姚強生，李留濤

（徐工集團凱宮重工南京股份有限公司，南京 211100）

0 引言

盾構(gòu)機刀盤主要是用來對掌子面前方的渣土進行切削，在刀盤面板或刀盤刀箱中配裝有正面刮刀、邊刮刀、先行刀或滾刀，在刀盤旋轉(zhuǎn)時，刀具刃口切入土體對渣土進行破碎，并在刮刀的作用下將渣土通過刀盤的開口刮入土倉，從而保證盾構(gòu)機的正常掘進及出渣[1]。

因盾構(gòu)機是針對性及適應(yīng)性較強的隧道裝備，需根據(jù)具體水文地質(zhì)條件進行針對性設(shè)計或改造，故根據(jù)地層的不同，盾構(gòu)機一般可分為軟土盾構(gòu)機和復(fù)合盾構(gòu)機，軟土盾構(gòu)機主要用于粉土、黏土、砂土等強度較低的地層施工，復(fù)合盾構(gòu)機主要用于巖石、風(fēng)化巖等具有較高強度的地層掘進；在盾構(gòu)機設(shè)計時，軟土盾構(gòu)機刀盤一般只配裝正面刮刀、邊刮刀及先行刀即可保證施工的正常進行，而復(fù)合盾構(gòu)機刀盤需配備切削性能較高的滾刀方可保證掘削的順利進行，故在盾構(gòu)機施工時，復(fù)合刀盤受力情況要復(fù)雜于軟土刀盤[2-3]。

一般情況下，復(fù)合刀盤將滾刀更換為先行刀后可用于軟土地層，但軟土刀盤無法應(yīng)用于復(fù)合地層，故軟土刀盤在涉及到復(fù)合地層施工時需對刀盤進行適應(yīng)性改造。

某盾構(gòu)區(qū)間在地質(zhì)勘探時發(fā)現(xiàn)在隧道底部存在一段中風(fēng)化巖層，侵入隧道底部約800 mm，其余部分為軟土地層，盾構(gòu)機掘進時配備刀盤為軟土刀盤；考慮到中風(fēng)化巖層與軟土地層相比具有較高的強度，軟土刀盤刀具對該部分地層適應(yīng)性較差，故需對刀盤進行改造以增強其對該部分地層的適應(yīng)性。根據(jù)刀盤實際結(jié)構(gòu)型式，在不影響刀盤開口率的情況下，通過在6件刀盤面板處增加6把外周滾刀來增強刀盤的適應(yīng)性。圖1所示為改造前刀盤三維結(jié)構(gòu)示意圖，圖2為改造后刀盤三維結(jié)構(gòu)示意圖；改造前后刀盤主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

圖2 改造后刀盤三維結(jié)構(gòu)示意圖

1 刀盤受力分析

盾構(gòu)機在掘進過程中，刀盤受到的力主要來源于以下4個方面：1）盾構(gòu)機推進系統(tǒng)產(chǎn)生的推力；2）盾構(gòu)機主驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；3）盾構(gòu)機掘進過程中受到的周圍水土壓力；4）刀盤自身產(chǎn)生的重力。由于周圍水土壓力、刀盤自身重力與推力、轉(zhuǎn)矩相比較小，故在刀盤強度分析時僅將推力與轉(zhuǎn)矩作為邊界條件進行加載[4-6]。

軟土刀盤刀具配置主要為刮刀、先行刀及邊刮刀，刀具受力情況較為復(fù)雜，針對單把刀具的受力分析比較困難，故在軟土刀盤受力分析中以相同規(guī)格的復(fù)合刀盤受力為基礎(chǔ)進行；根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，同規(guī)格復(fù)合刀盤設(shè)計單刃滾刀32把，雙刃滾刀4把，每把單刃滾刀可承受的最大載荷為250 kN，每把雙刃滾刀可承受的最大載荷為500 kN，復(fù)合刀盤可承受的最大推力F1為[7-8]

相同規(guī)格的軟土刀盤可承受的最大推力一般為復(fù)合刀盤最大推力的75%～80%，取較大值作為軟土刀盤能夠承受的最大推力，即在刀盤強度分析時，以8000 kN作為刀盤承受的最大推力進行邊界條件加載。

刀盤改造后，在6件面板位置各增加1把滾刀，改造后刀盤可承受的最大推力F2為

根據(jù)表1所示盾構(gòu)機主要技術(shù)參數(shù)并結(jié)合上述分析，刀盤改造前后主要承受的載荷值如表2所示。

表2 刀盤改造前后載荷參數(shù)表

2 刀盤強度分析

利用Workbench有限元分析軟件對改造前后刀盤強度進行分析，以表2中參數(shù)作為邊界條件進行加載；推力載荷加載時按照刀盤實際受力情況加載在刀盤的6件輻條上，方向垂直于刀盤輻條并指向輻條；轉(zhuǎn)矩載荷加載在刀盤刀圈位置；在刀盤法蘭端面處加載固定約束，以模擬刀盤實際情況限制刀盤位移[9]。

根據(jù)有限元分析流程，將三維模型導(dǎo)入軟件中進行網(wǎng)格劃分，最小網(wǎng)格尺寸25 mm；網(wǎng)格劃分完成后根據(jù)載荷條件進行載荷加載，邊界條件加載完成后對改造前后刀盤強度進行分析即可；根據(jù)分析過程顯示，改造前刀盤網(wǎng)格劃分共計324 488個節(jié)點，178 477個單元，改造后刀盤網(wǎng)格劃分共計382 841個節(jié)點，209 416個單元。

