砂卵石地层盾构刀盘有限元分析

关天民，刘春花，武力，鞠尔男，雷蕾

(1.大连交通大学 机械工程学院， 辽宁 大连 116028;2.大连东软信息学院 电子工程系，辽宁 大连 116023)

砂卵石地层盾构刀盘有限元分析

关天民1，刘春花1，武力1，鞠尔男2，雷蕾1

(1.大连交通大学 机械工程学院， 辽宁 大连 116028;2.大连东软信息学院 电子工程系，辽宁 大连 116023)

参照北京地铁某地段砂卵石地层盾构施工中使用的盾构机刀盘刀具结构，重建了刀盘刀具的三维实体模型；根据地层特性参数计算出了切刀、先行刀和周边刀的切削力以及地层对刀盘的压力和摩擦力，建立了盾构机刀盘的有限元计算模型；针对刀盘初始切削、掘进砂卵石地层和遇到大粒径卵石三种工况，分别分析刀盘刀具的受力特性，得出了应力应变分布规律，并结合工程实例提出刀盘结构的改进措施.

砂卵石地层；刀盘；刀具；有限元分析

0 引言

随着城市地铁工程的快速发展，盾构法修建隧道技术在我国得到了广泛的应用.盾构机刀盘是盾构掘进机的核心部件，其作用主要是开挖地层、稳定开挖面、搅拌碴土[1].砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，其基本特征是结构松散、无胶结、呈大小不等的颗粒状[2].砂卵石内摩擦比较大，土的摩擦阻力大，在砂卵石地层中施工对盾构刀盘的磨损程度是极其严重的.

李朝、龚艳霞等[3]依据刀盘的实际磨损情况进行分析，给出了提高盾构刀盘耐用性、减少刀盘磨损的工程措施；张明富、袁大军等[4]采用动态磨损监测装置盾构刀具进行磨损监测,为工程实际中减小刀具磨损及预测盾构在类似地层条件下的最长掘进距离等提供理论依据；夏毅敏、罗德志等[5]对某种刀盘切削岩石和土壤两种工况分别进行受力特性分析并得到两种工况下应力和应变分布规律，研究结果为盾构刀盘的结构设计提供基础数据；刘守法[6]设计了一种适合在复合地层下掘进的盾构机刀盘结构，并对该刀盘在实际工况下的受力情况进行有限元分析，验证了该刀盘的结构可靠性；陈馈、苏翠侠等[7]建立典型刀盘有限元模型建模系统，利用该系统实现了盾构刀盘自动建模和有限元分析,并进行了掘进过程的有限元仿真,得到了刀盘与掘进界面耦合作用下的动态强度、刚度,为刀盘的优化设计提供参考依据.

本文针对盾构机在砂卵石地层切削，参照砂卵石地层特性参数，对建立的盾构机刀盘模型进行了有限元分析，得出刀盘的应力应变分布规律，并根据分析结果提出其改善措施，为盾构机在砂卵石地层施工时的刀盘设计和施工提供理论依据.

1 盾构刀盘三维结构模型

该盾构机刀盘的直径为6 160 mm，由主辐条3根、辅助辐条3根和6块面板构成，每个辐条和面板都是中空的箱形结构；辐条和面板各互成60°分布，辐条间采用辅梁连接,辅梁同时起到连接面板的作用.刀盘上面配置有1把中心刀、98把切削刀、12把周边刮刀和40把先行撕裂刀，刀盘的开口率为39%.刀盘三维实体结构如图1所示.

图1 刀盘三维实体模型

2 盾构刀盘有限元模型

2.1 网格划分

按照上述盾构刀盘的尺寸结构，在Pro/E中建立刀盘的三维模型，然后导入HyperMesh中划分网格，由于刀盘结构比较复杂，特征较多，所以在用HyperMesh对刀盘划分网格时对模型进行了必要的简化，以提高网格划分精度和减少计算时间.例如：直接删除螺栓、小圆角、小倒角等几何特征；简化了刀具的具体形状和安装方式；不考虑刀盘焊接处材料特性的变化，焊接处的材料特性与相邻构件的材料性能相同[8- 9].盾构刀盘的材料为Q345，密度为7 850 kg/m3，弹性模量为210 GPa，泊松比为0.3，许用应力160 MPa.根据盾构刀盘的特点，对切刀、先行刀、周边刀、辐条、面板、辅梁等根据其结构大小采用不同单元尺寸(分别为15、20、20、50、50、30 mm)进行划分网格，该有限元模型共有298 706个单元，357 553个节点.

2.2 载荷施加

由于盾构在切削过程中，刀盘转速和推进速度都很小，因此采用静力分析模式进行分析，对法兰盘背面施加全约束.盾构刀盘在掘进时受到切削力和地层挤压力引起的摩擦力，针对不同工况，分别将上述载荷施加到盘面和刀具的相应部位.盾构刀盘的有限元计算模型如图2所示.

