复合型土压平衡盾构刀盘设计与结构有限元分析

赵才

摘 要：为设计满足于实际施工需要的盾构机刀盘，通过地质勘测报告得到掘进地层的特点，论述了刀盘的框架结构、刀具的配置以及泡沫注入口的设计，建立了刀盘主体结构有限元分析模型，分析了刀盘在受均匀荷载与偏载的条件下的受力特性，得到了刀盘在两种工况下的应力应变分布规律。分析结果表明：在两种不同载荷工况下刀盘的最大等效应力和最大位移变形量分别为108MPa， 171MPa及1.4mm， 3.2mm。刀盘受到最大的等效应力远小于材料的屈服强度，而且两种情况下的变形量较刀盘直径均很小，设计满足刀盘实际施工的强度与刚度要求。

关键词：土压平衡盾构；刀盘；有限元分析；结构分析

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）08-0104-03

盾构机的刀盘是隧道掘进的关键部件，它在施工中主要用来破碎剥离岩土和支护隧道开挖面及搅拌渣土等。盾构刀盘在掘进过程中会遇到各种不同的地质情况，从软土、黏土、软岩到风化层硬岩，不同的地质的物理参数区别很大，刀盘的工作环境及其恶劣，刀盘承受的随机突变载荷变化很大，这些都对盾构刀盘的结构设计提出了较为严格的要求，因此刀盘性能的好坏将直接影响盾构机的工作效率。此外，刀盘的设计质量决定了隧道成洞的质量，如果刀盘刚度不够或刀盘上刀具布置不合理，将导致盘面受力不均，出现偏斜，这就需要纠偏机构不断地进行调整，不仅影响了成洞质量，还降低了开挖效率。因此，有必要在刀盘设计阶段对刀盘性能进行预评估。

刘志杰、陈馈等[1-3]根据施工实际条件，从刀盘的盘形、刀具类型入手，通过分析刀具破岩机制和刀盘切削参数对刀盘刀具的布局进行了分析和总结；吕强、朱合华等人[4-5]通过制造等比例的小型化刀盘，进行土箱实验对刀盘掘进过程进行模拟，得到了较好的实验结果。

有限元分析方法的出现为大结构件的结构应力应变分析提供了一种较好的方法，有限元分析与实际实验相比，具有代价小、分析时间短、方便更改设计参数等优势，因此被广泛用于结构设计分析。周奇才、夏毅敏、曾晓星等人[6-8]运用有限元分析法建立三维刀盘模型，分析了刀盘在极限载荷情况下的受力及变形情况，取得了理想的分析效果。

目前，盾构刀盘的结构设计已成为盾构的关键技术之一，本文从刀盘的框架结构设计、刀具的配置以及泡沫、膨润土注入口的设计入手，对刀盘的结构强度和刚度进行分析，为刀盘在实际施工过程中的应用提供了理论指导，具有较好的实际工程应用价值。

1 盾构刀盘的设计特点

根据地质勘察岩土工程单位对深圳市城市轨道交通在建的地铁2号线东延线提供的勘察报告可知，该隧道洞身范围地层情况较复杂，地层为上软下硬，主要穿越全风化、强风化及中风化凝灰岩，局部为粉质粘土及微风化凝灰岩；中风化凝灰岩单轴极限抗压强度值<49MPa，微风化极限抗压强度值<59MPa。因此，根据施工需求，刀盘的直径设计为，隧道管片外径为，内径为。

1.1 刀盘的结构分析

土压平衡盾构刀盘主要有两种结构形式：面板式和辐条式，结构如图1所示；辐条式刀盘对单一软土地层具有较强的适应性，掘进速度较快，而对于面板式刀盘可以通过设计刀盘的开口限制进入土舱的卵石粒径，通过安装滚刀刀具可以应用于开挖包含岩石地层的盾构隧道，其结构如图2所示。在復杂的复合地质条件下，由于开挖地层的不稳定性，刀盘往往对开挖面起着重要的支撑作用，刀盘不仅要承受很大的推进力和扭矩，还要受很大的整机振动冲击，为了保证刀盘具有足够的强度和刚度，一般情况下刀盘的形式都采用面板式箱形结构，从现有的施工经验来看，面板式刀盘结构虽然能够保证刀盘的强度和刚度，但没有完全考虑到刀盘整体受力特点和土体的流动性，这样会导致阻力增大、出土不畅、开挖面压力控制不稳定，不利于控制地面沉降，从而导致切削效率较低。而复合式土压平衡盾构机的刀盘采用的设计是先进的主副梁结构设计，盘体结构简洁，刀盘开口率合适，刀架轻巧，刀具布置合理，刀盘盘体结构设计充分考虑到土体的流动方向。

