)比，并試圖建立多種地質(zhì)條件，利用數(shù)值計(jì)算的方法研究多地質(zhì)條件下刀群布置的合理性。

1 總體研究思路

歸納刀具布置過程中的關(guān)鍵參數(shù)，尤其針對(duì)復(fù)合式盾構(gòu)刀盤復(fù)雜多變的掘進(jìn)地質(zhì)條件，建立地質(zhì)條件與刀具布置關(guān)鍵參數(shù)之間的關(guān)系。具體研究的刀具布置關(guān)鍵參數(shù)如下：

1)切削重疊量。相鄰切刀的切削重疊量是切刀布置的關(guān)鍵參數(shù)，合理的重疊量能有效提高切削效率。

2)裝配內(nèi)偏角。刀盤上不同位置的切刀可設(shè)計(jì)為不同的內(nèi)偏角。

3)布刀方式。不同形式刀盤結(jié)構(gòu)的切刀群布置方式也不同，比較不同刀具布置方式對(duì)切削效果的影響。

本文研究技術(shù)路線見圖1。

圖1 研究技術(shù)路線

基于此研究技術(shù)路線，以切刀群為研究對(duì)象，建立黏土、砂土和復(fù)合工況多地質(zhì)條件，采用ABAQUS數(shù)值模擬軟件作為仿真平臺(tái)，分析刀盤布置的3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，建立動(dòng)態(tài)切削效果評(píng)價(jià)指標(biāo)(刀盤受載和巖土質(zhì)量變化)，得到多地質(zhì)工況下刀盤布置關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)選結(jié)果，從而為實(shí)際刀盤的刀具布置設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

2 切刀群布置設(shè)計(jì)

2.1切削重疊量

針對(duì)3種常見的切刀切削重疊量5、15、25 mm，分別對(duì)3種地質(zhì)工況展開研究，通過ABAQUS動(dòng)態(tài)模擬得到3種刀群下巖土的切削全過程并對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。

2.1.1 地質(zhì)條件本構(gòu)模型

本文采用擴(kuò)展的Drucker-Prager塑性本構(gòu)模型作為土體的本構(gòu)模型，利用對(duì)稱罰函數(shù)接觸算法模擬切刀與土壤的相互耦合作用，應(yīng)用包含單元?jiǎng)h除功能的剪切失效準(zhǔn)則來避免土壤單元網(wǎng)格扭曲和畸變問題，選擇求解復(fù)雜非線性問題的ABAQUS/Explicit顯示算法來實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)刀盤上切刀切削過程的仿真模擬[11]。

2.1.2 地質(zhì)條件建立

工程上常見的地質(zhì)類型包括黏土、砂土和復(fù)合巖土地質(zhì)，本文建立的地質(zhì)條件為黏土地質(zhì)、砂土地質(zhì)和上層為砂土、下層為中分化閃長(zhǎng)巖的復(fù)合地質(zhì)。查閱相關(guān)文獻(xiàn)[12-15]的地質(zhì)參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 巖土物理力學(xué)參數(shù)

本文所有對(duì)比研究均由黏土、砂土和復(fù)合巖土3種地質(zhì)組成，其中黏土工況和砂土工況統(tǒng)稱為軟土工況，復(fù)合巖土工況為上軟下硬、上層砂土下層閃長(zhǎng)巖地質(zhì)。這3種工況代表了掘進(jìn)前方地層的主要地質(zhì)條件，使該研究更具一般性。

2.1.3 分析步、接觸、載荷添加設(shè)置以及網(wǎng)格劃分

為了保證分析過程的準(zhǔn)確性，ABAQUS中參數(shù)設(shè)置time scaling factor為0.1，mass scaling factor為10 000，target time increment為0.005，后處理中輸出60 s的計(jì)算結(jié)果，設(shè)置刀盤旋轉(zhuǎn)速度為1 r/min，掘進(jìn)速度為30 mm/r。

