大直径盾构刀盘受力不均分析及对策研究
2014-09-05韩伟锋周建军李凤远
韩伟锋，周建军，李凤远
(1．盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001；2.中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)
大直径盾构刀盘受力不均分析及对策研究
韩伟锋1，2，周建军1，2，李凤远1，2
(1．盾构及掘进技术国家重点实验室，河南 郑州 450001；2.中铁隧道集团有限公司，河南 洛阳 471009)
为解决大直径盾构刀盘受力不均问题，分析软硬不均地层刀盘受力模型，提出大直径盾构刀盘设计改进方案。采用增加辅助支撑轮的方法，使大直径盾构刀盘由悬臂状态改为简支状态。通过有限元模拟分析对比改进前后的刀盘受力情况，刀盘增加辅助支撑轮后受力效果得到明显改善。
盾构刀盘；受力不均；支撑轮；有限元分析
0 引言
为满足经济建设和生活发展的需求，地下工程的建设越来越多。隧道是地下工程最多的一类，涉及铁路、公路、水利及军事等多个领域。隧道的修建正在向着超大断面(直径大于12.0 m)与超小断面(直径为0.5～3.5 m)方向发展[1]，目前大盾构的断面直径已超过15 m。随着社会经济的发展，交通流量进一步加大，超大断面隧道的需求会越来越多。
随着隧道断面的增大，特别是在超大直径过江、跨海隧道施工中，上软下硬地层最为常见。上面为沉积砂土，而下面为坚硬的岩石。由于制造、运输、安装精度等原因，盾构主轴承最大直径受限，JB/T 2300—1999规定回转支撑最大直径不超过4.7 m。一方面为满足经济建设和快速交通的需求，隧道断面越来越大；另一方面受各种因素限制，盾构主轴承直径不能无限增大[2-6]。因此，地质复杂导致刀盘受力不均和刀盘悬臂过长造成主驱动受力不均而出现密封失效、主轴承损坏等问题是当前大直径盾构施工最为核心的问题之一。
目前，针对大直径隧道开挖过程中遇到的上软下硬地层，主要解决办法有对软砂土人工加固方法和对下层硬岩人工爆破等。软砂土人工加固方法应用范围非常有限，只能应用于水面相对静止或者河岸、海岸的边沿处，而人工硬岩爆破不但成本高，且不符合环保的要求[7-10]。因此，目前在上软下硬地层中安全修建隧道尚没有良好的解决办法。
本文针对软硬不均的复杂地质状况，通过对刀盘受力模型分析，从盾构刀盘结构设计入手，提出解决大直径盾构施工在软硬不均地层条件下刀盘受力不均的另外一种方法。
1 软硬不均地层刀盘受力模型分析
在软硬不均的地层中，特别是穿江越海隧道，随着直径的增大，地层软硬不均现象越明显。图1为某项目地层分布图。图中红线为隧道设计线路，直径约12 m，褐色为人工填土层，蓝色为淤泥，黄色为砂土类，橙色为粉质黏土，红色为坚硬的花岗岩。在整个隧道修建过程中，盾构将穿越淤泥、淤泥-花岗岩、花岗岩、淤泥-砂土、砂土、砂土-花岗岩、砂土-淤泥-人工填土等各种复杂多变的地层。特别是在穿越淤泥-花岗岩地层过程中，淤泥地层特别软，而花岗岩又特别硬，盾构刀盘上下受到的反作用力严重不平衡。
图1 某项目地层分布图
图2为盾构刀盘在上软下硬地层掘进中的受力示意图。
图2 刀盘受力示意图
主驱动上当量倾翻力矩
M上=fL2。
(1)
式中：f为淤泥层对刀盘的反作用合力；L2为淤泥层对刀盘侧压力臂。
主轴承下侧当量力矩
M下=FL1。
(2)
式中：F为花岗岩层对刀盘的反作用合力；L1为花岗岩层对刀盘侧压力臂。
在盾构掘进过程中，只有M上≈M下，才能够保证盾构平稳掘进；如果M上
隧道直径增大而主轴承直径不能按照需求增大，轴承当量倾翻力矩就会变大，刀盘刚度会变低，同时轴承的寿命也会降低。图3为轴承寿命与轴向不平衡力关系曲线。由图可以看出，随着不平衡力的增加，轴承寿命将会呈指数级下降。
图3 轴承不平衡力和轴承寿命关系曲线Fig.3 Curve of unbalanced force on main bearing VS service life of main bearing
2 大直径盾构刀盘设计改进方案
