中铁工程装备集团有限公司设计研究总院 郑州 450016
摘要：本文结合汕头苏埃海湾隧道地质情况，对用于该地层的常压换刀刀盘进行了针对性设计，并对刀盘结构进行了有限元分析，刀盘结构设计满足工程使用要求，为常压刀盘结构设计进一步优化提供参考依据。
关键词：常压刀盘；结构设计；常压换刀；有限元分析
前言
随着我国区域经济发展速度越来越快，交通运输对跨区域经济发展的作用更加凸现。经济社会的快速发展要求城市之间、地域之间建设更多的跨江、跨海隧道工程，来增加区域联合的紧密程度，如南京长江隧道、渤海海底隧道等工程都是跨区域经济发展的急迫要求。目前大埋深、高水压、长距离及复杂地质的地下隧道工程正在陆续开展，对隧道施工装备的需求量巨大[1]。大型长距离跨海隧道装备必须能适应高水压、复杂地质环境的考验，具备较高的施工效率和高可靠性。
刀盘是盾构机的关键部件之一，具有开挖地层、稳定掌子面、搅拌渣土等功能[2]，在使用过程中会遇到各种不同地层，从淤泥、黏土、砂层到软岩及硬岩等，良好的刀盘结构设计是盾构能否顺利施工的关键因素[3]。
1 汕头苏埃海湾地质概况
本工程为汕头市重要的过海通道，位于已建海湾大桥和礐石大桥之间，起点位于龙湖区天山南路与金砂东路交叉口，终点位于虎头山山脚。线路全长6.68km，分东线和西线两条隧道，盾构段东西线线间距23.3m~29.7m。其中西线隧道长度3047.5米。隧道从围堰始发井始发，全线基本在海面下进行掘进，如图1所示，隧道穿越地层主要有淤泥、淤泥质土、淤泥混沙、中粗砂以及三段基岩凸起，始发段局部有孤石，三段基岩凸起中风化花岗岩95.27MPa，微风化花岗岩136.04MPa，局部210MPa，最大水土压力合算近5公斤。
图1 地层纵剖面图
2 盾构刀盘设计重难点分析
刀盘作为盾构的关键部件，起着开挖隧道、输送渣土、保持掌子面稳定的作用，针对汕头苏埃海湾隧道，盾构刀盘设计主要面临以下几个方面的难点：
2.1 进仓更换刀盘刀具困难
隧道穿越的大部分地段的淤泥地层流塑软塑，侧压力系数大，虽然净水头压力小于4bar，但水土压力总和接近5bar，带压换刀作业需要配置氦氧混合气体（非常规氮氧气体）及采用饱和法进仓，设备配置和进仓作业工序复杂。由于土体没有强度，采用止水减压法作业时极易造成坍塌。因此本标段隧道工程的埋深和地层性质对常规带压进仓法换刀作业不利。
2.2 刀盘结泥饼问题
中粗沙和淤泥混沙流塑性较差，刀盘在此段掘进时，刀盘上的进渣通道容易产生泥饼，刀盘结泥饼后，刀盘周边的渣土流动性降低、刀具切削效率下降，影响刀盘的掘进效率和刀盘刀具的使用寿命，严重影响施工进度。
2.3隧道穿越地质复杂
整个隧道有三段基岩凸起造成的上软下硬地层，刀盘掘进时，刀具极易损坏，刀盘推进速度慢，对地层扰动大，下硬层对刀盘破岩能力要求高，由于刀具受到硬岩的冲击，可能会产生较多的刀具异常损坏。
3 刀盘针对性设计
区间隧道主要穿越淤泥、淤泥质土、淤泥混沙、中粗砂以及三段基岩凸起，隧道管片外径14.5m，适用于泥水平衡盾构掘进，刀盘选型设计需考虑以下因素：
3.1 刀盘类型选型及刀具设计
由于本项目地质情况复杂，最大水土压力合算近5公斤，盾构开挖直径达15m，上软下硬凸起段及遇到孤石时，刀具可能大量异常损坏，高压换刀难度大、风险大和效率低，另外超大直径刀盘刀具数量多、换刀多、难度大等，为了换刀的安全性和便捷性，本项目运用常压换刀技术进行滚刀和切刀的更换。