設(shè)置土體表面網(wǎng)格精度為0.5 mm，采用三維線性減縮積分六面體(hex)單元，巖土模型采用單方向網(wǎng)格加密法，刀群設(shè)置為剛體，刀盤網(wǎng)格數(shù)保持在10萬(wàn)個(gè)，土體網(wǎng)格數(shù)保持在100萬(wàn)個(gè)。

2.1.4 刀群布置模型

為了保證相鄰順次切削的切刀切削重疊量相同，切刀布置方程為：

ρn+1=ρn+D-h。

(1)

式中：ρn表示第n把刀具的安裝半徑，在4輻條4輻板刀盤上切刀安裝在輻條邊且呈對(duì)稱布置，因而安裝角度只有0°、90°、180°、270°；D為切刀厚度；h為切刀切削重疊量，分別設(shè)置為5、15、25 mm，得到3種不同切削重疊量的切刀群布置方式。

刀盤切刀裝配示意如圖2所示。

圖2 刀群布置示意

2.1.5 3種地質(zhì)工況下土體表面應(yīng)力分布云圖

圖3為切刀切削重疊量為5 mm時(shí)3種地質(zhì)工況下土體模型的應(yīng)力分布云圖。由于黏土土質(zhì)較為疏松，其表面應(yīng)力值較小，數(shù)量級(jí)為0.01 MPa，如圖 3(a)所示；砂土表面應(yīng)力值數(shù)量級(jí)為0.1 MPa，如圖3(b)所示；復(fù)合地層中由于閃長(zhǎng)巖硬度較大，所以應(yīng)力分布呈現(xiàn)明顯的不同，巖石表面應(yīng)力值數(shù)量級(jí)為100 MPa，如圖3(c)所示。由于刀盤均未設(shè)置中心刀具，從應(yīng)力云圖中可以清晰地看到巖土模型中心均未受到切削作用。

2.1.6 3種地質(zhì)工況下土體質(zhì)量下降對(duì)比

圖4示出3種地質(zhì)工況下巖土模型的質(zhì)量變化曲線，可以清晰地對(duì)比出不同切削重疊量的刀盤刀群的切削效果，為了更加有效地反映土體質(zhì)量變化，計(jì)算出切削時(shí)間內(nèi)刀群的切削率P(%)。巖土模型質(zhì)量變化統(tǒng)計(jì)見表2。

(a)黏土地質(zhì)(b)砂土地質(zhì)(c)復(fù)合地質(zhì)

圖3 3種地質(zhì)工況的地質(zhì)應(yīng)力云圖(單位： MPa)

圖4 3種地質(zhì)工況下巖土質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線(不同切刀切削重疊量)

由圖4和表2可得到以下結(jié)論：

1)在不同地質(zhì)工況下， 3種不同的切削重疊量在60 s內(nèi)切削的土體質(zhì)量均大于刀盤掘進(jìn)的理論切削值，說明刀具能夠完全清除掌子面渣土。

2)對(duì)于同一切削重疊量，切刀的切削能力趨于相同，重疊量為5 mm的刀盤在砂土地質(zhì)中切削效果最好，如圖4(a)所示；重疊量為15 mm和25 mm的刀盤在復(fù)合地質(zhì)中的切削效果更好，如圖4(b)和4(c)所示。

2.1.7 復(fù)合地質(zhì)工況下刀盤受到的作用力、作用力矩對(duì)比

在黏土和砂土地質(zhì)工況下，刀盤受到的載荷偏小，分析刀盤受載規(guī)律意義較小，重點(diǎn)分析不同切刀切削重疊量刀盤在復(fù)合地質(zhì)中存在巖石地層的受載情況，如圖5所示。

為了更加直接地比較3種不同切削重疊量刀盤在復(fù)合地質(zhì)下的受載情況，將刀盤受到的3個(gè)方向的力Fx、Fy、Fz(其中Fy為刀盤軸向受到的反推力，F(xiàn)x和Fz為平行于刀盤表面的相互垂直的一對(duì)作用力)及其產(chǎn)生的力矩(Mx、My、Mz)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如表3和表4所示。

