基于ABAQUS的盾构切刀群模拟切削研究

蔡 宝， 石坤举， 朱文华

(上海第二工业大学工程训练中心， 上海 201209)

基于ABAQUS的盾构切刀群模拟切削研究

蔡 宝， 石坤举， 朱文华

(上海第二工业大学工程训练中心， 上海 201209)

为了解决复合式土压平衡盾构(earth pressure balance)在实际施工时常出现刀盘结饼、刀箱堵塞等工程问题，从刀群切削效果角度研究刀盘刀具布置的合理性，采用切刀群和滚刀群的动态切削模拟方法，提出土体质量变化和刀盘受载的评价指标，得到以下结论： 软土地质下切刀群存在内偏角时的切削效果明显好于无内偏角的情况； 掘进地层地质较软时宜采用小切刀切削重叠量，地质较硬时宜采用大切刀切削重叠量。刀群布置的研究过程为实际工程问题的解决提供了方法，数值仿真结果为复合式土压平衡盾构刀盘刀群的组合设计提供了参考。

多地质条件； 复合式土压平衡盾构； 刀盘； 刀具布置； 动态切削模拟； 切刀群

0 引言

复合式土压平衡盾构简称EPB，常应用于水利水电、矿山开采、交通、市政、国防等工程建设中，是集机械、电气、液压和测控等于一体的专门用于地下隧道工程开挖的高科技智能化施工装备[1]。

复合式盾构刀盘处于整个盾构的最前端，主要承担切削前方岩土的作用，刀盘上通常布置有滚刀、切刀等不同类型的刀具。复合式刀盘在掘进时由于前方地质条件多变，刀盘常出现大面积结饼或者刀箱堵塞问题，对刀盘寿命影响较大，因而如何设计出合理的刀群布置方案，使其适应多种地质条件，在安全掘进的同时增加刀盘刀具寿命是近年来盾构刀盘研究的关键[2-5]。

目前，国内学者对EPB刀盘掘进性能开展研究较多。霍军周等[6]从刀盘开口模式的角度展开，运用计算流体力学的方法，研究了不同刀盘开口方式对碴土流动性的影响。虞诗强等[7]针对EPB盾构刀盘的开口模式与盘体结构设计之间相互影响、耦合的特点，研究盾构刀盘开口率对刀盘挖掘过程的影响规律。夏毅敏等[8]提出了盾构刀盘滚刀布置基本原则，采用遗传算法求解得到滚刀布置参数。管会生等[9]估算了盾构刀盘的切削转矩，对滚刀和切刀切削产生的地层抗力转矩进行了计算公式的推导。闫玉茹等[10]针对北京地铁4号线14标使用的刀盘布刀方式提出减少刀具磨损的优化布置措施。

已有文献鲜有对大规模刀群的切削效果进行研究，针对地质条件也较为单一。本文拟对大规模切刀群的切削效果进行对比，并试图建立多种地质条件，利用数值计算的方法研究多地质条件下刀群布置的合理性。

1 总体研究思路

归纳刀具布置过程中的关键参数，尤其针对复合式盾构刀盘复杂多变的掘进地质条件，建立地质条件与刀具布置关键参数之间的关系。具体研究的刀具布置关键参数如下：

1)切削重叠量。相邻切刀的切削重叠量是切刀布置的关键参数，合理的重叠量能有效提高切削效率。

2)装配内偏角。刀盘上不同位置的切刀可设计为不同的内偏角。

3)布刀方式。不同形式刀盘结构的切刀群布置方式也不同，比较不同刀具布置方式对切削效果的影响。

本文研究技术路线见图1。

图1 研究技术路线

基于此研究技术路线，以切刀群为研究对象，建立黏土、砂土和复合工况多地质条件，采用ABAQUS数值模拟软件作为仿真平台，分析刀盘布置的3个关键参数，建立动态切削效果评价指标(刀盘受载和岩土质量变化)，得到多地质工况下刀盘布置关键参数优选结果，从而为实际刀盘的刀具布置设计提供依据。

2 切刀群布置设计

2.1切削重叠量

针对3种常见的切刀切削重叠量5、15、25 mm，分别对3种地质工况展开研究，通过ABAQUS动态模拟得到3种刀群下岩土的切削全过程并对其进行数据处理和分析。

2.1.1 地质条件本构模型

本文采用扩展的Drucker-Prager塑性本构模型作为土体的本构模型，利用对称罚函数接触算法模拟切刀与土壤的相互耦合作用，应用包含单元删除功能的剪切失效准则来避免土壤单元网格扭曲和畸变问题，选择求解复杂非线性问题的ABAQUS/Explicit显示算法来实现盾构刀盘上切刀切削过程的仿真模拟[11]。

2.1.2 地质条件建立

工程上常见的地质类型包括黏土、砂土和复合岩土地质，本文建立的地质条件为黏土地质、砂土地质和上层为砂土、下层为中分化闪长岩的复合地质。查阅相关文献[12-15]的地质参数统计见表1。

