劉曙光 楊云 劉國(guó)威

（濟(jì)南重工股份有限公司，濟(jì)南 250109）

盾構(gòu)機(jī)是一種大型暗挖隧道施工機(jī)械，可同時(shí)滿足開(kāi)挖、推進(jìn)、襯砌、支護(hù)等多種作業(yè)要求。自20世紀(jì)60年代引進(jìn)以來(lái)，盾構(gòu)技術(shù)在我國(guó)得到了巨大發(fā)展[1]。由于具有掘進(jìn)速度快、地表沉降小、對(duì)地面及地下環(huán)境影響小等特點(diǎn)，城市地鐵隧道等領(lǐng)域越來(lái)越多使用盾構(gòu)工法施工[2]。

盾構(gòu)機(jī)主要由刀盤、盾體、螺旋輸送機(jī)、管片拼裝機(jī)、后配套等部分組成。作為盾構(gòu)機(jī)的重要組成部分，刀盤必須根據(jù)不同的地質(zhì)條件和施工要求最終確定。就隧道施工而言，刀盤對(duì)于整個(gè)施工質(zhì)量至關(guān)重要，如果刀盤上刀具布置不合理或者刀盤整體的剛度不夠，就會(huì)導(dǎo)致盤面受力不均，進(jìn)而導(dǎo)致出現(xiàn)偏斜現(xiàn)象，在這種情況下，需要糾偏機(jī)構(gòu)不斷地進(jìn)行調(diào)整，不僅降低了開(kāi)挖效率，還會(huì)影響成洞質(zhì)量[3]。因此，針對(duì)盾構(gòu)刀盤的受力計(jì)算及有限元分析對(duì)盾構(gòu)法施工有極其重要的意義。

1 砂卵石地層盾構(gòu)機(jī)刀盤

1.1 盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)形式

刀盤的結(jié)構(gòu)主要有面板式和輻條式兩大類型。面板式刀盤的優(yōu)點(diǎn)是：可通過(guò)在設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)刀盤的開(kāi)口大小的調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)施工過(guò)程中限制進(jìn)入土倉(cāng)的卵石粒徑，其缺點(diǎn)也比較明顯：面板式刀盤在刀盤表面具有多個(gè)面板，受此刀盤面板的影響，施工過(guò)程中開(kāi)挖面土壓不等于測(cè)量土壓，因而造成開(kāi)挖時(shí)土壓管理困難；由于受面板影響，刀盤開(kāi)口率一般較小，開(kāi)挖時(shí)切削下的渣土進(jìn)入土倉(cāng)不順暢，從而導(dǎo)致渣土黏結(jié)和堵塞，最終加大刀具負(fù)荷，影響刀具使用壽命；由于對(duì)卵石的約束力弱，不論在刀盤上配置滾刀還是撕裂刀，對(duì)卵石的破碎效果都不理想［4］。輻條式刀盤的優(yōu)點(diǎn)是：由于刀盤表面無(wú)面板類結(jié)構(gòu)，開(kāi)口率較大，所以，開(kāi)挖面土壓等于測(cè)量土壓，因而對(duì)土壓管理較有效；由于切削下的渣土易進(jìn)入土倉(cāng)，其對(duì)刀具造成的負(fù)荷較小，因而刀具使用壽命較長(zhǎng)；卵石的處理與地層的約束力無(wú)關(guān)，缺點(diǎn)是由于面板的阻擋，開(kāi)口較大，因而不能限制大粒徑的卵石進(jìn)入土倉(cāng)。

1.2 典型砂卵石地層盾構(gòu)機(jī)刀盤選型

在典型的砂卵石地層中進(jìn)行施工時(shí)，該類型地層對(duì)刀盤的影響主要表現(xiàn)在：對(duì)刀盤刀具磨損較大，渣土改良較困難，不利于保持土壓平衡。而輻條式刀盤具有大開(kāi)口率，易于進(jìn)渣和控制土壓平衡，有利于減小刀具磨損。因此，盾構(gòu)在砂卵石地層中施工時(shí)，宜采用輻條式刀盤。