图2 刀盘有限元分析模型

(1)切削力

依据北京地铁4号线角门北路站-北京南站区间地层土工试验的参数及切刀设计尺寸[10]，计算切刀受力公式为：

(1)

式中：F′C为切刀所受的峰值切削力，N；σT为所切削岩石的抗拉强度，约为4.5MPa；d为切刀的切割深度，约为20mm；w为刀具宽度，为150mm；α为刀具的前角，为15°；经计算切刀所受峰值切削力约为42kN.

先行刀是分布在辐条中心，先于切削刀切削和松散土体，为切削刀创造良好的切削条件.周边刀布置在刀盘外圆前端面，专用于切削砂卵石.根据切削特点、分布及受力情况，将先行刀的受力大小在切削刀的基础上增加30%，周边刀的受力大小在切削刀的基础上增加50%，即分别为54.6kN和63kN.力分别加载在直接参与土体切削的刀具节点上，分别与刀具切削方向相反，切刀、先行刀和周边刀上受力单元节点分别为11个、21个和19个，每种刀具上节点所受力大小分别是3 818.182、2 600和3 315.789N.

(2)土体挤压力

盾构在切削过程中，同时也受到土层的压力，其受力公式为[11]：

(2)

式中：k0为土压力系数，砂卵石地层经验值为0.34～0.45，取0.4；γ为土重力密度，为25kN/m3；z为土层深度，取30m.

将上述数据代入公式，可得砂卵石地层土层压力为300kPa,再根据开口率可算出刀盘整个盘面的受力为5 451.075kN.

(3)摩擦力

地层摩擦力为:

(3)

式中：μ为土层与刀盘摩擦系数，砂卵石地层取值0.4；F是整个盘面的受力，为5 451.075kN；代入公式可得土层摩擦力为2 180.43kN.将摩擦力施加在整个盘面节点上，与刀盘盘面旋转方向相反.整个盘面共有节点15 040个，每个节点上施加的力为144.975N.

3 盾构刀盘的有限元分析结果

3.1 工况一：砂卵石地层开始切削

该工况下，切刀受力42kN，先行刀受力54.6kN，周边刀受力63kN.分别将这些力施加到各刀具的参与土体切削的单元节点上，得到这种工况下的应力应变云图，如图3所示.该工况下刀盘最大应力为140.244MPa,最大应变为0.284 742mm，出现在切刀上.

图3 盾构刀盘应力云图1

3.2 工况二：砂卵石地层切进土壤

该工况下各刀具除了受到工况一的力外，刀盘面还受到土层摩擦力，由上述可知，砂卵石土层摩擦力为2 180.43kN.将地层摩擦力加载在刀盘盘面上，其余力同工况一，得到此种工况下的应力应变云图，如图4所示.该工况下刀盘最大应力为148.262MPa，出现在辐条与刀盘体的连接处,同时切刀上、面板和辐条与辅梁的连接处以及牛腿与法兰盘的连接处也有较大的应力.最大应变为0.415 4mm，出现在周边刀上.

图4 盾构刀盘应力云图2

3.3 工况三：砂卵石地层遇到大粒径卵石或孤石

在砂卵石地层中，经常会遇到大粒径卵石或孤石，使切削比较困难.该工况下假设部分先行刀和周边刀遇到大粒径卵石或孤石，抗拉强度为16.1MPa，由式(1)可得切刀所受切削力约为150.3kN，进而可得先行刀受力为195.39kN，周边刀受力为225.45kN.将切削力加到几个先行刀和周边刀上，大小分别为195.39kN和225.45kN，其余刀具和盘面受力同工况二.得到此种工况下的应力和应变云图，如图5所示.该工况下刀盘的最大应力为270.653MPa，出现在遇到大粒径卵石的先行刀上，超过材料的许用应力，破坏较严重.另外，遇到大粒径卵石的周边刀上、辐条与刀盘体的连接处、切刀上以及面板和辐条与辅梁的连接处也有较大的应力.最大应变为0.591 075mm，出现在周边刀和刀盘外周.

图5 盾构刀盘应力云图3

3.4 分析结果

从有限元的分析结果可知，最大应力应变出现在各工作刀具上、辐条与刀盘体的连接处、面板和辐条与辅助梁的连接处以及牛腿与法兰盘的连接处.这些地方应力应变较大，容易发生损坏，这与北京地铁砂卵石地层施工实例较相符，图6为北京地铁砂卵石地层施工时刀盘刀具的磨损破坏情况,a为先行刀磨损破坏情况，b为切刀外侧不均匀磨损，c为刀盘外圈磨损破坏图.