表1 岩土物理力学参数

本文所有对比研究均由黏土、砂土和复合岩土3种地质组成，其中黏土工况和砂土工况统称为软土工况，复合岩土工况为上软下硬、上层砂土下层闪长岩地质。这3种工况代表了掘进前方地层的主要地质条件，使该研究更具一般性。

2.1.3 分析步、接触、载荷添加设置以及网格划分

为了保证分析过程的准确性，ABAQUS中参数设置time scaling factor为0.1，mass scaling factor为10 000，target time increment为0.005，后处理中输出60 s的计算结果，设置刀盘旋转速度为1 r/min，掘进速度为30 mm/r。

设置土体表面网格精度为0.5 mm，采用三维线性减缩积分六面体(hex)单元，岩土模型采用单方向网格加密法，刀群设置为刚体，刀盘网格数保持在10万个，土体网格数保持在100万个。

2.1.4 刀群布置模型

为了保证相邻顺次切削的切刀切削重叠量相同，切刀布置方程为：

ρn+1=ρn+D-h。

(1)

式中：ρn表示第n把刀具的安装半径，在4辐条4辐板刀盘上切刀安装在辐条边且呈对称布置，因而安装角度只有0°、90°、180°、270°；D为切刀厚度；h为切刀切削重叠量，分别设置为5、15、25 mm，得到3种不同切削重叠量的切刀群布置方式。

刀盘切刀装配示意如图2所示。

图2 刀群布置示意

2.1.5 3种地质工况下土体表面应力分布云图

图3为切刀切削重叠量为5 mm时3种地质工况下土体模型的应力分布云图。由于黏土土质较为疏松，其表面应力值较小，数量级为0.01 MPa，如图 3(a)所示；砂土表面应力值数量级为0.1 MPa，如图3(b)所示；复合地层中由于闪长岩硬度较大，所以应力分布呈现明显的不同，岩石表面应力值数量级为100 MPa，如图3(c)所示。由于刀盘均未设置中心刀具，从应力云图中可以清晰地看到岩土模型中心均未受到切削作用。

2.1.6 3种地质工况下土体质量下降对比

图4示出3种地质工况下岩土模型的质量变化曲线，可以清晰地对比出不同切削重叠量的刀盘刀群的切削效果，为了更加有效地反映土体质量变化，计算出切削时间内刀群的切削率P(%)。岩土模型质量变化统计见表2。

(a)黏土地质(b)砂土地质(c)复合地质

图3 3种地质工况的地质应力云图(单位： MPa)

图4 3种地质工况下岩土质量随时间变化曲线(不同切刀切削重叠量)

由图4和表2可得到以下结论：

1)在不同地质工况下， 3种不同的切削重叠量在60 s内切削的土体质量均大于刀盘掘进的理论切削值，说明刀具能够完全清除掌子面渣土。

2)对于同一切削重叠量，切刀的切削能力趋于相同，重叠量为5 mm的刀盘在砂土地质中切削效果最好，如图4(a)所示；重叠量为15 mm和25 mm的刀盘在复合地质中的切削效果更好，如图4(b)和4(c)所示。

2.1.7 复合地质工况下刀盘受到的作用力、作用力矩对比

在黏土和砂土地质工况下，刀盘受到的载荷偏小，分析刀盘受载规律意义较小，重点分析不同切刀切削重叠量刀盘在复合地质中存在岩石地层的受载情况，如图5所示。

为了更加直接地比较3种不同切削重叠量刀盘在复合地质下的受载情况，将刀盘受到的3个方向的力Fx、Fy、Fz(其中Fy为刀盘轴向受到的反推力，Fx和Fz为平行于刀盘表面的相互垂直的一对作用力)及其产生的力矩(Mx、My、Mz)进行数据统计，如表3和表4所示。

(a)∑Fx(b)∑Fy(c)∑Fz(d)∑Mx(e)∑My(f)∑Mz

图5 复合地质工况下不同切刀切削重叠量刀盘受载情况

表4 不同切刀切削重叠量刀盘所受力矩统计分析

结合图5(a)、5(b)、5(c)和表3，复合地质中由于有岩石地层的存在， 3个方向的作用力数量级为106N；结合图5(d)、5(e)、5(f)和表4，重叠量为25 mm的切刀群受到的转矩波动均小于重叠量为5 mm和15 mm的切刀群转矩，从刀盘受到的作用力和作用力矩角度考虑，在地质条件较为复杂、尤其存在较硬岩石的复合地层中适当增加切刀群的切削重叠量，不仅能有效减小刀盘受载而且能降低刀盘受载的波动。

2.2切刀装配内偏角

2.2.1 切刀群布置方案

在模拟的刀盘上共布置不同极径的切刀26把，刀具布置方程与前述相同，但刀盘上每把切刀根据所处位置均设置一定的内偏角，具体布置方案如图6所示。

(a) 无内偏角

(b) 有内偏角

2.2.2 3种地质工况下土体质量下降对比

在相同的切刀群布置方式下， 3种典型工况下岩土模型质量变化曲线如图7所示。可以看出，有切刀内偏角的刀群切削下来的土体质量均高于无内偏角的刀群，有内偏角的刀群切削效果好于无内偏角的刀群。