(a)∑Fx(b)∑Fy(c)∑Fz(d)∑Mx(e)∑My(f)∑Mz

圖5 復(fù)合地質(zhì)工況下不同切刀切削重疊量刀盤受載情況

表4 不同切刀切削重疊量刀盤所受力矩統(tǒng)計(jì)分析

結(jié)合圖5(a)、5(b)、5(c)和表3，復(fù)合地質(zhì)中由于有巖石地層的存在， 3個(gè)方向的作用力數(shù)量級(jí)為106N；結(jié)合圖5(d)、5(e)、5(f)和表4，重疊量為25 mm的切刀群受到的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)均小于重疊量為5 mm和15 mm的切刀群轉(zhuǎn)矩，從刀盤受到的作用力和作用力矩角度考慮，在地質(zhì)條件較為復(fù)雜、尤其存在較硬巖石的復(fù)合地層中適當(dāng)增加切刀群的切削重疊量，不僅能有效減小刀盤受載而且能降低刀盤受載的波動(dòng)。

2.2切刀裝配內(nèi)偏角

2.2.1 切刀群布置方案

在模擬的刀盤上共布置不同極徑的切刀26把，刀具布置方程與前述相同，但刀盤上每把切刀根據(jù)所處位置均設(shè)置一定的內(nèi)偏角，具體布置方案如圖6所示。

(a) 無內(nèi)偏角

(b) 有內(nèi)偏角

2.2.2 3種地質(zhì)工況下土體質(zhì)量下降對(duì)比

在相同的切刀群布置方式下， 3種典型工況下巖土模型質(zhì)量變化曲線如圖7所示?？梢钥闯?，有切刀內(nèi)偏角的刀群切削下來的土體質(zhì)量均高于無內(nèi)偏角的刀群，有內(nèi)偏角的刀群切削效果好于無內(nèi)偏角的刀群。

(a) 黏土地質(zhì)

(b) 砂土地質(zhì)

(c) 復(fù)合地質(zhì)

圖7 3種地質(zhì)工況下巖土質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線(切刀有、無內(nèi)偏角)
Fig. 7 Curves of rock and soil quality varying over time under three different geological conditions(with and without inner angle)

2.3切刀布置方式

2.3.1 切刀群對(duì)比模型建立

比較2類刀盤結(jié)構(gòu)下切刀群的切削效果，刀具布置角度因輻條變化而變化，6輻條刀盤布置方程與4輻條刀盤原則上相同(見式1)，刀具布置角度θ分別為0°、60°、120°、180°、240°和300°，刀盤結(jié)構(gòu)示意如圖8所示。

(a)4輻條(b)6輻條

圖8刀盤結(jié)構(gòu)示意
Fig. 8 Two kinds of cutterhead structure

2.3.2 3種地質(zhì)工況下土體質(zhì)量下降對(duì)比

3種地質(zhì)工況下巖土質(zhì)量下降隨時(shí)間變化曲線如圖9所示， 2種不同形式的刀盤在3種地質(zhì)條件下土體質(zhì)量變化區(qū)域相同，并無明顯質(zhì)量差異。

(a)黏土地質(zhì)(b)砂土地質(zhì)(c)復(fù)合地質(zhì)

圖9 3種地質(zhì)工況下巖土質(zhì)量隨時(shí)間變化曲線(不同刀盤結(jié)構(gòu)形式)
Fig. 9 Curves of rock and soil quality varying over time under three different geological conditions(different cutterhead structures)

2.3.3 3種地質(zhì)工況下刀盤受到的力和力矩對(duì)比

3種地質(zhì)工況下刀盤受到的合力、合力矩隨時(shí)間變化曲線如圖10所示。

1)根據(jù)圖10(a)、10(d)，在黏土地層中，2類刀盤所受的合力、合力矩?cái)?shù)值較小且變化規(guī)律趨于相同；根據(jù)圖10(b)、10(e)，在砂土地層中，6輻條6輻板刀盤合力明顯大于4輻條4輻板刀盤，合力矩變化趨于相同。