圖3所示為改造前刀盤強度分析等效應(yīng)力及變形云圖。從圖中可知，改造前刀盤最大等效應(yīng)力為147.97 MPa，出現(xiàn)在刀盤牛腿與刀盤面板鋼結(jié)構(gòu)焊接位置；最大變形為1.76 mm，出現(xiàn)在刀盤刀圈位置；刀盤等效應(yīng)力大于120 MPa的區(qū)域極少，集中在刀盤牛腿與刀盤面板結(jié)構(gòu)焊接位置，絕大多數(shù)區(qū)域等效應(yīng)力在120 MPa以下。

圖3 改造前刀盤等效應(yīng)力及變形云圖

圖4所示為改造后刀盤強度分析應(yīng)力及變形云圖。從圖中可知，改造后刀盤最大等效應(yīng)力為150.79 MPa，出現(xiàn)在刀盤牛腿與刀盤面板鋼結(jié)構(gòu)焊接位置；最大變形為1.85 mm，出現(xiàn)在刀盤刀圈位置；刀盤等效應(yīng)力大于120 MPa的區(qū)域極少，集中在刀盤牛腿與刀盤面板結(jié)構(gòu)焊接位置，絕大多數(shù)區(qū)域等效應(yīng)力在120 MPa以下。

圖4 改造后刀盤等效應(yīng)力及變形云圖

根據(jù)強度分析結(jié)果對刀盤等效應(yīng)力及變形參數(shù)進行統(tǒng)計，改造前刀盤平均等效應(yīng)力為10.846 MPa，平均變形為0.968 8 mm；改造后刀盤平均等效應(yīng)力為10.222 MPa，平均變形為1.069 mm；相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 刀盤改造前后平均等效應(yīng)力及平均變形

3 強度分析結(jié)果對比

分別對刀盤改造前后最大等效應(yīng)力、最大變形、平均等效應(yīng)力、平均變形進行分析，刀盤改造前后等效應(yīng)力、變形變化率如表4所示。

表4 改造前后刀盤等效應(yīng)力及變形變化率

由表4可知，刀盤改造后最大等效應(yīng)力增加了2.82 MPa，增長率為1.9%；最大變形增加了0.09 mm，增長率為5.1%；平均等效應(yīng)力減少了0.624 MPa，降低率為5.8%；平均變形增加了0.1 mm，增長率為10.3%。即刀盤改造后最大等效應(yīng)力雖有所增加，但平均等效應(yīng)力降低，其原因在于刀盤改造時在面板處增加了箱體結(jié)構(gòu)，提高了刀盤的整體強度。

刀盤結(jié)構(gòu)主材為Q355B鋼板，根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗，刀盤設(shè)計時強度安全系數(shù)一般取值為1.2，據(jù)此可計算出不同厚度鋼板許用應(yīng)力值[10]；根據(jù)GB/T 1591低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼標(biāo)準(zhǔn)，不同厚度板材屈服強度及計算得到的許用應(yīng)力值如表5[11]所示。

表5 不同厚度板材屈服強度及許用應(yīng)力

刀盤設(shè)計時最大鋼板厚度為100 mm，故選擇262.5 MPa作為刀盤結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力；當(dāng)?shù)侗P改造前、改造后最大等效應(yīng)力均小于262.5 MPa時，則可認(rèn)為刀盤強度滿足施工需求。由表4、表5可知，刀盤改造前后最大等效應(yīng)力均小于材料的許用應(yīng)力，故改造前、改造后刀盤強度均滿足使用需求。

在刀盤設(shè)計時，一般要求刀盤的最大變形量不超過刀盤開挖直徑的3%，根據(jù)刀盤實際尺寸，刀盤改造前后變形量均不得超過19.2 mm。由表4可知，刀盤改造前最大變形為1.76 mm，改造后最大變形為1.85 mm，刀盤變形量滿足施工要求，即刀盤剛度滿足使用要求。

4 結(jié)論

根據(jù)對軟土刀盤改造前、改造后的最大應(yīng)力及變形結(jié)果可得出以下結(jié)論：

1）刀盤改造前最大等效應(yīng)力為147.97 MPa，最大變形為1.76 mm，刀盤改造后最大等效應(yīng)力為150.79 MPa，最大變形為1.85 mm，改造前后刀盤最大等效應(yīng)力及最大變形均小于許用應(yīng)力及許用變形，刀盤強度及剛度均滿足改造要求；

2）刀盤改造后最大等效應(yīng)力增長率為1.9%，最大變形增長率為5.1%，平均等效應(yīng)力降低率為5.8%，平均變形增長率為10.3%，即刀盤改造后平均等效應(yīng)力降低，整體強度提高，可知箱體結(jié)構(gòu)可有效改善刀盤的受力性能；

3）刀盤改造前及改造后最大等效應(yīng)力均出現(xiàn)在刀盤牛腿與刀盤面板結(jié)構(gòu)焊接處，在刀盤設(shè)計及制造時需對該位置進行重點關(guān)注并進行優(yōu)化處理，以減小該位置的應(yīng)力集中。