(a) 黏土地质

(b) 砂土地质

(c) 复合地质

图7 3种地质工况下岩土质量随时间变化曲线(切刀有、无内偏角)
Fig. 7 Curves of rock and soil quality varying over time under three different geological conditions(with and without inner angle)

2.3切刀布置方式

2.3.1 切刀群对比模型建立

比较2类刀盘结构下切刀群的切削效果，刀具布置角度因辐条变化而变化，6辐条刀盘布置方程与4辐条刀盘原则上相同(见式1)，刀具布置角度θ分别为0°、60°、120°、180°、240°和300°，刀盘结构示意如图8所示。

(a)4辐条(b)6辐条

图8刀盘结构示意
Fig. 8 Two kinds of cutterhead structure

2.3.2 3种地质工况下土体质量下降对比

3种地质工况下岩土质量下降随时间变化曲线如图9所示， 2种不同形式的刀盘在3种地质条件下土体质量变化区域相同，并无明显质量差异。

(a)黏土地质(b)砂土地质(c)复合地质

图9 3种地质工况下岩土质量随时间变化曲线(不同刀盘结构形式)
Fig. 9 Curves of rock and soil quality varying over time under three different geological conditions(different cutterhead structures)

2.3.3 3种地质工况下刀盘受到的力和力矩对比

3种地质工况下刀盘受到的合力、合力矩随时间变化曲线如图10所示。

1)根据图10(a)、10(d)，在黏土地层中，2类刀盘所受的合力、合力矩数值较小且变化规律趋于相同；根据图10(b)、10(e)，在砂土地层中，6辐条6辐板刀盘合力明显大于4辐条4辐板刀盘，合力矩变化趋于相同。

(a)黏土地质(b)砂土地质(c)复合地质(d)黏土地质(e)砂土地质(f)复合地质

图10 3种地质工况下刀盘受到的合力、合力矩随时间变化曲线
Fig. 10 Curves of resultant force and bending moment varying over time of cutterhead under three different geological conditions

2)根据图10(c)、10(f)，复合地层中6辐条6辐板刀盘无论是合力、合力矩数值相比于4辐条4辐板刀盘都高出1个数量级，且数值波动较大，所以在较硬的地层中宜选用4辐条4辐板刀盘，能够保证刀盘掘进更为平稳。

3 结论与建议

本文对刀具布置的关键参数进行了研究，模拟了3种地质工况下刀群的切削过程，结论如下：

1)以土体质量变化和刀盘受载为掘进评价指标，软土地层的切刀切削重叠量应较小，地层较硬时切刀切削重叠量应较大。

2)有切刀装配内偏角的刀盘的切削效果好于无内偏角的刀盘，在软土地层中效果最为明显。

3)在砂土地层或复合地层中，6辐条6辐板刀盘的切削效果好于4辐条4辐板刀盘，4辐条4辐板刀盘所受载荷比6辐条6辐板刀盘大且波动更为明显。

4)动态切削模拟结果与实际工程数据尚有一定偏差，实际施工时通常添加膨润土、泡沫、泥浆等进行土体改良，所以仿真结果与实际还存在差距，后续研究将考虑土体改良因素，使仿真结果与实际相对应。

5)研究刀盘刀群动态切削过程时，采用搭建试验台或在掘进现场采集数据的方式较为困难。采用数值仿真方法时，下一步的研究工作是将模拟结果与实际工程数据进行比较，为工程掘进提供参考。

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StudyofCuttingSimulationofShieldCutterGroupBasedonABAQUS

CAI Bao， SHI Kunju， ZHU Wenhua

(EngineeringTrainingCenter,ShanghaiPolytechnicUniversity,Shanghai201209,China)

Blockings usually occur to cutterhead and cutter box during tunneling of composite earth pressure balance (EPB) shield. As a result, the rationalities of cutterhead and cutter arrangement are studied in terms of cutting effect; the dynamic cutting simulation method of cutter group and disc cutter group is adopted; the evaluation indices for soil mass variation and cutterhead loading are put forward. The simulation results show that: 1) In soft soil stratum, the cutting effect of the cutter group with inner angle is obviously better than that without inner angle. 2) The small cutter overlap should be adopted when tunneling in soft stratum; and large cutter overlap should be adopted when tunneling in hard stratum. The study of cutter group layout can provide a method to solve practical engineering problems and the finite element simulation results can provide reference for the design of cutterhead and cutter group of EPB shield.

multiple geological conditions; composite earth pressure balance (EPB) shield; cutterhead; cutter layout; dynamic cutting simulation; cutter group

2017-04-10;

2017-07-29

上海第二工业大学科技发展基金项目(A01GY17EX50)； 上海第二工业大学重点学科建设资助(A20NH1609B20-13)

蔡宝(1989—)，男，江苏南通人，2015年毕业于大连理工大学，机械制造及其自动化专业，硕士，助理工程师，现从事机械设计和计算机图形学方面的研究工作。E-mail： caibao@sspu.edu.cn。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.10.019

U 455.3

A

1672-741X(2017)10-1334-07