基于ANSYS 的地铁盾构机刀盘扩径改造与加固设计

杨悬

（上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海200235）

目前我国城市轨道交通正处于高速发展阶段，全国已有三十多个城市建设或规划了轨道交通项目，有大量的地铁隧道需要采用盾构机设备。盾构机作为地铁隧道施工的重要设备，通常根据施工隧道地质情况“量体裁衣”式研制，具有“专土专用”的特点。而按照某一隧道工程参数设计制造的盾构机在完成该工程掘进后，通常还剩余相当长的使用寿命，对盾构机进行回收改造再利用可以有效节约地铁隧道建设成本。刀盘作为盾构机的核心受力构件，必须保证其结构强度和开挖能力，其改造设计方案是盾构机改造项目成功与否的关键。

上海现已有20 余条轨道交通线路投入运营，是目前世界范围内线路总长度最长的城市轨道交通系统。自2013 年起，为适应新版《地铁设计规范》对地铁盾构隧道限界的新要求，上海所有采用A 型车的区间隧道盾构管片结构内径均由φ5500mm 增大到φ5900mm，外径均由φ6200mm 增大到φ6600mm。这一重大调整，使得原来用于旧线路施工的盾构机设备将无法满足新线轨道交通区间隧道的施工要求。这种情况下，对盾构机进行扩径改造具有显著的工程意义，经过比选研究，部分型号的旧盾构机可以扩径改造至φ6760mm 以满足新线建设要求。本文以小松φ6340mm 土压平衡盾构机为研究对象，重点研究其刀盘扩径改造与加固设计方案，使其成功应用于上海地铁新线建设。

1 盾构机刀盘扩径改造方案简介

小松φ6340mm 盾构机为日本进口的土压平衡式盾构机，适用于上海地区浅覆土地铁隧道掘进施工。其刀盘结构形式为辐条面板式，盘体直径φ6330mm，由于原刀盘在经过了几个区间隧道的掘进施工后已经出现了一定的疲劳损坏，而且扩径后的刀盘将承受更大的载荷，故刀盘的改造包括扩径改造和结构加固两部分：

1.1 扩径改造：（1）保留主体结构，在外圈板上沿辐条方向焊接延长结构，并制作外径为φ6750mm 新外圈板，结构形式与原刀盘保持一致；（2）仿形刀安装位置径向外移210mm，相关内部管路采用硬管接长；（3）刀盘注水口位置保持不变，检查并修复注水口逆止阀，并为每个注水口位置增加一把保护刀，共4把；（4）为每个标准刀切削轨迹加装贝壳刀，共28 把；（5）另外增加标准刀12 把以满足扩径后掘进切削要求，外圈周边双标准刀座相应外移；（6）增加刀盘延伸盘面和圈板外表面堆焊硬质合金。

1.2 结构加固：（1）对已经出现疲劳裂纹的扇形辐条根部进行局部加强处理，改变该部位的受力形态，保护疲劳裂纹区域，避免裂纹扩散；（2）对全部6 个刀盘支撑牛腿进行加固，通过增加筋板并形成圆滑封闭的腔体，增大牛腿与刀盘辐条的夹角，增大牛腿根部的抗弯强度，改善牛腿根部外侧出现的应力集中情况；（3）在直径φ4200mm 位置加焊一圈40mm 厚的圈板，增大刀盘的整体刚度和稳定；（4）对已经出现局部面板塌陷变形的扇形区内部加焊隔筋板，增大扇形区腔体的强度和刚度。

扩径并加固改造后的刀盘盘体直径为φ6750mm，刀盘开口率约为36.5%，改造增重约9.3 吨，改造后的总重约为34.3 吨，最终盘体结构如图1 所示。改造前后的刀盘盘体三维模型分别如图2 和图3 所示。

图1 扩径改造后的刀盘盘体结构

图2 原刀盘盘体三维模型

图3 扩径改造后的刀盘盘体三维模型

2 土压平衡盾构机刀盘的受力分析

在对盾构机刀盘进行受力分析时，推力和扭矩是最主要的两个载荷参数。土压平衡盾构机在地下掘进过程中，刀盘的正面、侧面均受到土体压力，从而对作业中的刀盘产生摩擦阻力；土压仓内充满了刀盘开挖下来的碴土，在压力的作用下会对刀盘的背面产生摩擦阻力；刀盘上的刀具在切削土体时受到地层抗力，从而对刀盘产生摩擦阻力扭矩；刀盘搅拌棒及支撑梁也会受到土压仓内土体的摩擦阻力；密封及主轴承在刀盘旋转过程中也会产生摩擦阻力扭矩。因此，土压平衡盾构机刀盘扭矩的构成是[1-2]：（1）刀盘正面与土体之间的摩擦阻力扭矩T1；（2）刀盘背面与压力舱内的土体摩擦阻力扭矩T2；（3）刀盘侧面与土体之间的摩擦阻力扭矩T3；（4）刀具切削土体时的地层抗力产生的扭矩T4；（5）刀盘搅拌阻力扭矩T5；（6）刀盘主密封摩擦阻力扭矩T6；（7）主轴承摩擦阻力扭矩T7。

则总的刀盘扭矩可表示为

实际在盾构机的设计中，往往需要采用经验公式对刀盘的扭矩和盾构的推力进行估算。

刀盘扭矩的经验公式[3](kN·m)