2 刀盤扭矩及推力計(jì)算

2.1 刀盤扭矩計(jì)算模型

在掘削過(guò)程中，刀盤所受載荷主要有刀盤正面的水土壓力、刀盤背面的渣土壓力以及刀盤側(cè)面的水土壓力。此外，由于刀盤的旋轉(zhuǎn)，刀盤還受到土體的摩擦力，主要有正面受到前方土體摩擦阻力，背面受到土倉(cāng)內(nèi)渣土的摩擦阻力，側(cè)面也受到土體的切向摩擦阻力。因此，盾構(gòu)機(jī)的掘削機(jī)構(gòu)提供足夠的扭矩，以克服以下6種阻力矩：刀盤前端面與土層的摩擦阻力矩T1，刀盤背面所所受來(lái)自土倉(cāng)的阻力矩T2，刀盤邊圍和土層接觸時(shí)的阻力矩T3，刀具切削時(shí)的阻力矩T4，刀盤自重引起的抵抗旋轉(zhuǎn)所需力矩T5及刀盤在密封艙內(nèi)攪拌渣土所需力矩T6。從工程應(yīng)用角度來(lái)說(shuō)，刀盤扭矩主要是前4種［1］。

對(duì)于盾構(gòu)機(jī)刀盤所受四種主要扭力矩：刀盤前端面與土層的摩擦阻力矩T1，刀盤背面所所受來(lái)自土倉(cāng)的阻力矩T2，刀盤邊圍和土層接觸時(shí)的阻力矩T3，刀具切削時(shí)的阻力矩T4，其計(jì)算方法分別為：

式（1）中：D為刀盤直徑，K為側(cè)方土壓系數(shù)，f為土與鋼的摩擦系數(shù)，η為刀盤的開(kāi)口率，H為覆土深度。

式（2）中：K1為與刀盤正面相比刀盤背面摩擦阻力扭矩計(jì)算調(diào)節(jié)系數(shù)，一般取K1=0.6～0.8。

式（5）中：VMAX為盾構(gòu)機(jī)的最大推進(jìn)速度，ne為刀盤的額定轉(zhuǎn)速。

2.2 刀盤推力計(jì)算模型

盾構(gòu)機(jī)工作中，刀盤的扭矩和受到的推力反作用力是同時(shí)進(jìn)行的。在掘進(jìn)過(guò)程中認(rèn)為是勻速進(jìn)行的，即受力平衡，這里就把此理想為只受土壓。計(jì)算過(guò)程如下。

2.2.1 松弛高度計(jì)算

考慮地面負(fù)載時(shí)的覆土高度：H1=H+S/W0，因?yàn)槭怯萌餐劣?jì)算，所以松弛高度H2為：H2=H1。

松弛寬度B：

其中：H為覆土高度；S為地面載荷；W0為土的單位體積質(zhì)量（水位上部）；r為盾構(gòu)機(jī)半徑；φ為內(nèi)摩擦角。

2.2.2 土壓計(jì)算

作用在刀盤上的土壓為水平土壓力Pd。其中：W1為土的單位體積質(zhì)量（水位下部）；K1為土壓系數(shù)。

2.2.3 水平推力計(jì)算

刀盤上的水平阻力力引起的推力為F。

其中，D為盾構(gòu)機(jī)外徑

3 工程實(shí)例有限元分析

3.1 地質(zhì)情況

某一盾構(gòu)區(qū)間主要穿越2種地層，分別為卵石-圓礫層和卵石層。其中，卵石-圓礫層：所含圓礫、卵石成分以沉淀巖為主，混有火成巖，磨圓度較好，形狀以亞圓形為主，圓礫粒徑為0.5～2cm，最大粒徑為4cm。卵石一般粒徑為2～5cm，最大粒徑為10cm，充填物為細(xì)中砂約為30%。卵石層所含卵石成分以沉積巖為主，混有火成巖，磨圓度中等，形狀以亞圓形為主，級(jí)配較好，卵石粒徑一般為5～10cm，最大粒徑21cm，局部分布大塊漂石，其分布隨機(jī)性較強(qiáng)，漂石含量一般為5%～10%，充填物為細(xì)中砂約占35%，局部充填物夾雜黏土。