1.2 刀盘刀具配置与布置方式

刀具安装在刀盘正面，盾构掘进过程中，通过刀盘旋转与盾体向前推进带动刀具完成对前方岩土的切削任务，刀盘刀具如何配置及其布置方式是土压平衡盾构设计与研究的一个重要方向。复合式刀盘的显著特点就是多元化的刀具配置和合理的刀具分布方式，通过合理的选用刀具类型及分布位置，从而提高盾构掘进过程对地质层的适应性和掘进功效，而且降低对刀具的磨损。针对深圳地铁本标段上软下硬地质条件的特点，设计的复合式土压平衡盾构刀盘刀具配置如表1所示。

此外，刀盘的注入口设计采用5个泡沫注入孔与2个径向注水孔相结合的方式，通过刀盘上布置的注入口加注膨润土或泥浆，用以改良土体，达到了提高渣土流动性、改善土体切削性能及降低刀具磨损的目的，同时也拓宽了土压平衡盾构的地质适应范围。

2 刀盘模型的建立

按照盾构刀盘设计尺寸，首先在三维建模软件Solid works中建立刀盘的实体模型，为了保证分析计算的可行性及分析的效率，因此在导入Ansys中建立物理模型前，将实体建模中的刀具等进行了简化删除，这样不仅降低了有限元模型网格划分的难度以及复杂程度，而且加快了计算的分析速度[9-10]。划分网格要选择合适的划分密度，如果网格过密，需要很大的计算运行速度，分析时间较长，而过疏的密度则会导致分析结果的不精确，本文采用的是自由划分形式。本文中设计的刀盘直径为，选用材料为Q345B，材料的屈服极限为345MPa，弹性模量取GPa，泊松比取。刀盘共划分了51690个单元，64284个节点。

3 刀盘结构应力分析

有限元法的思想就是把连续的几何体离散成有限个单元，并在每一个单元中设定有限个节点，从而将连续体看作仅在节点处相连接的一组单元的集合体，单元集合体代替原来连续体，又在节点上引进等效力代替实际作用于单元的外力。有限元的分析的一般流程如图3所示。

刀盘在盾构掘进过程中主要是自身的回转运动和轴向的推进运动，由于转动速度和推进速度都比较慢，因此可以近似地采用静态分析来对盾构刀盘进行应力分析，主要在刀盘上施加推进力与扭矩。

图4是刀盘在均衡受力条件下得到的应力场与位移场，根据有限元分析结果可以看到，在均衡受力条件下，图4（a）中刀盘结构的最大等效应力为108MPa，刀盘绝大部分区域的等效应力小于50MPa，而刀盘设计所用材料为Q345B，该材料的最大屈服强度为345MPa，因此刀盘的结构设计满足强度要求。从图4（b）中可以看到刀盘结构最大综合位移变形量为1.4mm，与刀盘的设计直径相比变形量很小，约为直径的0.224‰，该变形量在设计允许的范围内。综上因此该刀盘的结构设计满足要求。

图5是刀盘在均衡受力条件下得到的应力场与位移场，根据有限元分析结果可以分析，刀盘在1/3偏载条件下（下部1/3区域施加5750kN，上部区域施加5000kN，扭矩5500kN.m），可以看到图5（a）中刀盘结构的最大等效应力为171MPa及刀盘绝大部分区域的等效应力小于100Mpa，相比刀盘设计所用材料为Q345B的最大屈服强度应力为345MPa，在1/3偏载条件下刀盘的等效应力只有材料最大屈服强度的一半左右，因此，在1/3偏载的条件下该刀盘的结构设计满足强度要求。从图5（b）中可以看到由扭矩产生的最大综合位移变形量为3.2mm，该变形量约为直径的0.51‰，该变形量相较于直径显得很小，变形量在设计允许的范围内。因此该刀盘的结构设计满足要求。

综上，在两种不同载荷条件下刀盘的最大等效应力和最大位移变形量分别为108MPa，171MPa及1.4mm，3.2mm，刀盘受到最大的等效应力远小于材料的屈服强度，而且两种情况下的变形量较刀盘直径均很小，因此满足刀盘设计的强度与刚度要求。

4 结语

（1）根据地质勘察数据报告为刀盘的框架结构设计、刀具的配置以及泡沫、膨润土注入口的分布提供了较全面的优化设计指导，为设计满足实际工程需要的刀盘结构提供了较好的基础。（2）采用Solidworks和Ansys对刀盘在均匀荷载与有偏载的工况下的受力特性进行了分析，得出了刀盘在两种工况下的应力应变分布规律，在兩种工况下刀盘所受的结构应力均在设计采用的Q345B钢允许的范围内，且最大综合位移变形量相对刀盘直径相对很小，分析的结果均满足工程实际需求，为刀盘进一步优化设计提供了依据。

参考文献

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