式中：α'为扭矩系数，通常地铁施工用6m 系列土压平衡盾构机α'在18～22 左右选取；D1为盾构机开挖直接，单位m。

式中：Pj为单位掘削面积上的经验推力，6m 系列土压平衡盾构机Pj一般为1000～1300kN。

本文对盾构机刀盘进行强度校核受力分析计算，模拟盾构施工过程中刀盘处于极限状态的情况，即盾构刀盘受到前方土层阻力，导致刀盘停转，而刀盘驱动转矩保持输出，最大达到6176 kN·m。

3 刀盘盘体结构有限元分析与加固方案的优化

为了验证刀盘扩径改造及结构加固方案的可靠性，利用ANSYS 有限元分析软件对刀盘进行三维有限元静力分析，校核刀盘盘体的结构强度和刚度。根据工程使用环境，选取极限工况（脱困扭矩）进行校核计算，对刀盘背部联接驱动的法兰面进行全约束，对刀盘正面施加0.4 MPa 土压力和6176kN·m 的扭矩，对改造刀盘盘体进行静力分析计算。

由于原刀盘结构的材料为Q235B 钢，为增加刀盘的强度，扩径改造采用的新增材料为Q345B 钢，为保证改造后的刀盘能够满足盾构掘进施工要求，必须确保扩径改造后的刀盘在极限工况下的结构应力分布合理，新旧结构的最大应力均应保证在各自材料的许用应力范围之内。为此，在对扩径刀盘进行ANSYS有限元分析计算的过程中，以刀盘的变形和应力分布情况作为校核标准，通过不断调整加固方案，修改模型重新计算并对比分析结果，最终确定了扩径刀盘的结构加固改造方案。具体过程及结果如表1 所示。

表1 中，方案A 为扩径刀盘不进行结构加固的情况，其分析结果的如图4-图6 所示；方案D 为经过不断调整结构加固方案得到的优化方案，其分析结果如图7-图9 所示。对比扩径刀盘结构加固方案的优化过程和分析结果可知，在对刀盘进行结构加固以前，刀盘的整体刚度不佳，在极限工况下的最大变形达到了6.43mm，同时，扇形辐条与主辐条根部连接位置的应力达到了319.6MPa，大大超出了Q235 材料的许用应力值，并表现为根部接触位置的应力集中，这一分析结果也与刀盘在使用一段时间后在该位置出现疲劳裂纹的实际情况相符。为解决这一问题，设计时考虑用加焊25mm 厚弧形小筋板的方式对该区域进行了加固保护，传导应力的同时也形成了局部稳定三角形结构，避免了裂纹的扩散。同时，为解决支撑牛腿与主辐条连接部位出现的应力集中问题，采用增加梯形加强筋板的方式对该部位进行了加固，考虑到增加背部筋板对刀盘背面与压力舱内的土体摩擦阻力扭矩T2 的影响，对筋板进行了倒圆和密封成腔体的操作，同时优化了加强结构的形状尺寸，使其在能满足结构加强要求的同时尽量减小对T2 的影响。另外，为了增加刀盘的整体刚度和稳定，经过不断优化调整，在直径φ4200mm 位置加焊一圈40mm 厚的圈板。从最终优化加固方案的分析结果可以看出，加固后的扩径刀盘在刚度和强度上都得到了合理的加强，整体最大变形减小到了4.00mm，刀盘Q235 旧结构的最大应力减小到了158.6MPa,改造新增Q345B 材料的最大应力也控制在229.8 MPa，刀盘整体结构强度满足要求。

表1 扩径刀盘加固改造方案优化过程及静力分析结果

图4 不加固扩径刀盘的位移云图

图5 不加固扩径刀盘的应力云图

图6 不加固扩径刀盘的最大应力部位局部放大

图7 扩径刀盘加固后的位移云图

图9 扩径刀盘加固后的最大应力部位局部放大

4 扩径改造盾构机刀盘的应用情况

经过对小松φ6340mm 盾构机刀盘进行扩径改造和加固设计后，结合新制的盾体结构，可在保留原有螺旋机、拼装机、刀盘驱动、推进系统、同步注浆系统及车架等主要部件的基础上重新装配形成新的φ6760mm 盾构机。刀盘改造设计方案满足了多台小松盾构机的扩径改造需求，扩径改造后的盾构机已成功应用于上海地铁9 号线三期、14 号线、15 号线、17 号线、18 号线等多条轨道交通线路的区间盾构隧道施工中，避免了旧盾构机的闲置和浪费，有效节约了工程建设成本。

5 结论

随着我国城市轨道交通工程建设的发展，盾构机的需求量不断增加，虽然我国盾构机装备制造技术已取得较好的发展，并已逐步实现国产化生产和自主创新研发，但旧盾构机的更新改造技术同样值得关注。本文对小松φ6340mm 盾构机刀盘的扩径改造和加固设计，使其满足上海地铁轨道交通线路φ6760mm 盾构隧道的施工要求，从而使原本面临报废的旧盾构机得以回收再利用，继续服务于地铁建设，合理延续其剩余使用寿命，并有效节约工程成本，是一次比较成功的探索和实践，可为同类型的盾构机改造与应用提供借鉴和参考。