3.2 刀盤有限元分析

根據(jù)以上地質(zhì)特點(diǎn)，該區(qū)間盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)形式選用輻條式。根據(jù)刀盤扭矩及推力模型計(jì)算刀盤受力情況，并以此對(duì)刀盤進(jìn)行有限元分析。

3.2.1 刀盤扭矩有限元分析

由2.1中刀盤扭矩計(jì)算模型，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)和地質(zhì)情況，可計(jì)算出刀盤工作扭矩為6418kN·m。由有限元軟件Abqus可得出在此情況下的應(yīng)力與應(yīng)變分析結(jié)果，如圖1和圖2所示。

圖1 刀盤工作扭矩應(yīng)力分布云圖

圖2 刀盤工作扭矩應(yīng)變位移云圖

從分析結(jié)果可以看出，刀盤的牛腿和輻條、牛腿和法蘭盤以及輻條和環(huán)筋連接處應(yīng)力較大，其中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在輻條和環(huán)筋的連接處，為259MPa；刀盤的變形主要發(fā)生在堵轉(zhuǎn)面，最大變形量為6.5mm。在此情況下能夠滿足挖掘所需的強(qiáng)度要求。

除上所述掘進(jìn)時(shí)的工作扭矩外，在盾構(gòu)機(jī)開(kāi)始工作的瞬間產(chǎn)生很大的瞬間扭矩，即靜力啟動(dòng)脫困力矩。此扭矩可認(rèn)為是盾構(gòu)機(jī)提供的最大扭矩，這里為8022 kN·m，均布在刀盤的圓周位置。通過(guò)有限元軟件可以得到刀盤脫困扭矩應(yīng)力分布云圖和刀盤脫困扭矩應(yīng)變位移云圖，分別如圖3和圖4所示。

圖3 刀盤脫困扭矩應(yīng)力分布云圖

圖4 刀盤脫困扭矩應(yīng)變位移云圖

在脫困扭矩情況下，刀盤最大應(yīng)力出現(xiàn)在牛腿和法蘭盤連接處以及牛腿和輻條連接處，最大值為195MPa。刀盤的最大變形在刀盤外周，最大變形在刀盤大圓環(huán)處為1.16mm。其應(yīng)力與應(yīng)變均符合設(shè)計(jì)要求。

3.2.2 刀盤推力有限元分析

由2.2中刀盤推力計(jì)算模型，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)和地質(zhì)情況，可計(jì)算出刀盤工作時(shí)推力為7189kN，盾構(gòu)推力必須留有足夠的余量，一般取1.5F，即10783.5kN。利用有限元軟件分析此時(shí)刀盤的應(yīng)力及應(yīng)變位移情況如圖5和圖6所示。

圖5 刀盤推力應(yīng)力分布云圖

圖6 刀盤推力應(yīng)變位移云圖

由圖3.2.5加載分析得到的結(jié)果所示，牛腿與輻條的連接處應(yīng)力最大為63.92MPa，未超過(guò)材料的屈服強(qiáng)度。刀盤的變形主要發(fā)生在刀盤外周，由于設(shè)置了重力，因此，最大變形發(fā)生在刀盤外周的下半部分為1.3mm，亦符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

在以砂卵地層的地質(zhì)條件下進(jìn)行盾構(gòu)施工，盾構(gòu)機(jī)刀盤往往采用輻條式的結(jié)構(gòu)形式。通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩及所受軸向推力的分析，建立盾構(gòu)機(jī)刀盤驅(qū)動(dòng)扭矩及所受推力的計(jì)算模型。依據(jù)此模型，對(duì)某一工程實(shí)例進(jìn)行分析求解，并通過(guò)有限元軟件對(duì)刀盤進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)果顯示刀盤滿足設(shè)計(jì)要求。