高世琛 李帥遠(yuǎn) 李書敖 謝勇軍 沈 翔

(1．盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點實驗室，河南450001；2．中國中鐵隧道股份有限公司，河南450001； 3．深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東440305)

盾構(gòu)再制造是基于舊盾構(gòu)設(shè)備資源循環(huán)利用的制造模式，采用新材料、新技術(shù)、新工藝對舊盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行修復(fù)和改造，其功能、性能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)及安全特性不低于原型盾構(gòu)[1]。截至2019年底，國內(nèi)市場盾構(gòu)機(jī)保有量已超過2500臺套，然而我國盾構(gòu)再制造產(chǎn)業(yè)尚處于規(guī)劃發(fā)展階段，盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)廠家主要以制造銷售新機(jī)、舊盾構(gòu)機(jī)更換零件翻新為主，對盾構(gòu)機(jī)再制造研究較少。盾構(gòu)機(jī)再制造研究仍存在一些問題和挑戰(zhàn)[2]。

盾構(gòu)機(jī)刀盤是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)工作的主要部件，在盾構(gòu)機(jī)工作中占據(jù)主要成本，刀盤的地質(zhì)適應(yīng)能力決定著隧道施工的效率。刀盤再制造是盾構(gòu)再制造的重點，結(jié)合刀盤施工地質(zhì)條件對舊刀盤進(jìn)行改造和修復(fù)，使其結(jié)構(gòu)形式、開口率、刀具選用和布置盡量最佳。現(xiàn)以長沙地鐵某施工路段盾構(gòu)機(jī)經(jīng)再制造應(yīng)用于南寧地鐵某施工路段為例，對長沙地鐵某施工路段盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)行再制造設(shè)計，用數(shù)值模擬對再制造刀盤進(jìn)行可靠性驗證，驗證再制造方案的可行性。再制造盾構(gòu)機(jī)與全新盾構(gòu)機(jī)相比具有制造周期段，經(jīng)濟(jì)性高的優(yōu)勢，能提高盾構(gòu)機(jī)刀盤利用率[3]。

1 刀盤再制造設(shè)計

盾構(gòu)機(jī)在施工過程中，由于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，刀盤易承受高沖擊和重載荷，刀具和刀盤易出現(xiàn)磨損、變形和裂紋等損傷。刀盤再制造流程見圖1。

圖1 刀盤再制造流程Figure 1 Cutter remanufacturing flow

刀盤拆解后對刀盤各零件進(jìn)行剩余壽命評估和失效機(jī)理分析，通過分析測量數(shù)據(jù)并結(jié)合再制造刀盤施工地質(zhì)條件，通過焊接堆焊、表面處理、機(jī)械加工等技術(shù)手段實現(xiàn)刀盤再制造。

對于刀盤常見磨損失效，常采用耐磨藥芯焊絲，利用CO2氣體保護(hù)堆焊技術(shù)修復(fù)刀盤，修復(fù)后刀盤應(yīng)力與變形均得以改善。

對于刀盤嚴(yán)重磨損和大變形損傷，常采用圖2所示刀盤修復(fù)方案。需要對磨損或大變形區(qū)域進(jìn)行尺寸測量、打磨或切割修整、焊接修復(fù)，焊接刀盤本體結(jié)構(gòu)零件時，需考慮零件焊接順序。

圖2 刀盤修復(fù)方案Figure 2 Cutter repairing scheme

2 刀盤再制造設(shè)計

2.1 南寧地鐵某施工路段地質(zhì)條件

長沙地鐵盾構(gòu)機(jī)如圖3所示。根據(jù)標(biāo)段巖土勘察報告，施工隧道穿越地層主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖等，地下水類型主要為上層滯水、潛水、承壓水，和長沙地鐵施工某路段地質(zhì)條件相比地質(zhì)較軟，含水量相對豐富。

圖3 長沙地鐵盾構(gòu)機(jī)Figure 3 Shield machine used for Changsha subway engineering

2.2 再制造刀盤方案

結(jié)合南寧某地鐵施工路段的地質(zhì)特性，盾構(gòu)刀盤采用四主梁結(jié)構(gòu)形式，刀盤結(jié)構(gòu)件整體尺寸和長沙施工路段盾構(gòu)機(jī)刀盤尺寸相同，在長沙地鐵某施工路段盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計方案基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計，長沙地鐵盾構(gòu)設(shè)計方案和再制造盾構(gòu)刀盤設(shè)計方案如圖4和圖5所示。

圖4 長沙施工路段盾構(gòu)機(jī)刀盤設(shè)計方案Figure 4 Design scheme of shield machine cutter for Changsha engineering