(a)黏土地質(zhì)(b)砂土地質(zhì)(c)復(fù)合地質(zhì)(d)黏土地質(zhì)(e)砂土地質(zhì)(f)復(fù)合地質(zhì)

圖10 3種地質(zhì)工況下刀盤受到的合力、合力矩隨時(shí)間變化曲線
Fig. 10 Curves of resultant force and bending moment varying over time of cutterhead under three different geological conditions

2)根據(jù)圖10(c)、10(f)，復(fù)合地層中6輻條6輻板刀盤無論是合力、合力矩?cái)?shù)值相比于4輻條4輻板刀盤都高出1個(gè)數(shù)量級(jí)，且數(shù)值波動(dòng)較大，所以在較硬的地層中宜選用4輻條4輻板刀盤，能夠保證刀盤掘進(jìn)更為平穩(wěn)。

3 結(jié)論與建議

本文對(duì)刀具布置的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了研究，模擬了3種地質(zhì)工況下刀群的切削過程，結(jié)論如下：

1)以土體質(zhì)量變化和刀盤受載為掘進(jìn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，軟土地層的切刀切削重疊量應(yīng)較小，地層較硬時(shí)切刀切削重疊量應(yīng)較大。

2)有切刀裝配內(nèi)偏角的刀盤的切削效果好于無內(nèi)偏角的刀盤，在軟土地層中效果最為明顯。

3)在砂土地層或復(fù)合地層中，6輻條6輻板刀盤的切削效果好于4輻條4輻板刀盤，4輻條4輻板刀盤所受載荷比6輻條6輻板刀盤大且波動(dòng)更為明顯。

4)動(dòng)態(tài)切削模擬結(jié)果與實(shí)際工程數(shù)據(jù)尚有一定偏差，實(shí)際施工時(shí)通常添加膨潤(rùn)土、泡沫、泥漿等進(jìn)行土體改良，所以仿真結(jié)果與實(shí)際還存在差距，后續(xù)研究將考慮土體改良因素，使仿真結(jié)果與實(shí)際相對(duì)應(yīng)。

5)研究刀盤刀群動(dòng)態(tài)切削過程時(shí)，采用搭建試驗(yàn)臺(tái)或在掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)的方式較為困難。采用數(shù)值仿真方法時(shí)，下一步的研究工作是將模擬結(jié)果與實(shí)際工程數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，為工程掘進(jìn)提供參考。

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StudyofCuttingSimulationofShieldCutterGroupBasedonABAQUS

CAI Bao， SHI Kunju， ZHU Wenhua

(EngineeringTrainingCenter,ShanghaiPolytechnicUniversity,Shanghai201209,China)

Blockings usually occur to cutterhead and cutter box during tunneling of composite earth pressure balance (EPB) shield. As a result, the rationalities of cutterhead and cutter arrangement are studied in terms of cutting effect; the dynamic cutting simulation method of cutter group and disc cutter group is adopted; the evaluation indices for soil mass variation and cutterhead loading are put forward. The simulation results show that: 1) In soft soil stratum, the cutting effect of the cutter group with inner angle is obviously better than that without inner angle. 2) The small cutter overlap should be adopted when tunneling in soft stratum; and large cutter overlap should be adopted when tunneling in hard stratum. The study of cutter group layout can provide a method to solve practical engineering problems and the finite element simulation results can provide reference for the design of cutterhead and cutter group of EPB shield.

multiple geological conditions; composite earth pressure balance (EPB) shield; cutterhead; cutter layout; dynamic cutting simulation; cutter group

2017-04-10;

2017-07-29

上海第二工業(yè)大學(xué)科技發(fā)展基金項(xiàng)目(A01GY17EX50)； 上海第二工業(yè)大學(xué)重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)資助(A20NH1609B20-13)

蔡寶(1989—)，男，江蘇南通人，2015年畢業(yè)于大連理工大學(xué)，機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)，碩士，助理工程師，現(xiàn)從事機(jī)械設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)方面的研究工作。E-mail： caibao@sspu.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.10.019

U 455.3

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1672-741X(2017)10-1334-07