盾构刀盘多目标优化设计

林学华　卓秀清

摘要：盾构刀盘设计的时候应该充分考虑到整个刀盘的刀盘开口率、刀具的布置、结构形式等对刀盘的影响，必须适合使用条件，确保使用过程中在保持稳定的前提下提高掘进速度。刀盘设计是盾构机的主要零部件，其结构设计的合理性直接影响到盾构机的性能。为了提高设备的使用效率，需要合理优化刀盘结构。文章主要从盾构机刀盘的结构形式、结构设计和优化设计目标三个方面进行简要分析。优化后的盾构刀盘应力分布更加均匀、刀盘结构的强度增加，为盾构机刀盘今后的设计与发展提供参考。

关键词：盾构刀盘；优化设计

盾构机是一种地下隧道挖掘专用的大型、成套施工设备，其主要优点有质优、安全、经济效益高、开挖快、有利环境保护、降低劳动强度等，在城市施工、隧道挖掘中得到广泛应用。盾构机在施工过程中可能遇到各种不同的地质环境，从粘土、与你、砂层到软岩、硬岩等。在盾构机使用过程中，其关键部位就是盾构刀盘。盾構刀盘质量好坏直接关系到盾构机的工作效率、使用寿命和工程的成败。因此，盾构刀盘的设计和地质工程有着紧密的关系，不同的地质类型要选择不同的刀盘结构，进而盾构刀盘的设计也应该采取多目标优化设计，提高盾构机的工作效率。

1.盾构机刀盘结构形式

盾构刀盘主要具备稳定掌子面、搅拌渣土、挖掘三大功能。观察刀盘的结构，主要由辐条式和面板是两种，具体使用哪一种应该根据现场的施工条件和地质条件决定。泥水盾构主要使用面板是刀盘，如果是土压平衡盾构则考虑采用辐条式或者面板式，当然，辐条式刀盘明显优于面板式。对于土压平衡盾构来说，使用面板式的盾构刀盘时，当泥土流经刀盘面板的时候，泥土可能进入土仓开口，进而导致盾构机挖掘的过程中舱内土压和挖掘面土压之间产生压力，导致挖掘面不易控制。而辐条式的刀盘结构辐条较少，切削下来的土体可能直接进入到设备土仓当中，没有压力损失，而且在辐条后面设有搅拌的叶片，在搅拌砂土过程中可以流畅工作。所以，辐条式的刀盘比面板式刀盘的适应性强。但是辐条式的刀盘不能安装滚刀，这也是其缺陷之一，在风化后的岩石或者软硬质地不均的地方使用，还是应该选择面板式刀盘。

2.盾构刀盘结构设计

2.1开口率设计

盾构刀盘的开口率是面板式刀盘开口部分的面积和刀盘面积的比率，其实质上指的是刀盘切削下来的碎土要经过刀盘开口槽进入土仓。因此，在进行刀盘开口设计的时候，必须要考虑到盾构机使用的土壤环境、开挖面的稳定性、开挖效率，并以此作为根据选择尺寸、形状及其他条件相符的刀盘。例如对水泥盾构的时候，盾构刀盘的开口率一般设计在10%-30%之间；对土压平衡盾构的刀盘设计，开口率较小；对于粘性土质盾构来说，刀盘的开口率应该加大；对于较容易坍塌的地质结构进行盾构的时候，刀盘的开口率必须慎重选择。此外，盾构刀盘的开口位置要紧靠刀盘的中心，避免工作室切削下来的渣土掉落在中心部位，造成运行不畅。

2.2泡沫管的设计

实施土压平衡盾构主要使用于土质相对粘稠的施工地点，如果施工地点的含沙量超过限度，泥土的可塑性降低，而且土仓内的土会因为凝固而被压得紧密，仓内的土渣就无法排除。此时，可以采用向土仓内注泡沫或水、膨润土的方法进行强制性搅拌，让沙质土软化。使用泡沫可以有效控制土体塑流性，还可以润滑盾构刀盘、刀具、螺旋输送机等，保持盾构机的流畅运行，提高其性能和作用。所以，泡沫管可以有效防止刀盘运转过程中，泥土形成泥饼，通常情况下，泡沫管注入口设置在刀盘的中心部位或者刀盘的背面，通过旋转接头将泡沫引入，刀盘上布置的泡沫管有两种，一种是外置式，一种是内置式，外置式清理相对容易，但是与土壤直接摩擦，比较容易损坏，内置式清理比较麻烦，但是不宜损坏，目前盾构机多使用的是内置式。从盾构刀盘多目标设计的角度来说，做好泡沫管布置同样具有重要作用。

2.3刀盘倒角和变滚刀设计

盾构机刀盘的切削直径最终是由安装在刀盘外周的刀具实现的。所以，在盾构机进入土层的时候，其运行时通过周边的刮刀实现的。在土质坚硬或者岩石地质进行盾构的时候，主要由边滚刀实现，在土质较软的区域进行盾构的时候，主要由周边的刮刀实现。边滚刀的径向和刀盘的面板必须形成一定的角度，刀盘的形状在边缘处要流出一定的倾斜角。刀盘在运转的过程中，滚刀靠近刀盘的边缘，其旋转速度要比中心部位滚到旋转速度快，而且切削岩层的直线距离很长。所以，边滚刀的磨损要远远大于中心滚刀，因此在进行设计的时候，要增加边滚刀数量。

3.刀盘多目标的优化设计

刀盘设计之前，要预先建立相应的数学模型，将选取钢材的厚度作为设计中的主要变量，选择刀盘最大变形和质量作为函数，进行整体优化，其目标就是使刀盘最大变形量和质量实现最小。当然，进行多目标优化分析的时候，目标函数的级别会影响到设计方案的优化，并以此来确定最佳的设计方案。最优的设计方案选择原则在尽量满足优化目标的前提下进行，优化效果最明显的方案就是盾构刀盘需要选择的方案。

盾构刀盘优化设计流程，先将盾构机刀盘模型参数化，并按照典型的工况条件对刀盘进行静力分析，并将静力分析的结果和设计参数作为边界条件，对参数化的模型进行不断优化直至求出最佳解，将优化结果返回模型，变更并确定最终设计方案。通过这个方式进行盾构机刀盘校核，即使失败也可以通过改变设计参数改变刀盘模型的结构尺寸，减少重复建模的工作量。

4.总结

盾构刀盘进行设计的时候，要考虑到刀盘的使用范围和现实的土质情况，全面考虑各种问题之后，全面优化盾构刀盘优化设计。进行设计的时候可以根据相关参数选择获取设计方案，提高设计分析思路，为盾构刀盘设计提供新的方法和思路。

参考文献：

[1]黄德中.超大直径土压平衡盾构施工土体改良试验研究[J].现代隧道技术.2011（04）

[2]蒲毅，刘建琴，郭伟，裴瑞英.土压平衡盾构机刀盘刀具布置方法研究[J].机械工程学报. 2011（15）

[3]王锡军.无水砂卵石地层盾构施工[J].建筑技术.2011（03）

[4]李建峰，王旭，王凯，周喜.盾构刀盘中心区域磨损研究[J].现代隧道技术.2011（01）

[5]何峰，李小岗，孙善辉.北京铁路地下直径线泥水盾构刀盘、刀具适应性分析[J].中国工程科学. 2010（12）

[6]王洪新.土压平衡盾构刀盘开口率选型及其对地层适应性研究[J].土木工程学报. 2010（03） .