盾构刀盘是通过牛腿和法兰安装在盾构主驱动上，主驱动依靠盾构推进系统和旋转系统带动刀盘旋转并向前掘进。随着刀盘直径的增大，刀盘受到的倾翻力矩和轴向不平衡力逐渐增大。为保证超大直径盾构施工过程中刀盘受力平衡，采用增加辅助支撑轮的方法，使盾构刀盘由悬臂状态变为简支状态，减少超大直径在软硬不均地层受到的不平衡负载。
辅助支撑轮结构如图4所示，主要由支撑轮和轮座组成。支撑轮通过压块和螺栓与轮座固定在一起。支撑轮结构如图4(a)所示，主要由轮轴、轴承、端盖、轮体和支撑环等关键部件组成。由于土仓环境恶劣，支撑轮必须保证具有良好的密封性能和自转的灵活性，否则将会损坏轴承。因此，在安装前须对支撑轮做密封试验和自转扭矩试验。密封实验采用充入压缩空气，压力达到1 MPa，保持15 min而不泄压为合格；自转扭矩实验的启动扭矩在10～20 N·m为宜，如果启动扭矩过小，密封就达不到预期性能，过大则不利于支撑轮滚动，容易造成偏磨。轮座是由耐磨结构钢焊接而成，两端带有2个铲子，外侧有耐磨焊层(如图4(d)所示)，主要防止铲子过早磨损。轮座两侧的铲子主要用于铲除支撑轮轨道上的渣土，从而保护支撑轮。
(a)
(b)
(c)
(d)
辅助支撑轮主要通过螺栓和承力环将轮座与刀盘后面板固定在一起，如图4所示。刀盘后面板铣有一个深度约20 mm的沟槽，如4(c)，承力环放于沟槽内，由4颗螺栓固定。轮座放于承力环内侧，由4颗螺栓固定于刀盘后面板。在刀盘旋转过程中对轮座产生的切向力主要依靠承力环外侧与刀盘沟槽接触而产生压力，相当于一个平键。此设计保证了所有螺栓只起到固定作用而不受切向力，方便支撑轮的拆卸。
支撑轮在刀盘上的布置如图5所示。支撑轮分布于刀盘后面板周围，呈对称均布状态布置。支撑轮安装的具体数量根据地层实际情况和刀盘的直径而定。地层软硬不均现象越严重，刀盘直径越大，则支撑轮的数量相应越多。正常情况下，支撑轮随着刀盘在固定的轨道旋转，但是由于土仓的渣土比较多，容易在轨道上形成泥饼，因此，在轮座的两侧分别有一个铲子，可将轨道上的渣土清除，保证支撑轮完全压在滚动轨道上。
(a)
(b)
通过对刀盘的改进设计，采用有限元模拟分析方法对改进前后的刀盘进行受力分析。如图6为某项目刀盘采用有限元分析技术分析得到的应力-应变云图，刀盘最大应力为178 MPa,最大应变为9.64 mm。图7为增加辅助支撑轮后刀盘的应力-应变云图，最大应力为28 MPa,最大应变为0.824 mm。从2种情况分析对比结果可知，刀盘增加辅助支撑轮后受力效果得到明显改善。
3 结论与展望
通过对超大直径盾构刀盘受力分析研究，提出了增加辅助支撑轮的刀盘改进方案。从有限元模拟分析结果可知，刀盘受力不均现象得到明显改善。但是针对超大直径刀盘在软硬不均地层施工的技术难题仍然有很多，如刀具布置对刀盘受力平衡的影响、快速换刀技术及刀盘结泥饼等问题，下一步将针对这些问题进行研究。如果这些问题能够得到解决，将会加快目前尚存在一些技术难题的超大直径超深埋隧道的修建。
(a)
(b)
(a)
(b)
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南京规划21个过江通道过江方式或将首选隧道长江隧道北京捧得鲁班奖
2013年12月5日，一场大雾使江苏省部分高速公路封闭，高速公路过江大桥全部封闭。据悉，润扬大桥早上的能见度只有1 m，一直到11：00左右，过江大桥才开始陆续开通。巧合的是，在这一天，南京长江隧道在北京捧回了“中国建设工程鲁班奖(国家优质工程奖)”，这也是全国建筑行业工程质量的最高荣誉奖。南京长江隧道攻克了地质条件复杂、透水性强、覆土超薄和掘进距离长等6大世界难题，而且在质量上做到了几万块管片拼装严丝合缝、滴水不漏，这是南京长江隧道成为长江流域唯一获“鲁班奖”的重要原因。
“南京长江隧道的盾构施工经验确保了地铁10号线顺利过江。”中国工程院院士钱七虎表示，在没有现成经验借鉴的情况下，南京长江隧道施工方开展了近60项课题研究和科技攻关，填补了地下工程建设相关领域的空白，极大地提升了中国水下超大直径盾构隧道的建造水平，也正因此，几乎是原班人马负责的地铁10号线过江盾构隧道提前贯通，保证了地铁10号线2014年青奥前建成通车。