图6 砂卵石地层刀盘刀具磨损破坏情况

针对这些情况应当采取适当措施来改善应力集中的现象，提高刀盘耐用性,如：①在刀盘面板堆焊格栅状特殊耐磨材料的工艺措施，适当地增加牛腿与法兰盘、辅梁以及辅梁与主辅条间的焊接强度,适当地增加刀盘边缘辐条和面板连接处的面板厚度;②在设计时使用耐磨及韧性好的矿用刀具材料，可沿刀具表面实施硬化堆焊，提高刀具自身的耐磨性.

4 结论

通过对盾构刀盘在砂卵石地层中的三种不同工况下的切削进行有限元分析，得出刀盘应力应变分布：砂卵石地层开始切削时最大应力出现在工作切刀上，最大应变为0.284 742mm，最大应力为140.244MPa；砂卵石地层切进土壤时最大应力出现在辐条与刀盘体的连接处，最大应力云图为148.262MPa，同时切刀上、面板和辐条与辅梁的连接处以及牛腿与法兰盘的连接处也有较大的应力，最大应变为0.415 4mm，出现在周边刀上；砂卵石地层遇到大粒径卵石或孤石最大应力出现在遇到大粒径卵石的先行刀上，最大应力为270.653MPa，另外，遇到大粒径卵石的周边刀上、辐条与刀盘体的连接处、切刀上以及面板和辐条与辅梁的连接处也有较大的应力，最大应变为0.591 075mm，出现在周边刀和刀盘外周. 排除有限元模型中的结构细部简化，最大应力位置与实际情况比较吻合，研究结果可为同类刀盘的结构设计和工程施工提供基础数据.

[1]夏毅敏,罗德志,欧阳涛.小型盾构刀盘有限元建模与分析[J]．制造业自动化，2010,32(2):15- 17,30．

[2] 陈馈，洪开荣，吴学松.盾构施工技术[M]．北京：人民交通出版社，2009．

[3] 李朝，龚艳霞，林森，等.北京砂卵石地层盾构机刀盘磨耗分析及工程措施[J]．建设机械技术与管理，2012(8)：95- 98．

[4]张明富，袁大军，黄清飞,等.砂卵石地层盾构刀具动态磨损分析[J]．岩石力学与工程学报,2008,27(2):397- 402．

[5]夏毅敏，罗德志，欧阳涛．小型盾构刀盘有限元建模与分析[J]．制造业自动化，2010(2):15- 17,30．

[6] 刘守法.新型盾构机刀盘设计与有限元分析[J]．机械设计与制造,2010(3)：59- 60．

[7] 陈馈,苏翠侠,王燕群.盾构刀盘的有限元参数化建模及其分析[J]．隧道建设,2011,31(1):37- 41．

[8]暨智勇.一种盾构刀盘的有限元分析[J]．机械设计与制造，2012,3(3):196- 198．

[9] 夏毅敏，周喜温，刘玉江，等.某型土压平衡盾构刀盘有限元分析[J]．郑州大学学报(工学版)，2009,30(3):70- 74．

[10] 乐贵平，贺少辉，罗富荣，等.北京地铁盾构隧道技术[M]．北京：人民交通出版社,2012．

[11] 陈禹臻，曹丽娟，李守巨，等.盾构机掘进过程中受力平衡分析[J]．工程建设，2010，42(5)：1- 5．

Finite Element Analysis of Shield Cutterhead in Sandy Cobble Stratum

GUAN Tianmin1,LIU Chunhua1,WU Li1,JU Ernan2,LEI Lei1

(1.School of Mechanical Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China;2.Department of Electronic Engineering,Dalian Neusoft Institute of Information,Dalian 116023,China)

A three-dimensional entity model of shield cutterhead and cutters is reconstructed by referring to the structure of shield cutterhead and cutters,which is used in a section of Beijing metro in Sandy Cobble Stratum.The extrusion force of the stratum to shield cutterhead,force of friction and cutting force of cutter bit,first tools and circumference cutting bit are computed based on the characteristic parameter of stratum,and the finite’element calculation model of shield cutterhead is established. According to the three conditions of the initial cutting of cutterhead,the cutting in Sandy Cobble Stratum and encountering big diameter cobbles,mechanical characteristics of shield cutterhead and cutters are analyzed respectively,so that the rule of stress-strain is educed.In addition,the improvement measures of the cutterhead structure are proposed for a practical project.

sandy cobble stratum;cutterhead;cutters;finite element analysis

1673- 9590(2015)01- 0043- 04

2013- 08- 26

国家自然科学基金资助项目(51105048)

关天民(1963-)，男，教授，博士，主要从事新型摆线轮传动的研究

E-mail:gtm@djtu.edu.cn.

A