圖5 再制造刀盤設(shè)計方案Figure 5 Remanufacturing cutter design scheme

根據(jù)南寧地鐵某施工路段盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性要求，考慮到盾構(gòu)始發(fā)及接收過程中要承受較大載荷，選取玻璃纖維筋圍護(hù)樁和加固素樁。為滿足南寧地鐵施工要求，對應(yīng)用于南寧地鐵的再制造盾構(gòu)機(jī)刀盤方案如下：

(1)中心刀：將中心雙聯(lián)滾刀更換為中心可更換式魚尾刀，中心雙聯(lián)滾刀和中心魚尾刀如圖6所示。中心魚尾刀適合在南寧地質(zhì)中掘進(jìn)，超前400 mm左右，保證魚尾刀最先切削土體；魚尾刀根部設(shè)計成錐形，使刀盤旋轉(zhuǎn)時隨魚尾刀切削下來的土體，在切向、徑向運動的基礎(chǔ)上，又增加一項翻轉(zhuǎn)運動，如此以來既可解決中心部分土體的切削問題和改善切削土體的流動性，又提高了整體掘進(jìn)水平。

圖6 中心刀Figure 6 Center tool

(2)焊接撕裂刀：再制造刀盤設(shè)計中，在長沙盾構(gòu)刀盤基礎(chǔ)上，將20把正滾刀所在位置同軌跡布置20把正面可更換撕裂刀。

(3)泡沫口位置：南寧再制造刀盤中設(shè)置六個泡沫口(其中1個備用)，同時留出一個泡沫口，可以在有泡沫口堵塞的情況下使用，提高掘進(jìn)效率。根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)的需要可自由切換注入膨潤土或泡沫，每路為單管單泵配置。該盾構(gòu)改良系統(tǒng)對切削下來的渣土具有較強(qiáng)的改良能力，能有效防止刀盤結(jié)泥餅。

(4)耐磨板：為增強(qiáng)刀盤的強(qiáng)度和耐磨性，本次再制造刀盤對磨損較嚴(yán)重的長沙刀盤表面耐磨板、刀盤外圈耐磨條(3道)及耐磨釘進(jìn)行全部更換，并將其中刀盤錐面耐磨板由450HBW名義硬度材料升級為整環(huán)合金耐磨復(fù)合鋼板。

再制造刀盤組裝過程的重點工藝是關(guān)鍵尺寸檢測和重要部件性能試驗。刀盤關(guān)鍵尺寸包括刀刃軌跡分布半徑、刀具刃高、刀盤結(jié)構(gòu)直徑、刀盤開挖直徑(理論/實際)、耐磨層厚度等。原刀盤和再制造刀盤主要參數(shù)見表1。

表1 刀盤主要參數(shù)Table 1 Main parameters of cutter

3 刀盤掘進(jìn)參數(shù)設(shè)計

根據(jù)國外盾構(gòu)設(shè)計經(jīng)驗，刀盤扭矩可按刀盤扭矩經(jīng)驗公式估算。

T=KaD3

式中，Ka為刀盤扭矩系數(shù)，Ka=14～23；D為刀盤直徑。刀盤驅(qū)動扭矩應(yīng)有一定的富余量，扭矩儲備系數(shù)一般為1.5～2。在南寧某施工路段盾構(gòu)配置8組液壓馬達(dá)驅(qū)動，采用開式液壓回路，額定扭矩為6000 kN·m。

盾構(gòu)機(jī)在正面掘進(jìn)過程中，刀盤主要承受正面推進(jìn)阻力和刀具推力作用，刀具推力可以參考南寧施工路段中刀具受力情況進(jìn)行預(yù)估[4]。根據(jù)刀盤參數(shù)及標(biāo)段巖土勘察報告中的相關(guān)參數(shù)，刀盤正面推進(jìn)阻力F為：

F=πD2(1-α0)KHcγ/4

式中，K為側(cè)向土壓力系數(shù)；D為刀盤直徑；γ為土體的重度，單位為kN/m3；Hc為地面到盾構(gòu)掘進(jìn)軸線的距離，單位為m。設(shè)計刀盤掘進(jìn)參數(shù)見表2。

表2 刀盤掘進(jìn)參數(shù)Table 2 Tunnelling parameters of cutter

4 刀盤數(shù)值模擬

4.1 再制造刀盤模型建立

由于盾構(gòu)機(jī)刀盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價昂貴，同時制作新刀盤工期較長。為檢驗刀盤再制造方案的可靠性，結(jié)合再制造刀盤設(shè)計方案，在SolidWorks軟件中建立再制造方案中的刀盤三維實體模型，為簡化計算對仿真結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化處理。結(jié)合有限元軟件驗證再制造刀盤結(jié)構(gòu)可靠性。刀盤材料為Q345B，具體材料參數(shù)見表3[5]。