目前南京地铁3号线、10号线和纬三路过江通道正在建设中。到2030年，南京过江通道数量将达到21个。根据《江苏城镇体系规划(2012—2030)》，除已通车和在建项目，南京还将规划建设梅子洲过江通道、上元门过江通道、龙潭—仪征通道、七乡河过江通道、地铁4号线等多个过江通道。
过江隧道、过江地铁的开通，将构建更为通畅的过江体系。南京长江隧道日均通行量从通车初期的8 000辆/日增长至目前接近5万辆/日，约占全市日均过江交通流量的20%。随着南京地铁过江线的开通，南京江南、江北将实现更为通畅的过江交通。不过随着恶劣气候环境的增多，新建的过江通道或将首选隧道。
(摘自 隧道网 http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=0ac88294-a130- 45d3-a54d-115017fb70e2&CtgId=1a93c989-65b4-43ea-8970-a55d46132a5b 2013-12-06)
AnalysisonandCountermeasuresforUnbalancedForcesonCutterheadofLarge-diameterShield
HAN Weifeng1,2,ZHOU Jianjun1,2，LI Fengyuan1,2
(1.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China; 2.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)
In heterogeneous ground,the cutterhead of large-diameter shield is subject to unbalanced force.In the paper,the unbalanced force on the cutterhead of large-diameter shield in heterogeneous ground is analyzed and the optimized design of the cutterhead of large-diameter shield is proposed.Ancillary supporting wheels are added to the cutterhead to transfer the cutterhead under cantilever state to that under simple support state.Comparison and contrast is made between the cutterhead before optimization and that after optimization by means of finite element analysis,which proves that the force conditions of cutterhead with supporting wheels added have been greatly improved.
shield; cutterhead; unbalanced force; supporting wheel; finite element analysis
2013-05-10;
2013-06-19
国家国际科技合作专项资助(2011DFB71550)；中铁隧道集团科技创新计划(隧研合2012-17)
韩伟锋(1985—)，男，河南许昌人，2008年毕业于河南科技大学，机械设计制造及自动化专业，本科，助理工程师，现从事盾构及掘进技术研究工作。
10.3973/j.issn.1672-741X.2014.01.013
U 455.3+1
A
1672-741X(2014)01-0078-05