表3 刀盤材料參數(shù)Table 3 Material parameters of cutter

4.2 刀盤工況

結(jié)合對復(fù)合式刀盤承載工況研究，刀盤相關(guān)分析主要以粉砂巖地質(zhì)條件下施工中三種典型工況為主。

(1)正常工況：隧道施工在掘進(jìn)過程困難路段，以正常推力和扭矩施工，刀盤主要承受正面推力、扭矩和覆土壓力。

(2)靜啟動脫困工況：在隧道施工過程中，可能會遇到一些堵轉(zhuǎn)，刀盤后退會遇到困難，此時盾構(gòu)機(jī)就需要通過加大扭矩來脫困。通過重新啟動盾構(gòu)機(jī)，使盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩加大到最大扭矩。這種工況為扭矩最大的工況，受力面為刀盤前面板和側(cè)圓周。

(3)最大推力工況：在隧道即將被掘穿時，為保持出洞口結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性避免坍塌，通常會操作盾構(gòu)機(jī)使刀盤停止旋轉(zhuǎn)，用推進(jìn)系統(tǒng)使盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)，從而使刀盤把殘余巖體推倒。刀盤承受覆土壓力及正面推力[6-7]。

4.3 刀盤結(jié)構(gòu)可靠性仿真分析

在正常工況、靜啟動脫困工況、出洞推擠工況下對再制造刀盤進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果提取刀盤不同工況下總變形云圖和等效應(yīng)力云圖，并對刀盤最大變形位置和應(yīng)力集中最大處進(jìn)行標(biāo)記，刀盤的總變形云圖和等效應(yīng)力云圖見圖7。

對再制造刀盤數(shù)值模擬結(jié)果分析如下：

(1)正常工況下，再制造刀盤變形由刀盤外圓周向內(nèi)逐漸變小，如圖7(a)所示，刀盤邊緣圓周處變形最大，最大變形為7.2125 mm；如圖7(b)所示，再制造刀盤的最大等效應(yīng)力分布在刀盤的內(nèi)周連接板與面板連接的拐角處，最大等效應(yīng)力為209.21 MPa，低于刀盤屈服強(qiáng)度，滿足刀盤施工設(shè)計要求。

圖7 正常工況下刀盤變形及應(yīng)力Figure 7 Deformation and stress of cutter in normal working condition

(2)靜啟動脫困工況下，再制造刀盤的變形由刀盤邊緣向刀盤內(nèi)周連接板逐漸變小，如圖8(a)所示，最大變形出現(xiàn)在刀盤圓周，最大變形為2.3632 mm；靜啟動脫困工況下，刀盤主要承受扭矩作用，如圖8(b)所示，再制造刀盤最大等效應(yīng)力分布在刀盤牛腿與刀盤背面連接處，最大等效應(yīng)力為96.084 MPa。

圖8 靜啟動脫困工況下刀盤變形及應(yīng)力Figure 8 Deformation and stress of cutter in static start condition

圖9 最大推力工況下刀盤變形和應(yīng)力Figure 9 Deformation and stress of cutter under maximun thrust condition

(3)最大推力工況下，再制造刀盤的變形由刀盤邊緣向刀盤內(nèi)周連接板逐漸變小，如圖9(a)所示，最大變形出現(xiàn)在刀盤圓周，最大變形為7.1726 mm；最大推力工況下刀盤主要承受推力反作用力，如圖9(b)所示，再制造刀盤的最大等效應(yīng)力分布在刀盤的內(nèi)周連接板與面板連接的拐角處，最大等效應(yīng)力為200.38 MPa，低于刀盤屈服強(qiáng)度，滿足刀盤施工設(shè)計要求。

5 結(jié)論

通過對盾構(gòu)機(jī)的刀盤進(jìn)行再制造設(shè)計，提出一種刀盤再制造方案設(shè)計流程。在多工況下對再制造盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)行數(shù)值模擬，分析刀盤可靠性，主要結(jié)論如下：

(1)提出一種刀盤再制造方案設(shè)計流程，介紹了再制造刀盤設(shè)計方案，為同類盾構(gòu)機(jī)刀盤再制造提供借鑒；

(2)盾構(gòu)機(jī)刀盤在再制造過程中，可適當(dāng)增加耐磨塊和磨損檢裝置，減少損壞，增長刀盤使用壽命；

(3)選擇施工困難地質(zhì)條件，進(jìn)行多工況數(shù)值模擬驗證盾構(gòu)機(jī)刀盤可靠性，發(fā)現(xiàn)再制造刀盤的變形由刀盤邊緣向刀盤內(nèi)周連接板逐漸變小，最大等效應(yīng)力分布在刀盤的內(nèi)周連接板與面板連接的拐角處。