刀盘正面滚刀刀间距以100mm为主，辅助布置90mm，正面和边缘采用19寸单刃滚刀，中心12把滚刀刀间距120mm，采用17寸单刃滚刀，所有滚刀均可常压下更换为撕裂刀，滚刀刀高设计为225mm，利于滚刀破岩和撕裂刀工作；常压切刀在刀盘开口区域为全轨迹覆盖，切刀刀宽210mm，刀高为185mm，保证切刀能有效刮除渣土，也有利于刀盘面板渣土流动，滚刀轨迹如图2所示，刀盘一共设计有77个滚刀轨迹，最外轨迹布置两把滚刀，刀盘共布置滚刀78把。
图2 常压可更换滚刀轨迹图
3.2刀盘结构设计
本项目刀盘设计为常压换刀刀盘，整体方案如图3所示，刀盘开口率28%，刀盘采用6主梁+6辅梁的结构形式，主梁上主要布置常压换滚刀和切刀装置，辅梁上布置常规刮刀，为了便于常压换刀，刀盘主梁采用箱体式结构设计，如图4所示，便于换刀人员在常压下进入刀梁进行换刀操作，考虑到主刀梁在工作时，不但受到刀盘破岩时的工作载荷，还受到水土的挤压力，因此刀盘制作材料选用压力容器用Q345R钢材，刀盘大圆环厚度设计为200mm。
本项目具有开挖直径大、掘进距离长的特点，刀盘掘进过程中除了刀具磨损消耗较大外，刀盘结构本身耐磨保护也需要重点考虑，因此，刀盘正面面板焊接12.5+12.5mm耐磨复合钢板，增加刀盘正面板的抗耐磨性，刀盘大圆环焊接两整环160mm宽、高度60mm的耐磨合金块，除刀盘大圆环、正面外，刀盘前后弧形区域及刀盘背面外侧均设置有耐磨保护措施。根据发段存在孤石的情况，通过在刀盘开口处焊接格栅，使通过的孤石粒径与泥浆管路允许输送粒径相匹配。
图3 常压刀盘方案图
图4 主梁箱体式结构设计示意图
3.3刀盘中心防泥饼设计
常压刀盘中心无开口区域直径可达4.2m，中心渣土流动性较差，增加了泥饼形成的概率，为解决刀盘中心区域大面积无开口导致的渣土滞留问题，刀盘中心面板区域设计有多路冲刷喷口，喷口方向为刀盘径向方向，既不会对掌子面泥膜造成损坏，又能有效的解决渣土滞留问题，减小刀盘中心面板泥饼的形成概率。同时，为防止由于刀盘开口不畅引起的刀盘泥饼，刀盘设计有相应的刀盘开口冲刷，可有效的防止开口堵塞，降低刀盘泥饼形成概率，中心面板横向冲刷布置如图5所示。
图5 刀盘中心区域冲刷设计示意图
4 常压刀盘结构的有限元分析
刀盘在开挖土体的过程中处于复杂的应力状态，刀盘主要受力因素分析如下：刀具切削岩土层的切削力，刀盘圆周切向摩擦和压力，主刀梁受到周边水压的挤压力，刀盘牛腿支撑着刀盘，在刀盘面板和驱动系统之间传力；刀盘面板和刀梁承受轴向的岩土压力和刀盘圆周的摩擦力，承受刀具的受力。
在复杂的应力状态下，应避免应力集中，刀盘的结构设计应有足够的强度和刚度。针对前面的刀盘结构设计，本刀盘的钢结构材料选用Q345R，主刀梁前面板钢板厚度100mm，主刀梁其他位置板厚90mm。对前面设计出的刀盘整体结构进行受力分析，校核结构是否满足强度和刚度要求，如果不满足要求，则根据计算结果提出结构设计优化方案，使其满足强度和刚度要求。
分析过程通过有限元分析软件ANSYS对刀盘整体强度和刚度进行分析校核，分析的几何模型来自设计图纸，为了计算方便，在建模时对刀盘结构进行简化，忽略设计中的安装孔、等局部特征，刀盘结构的简化模型如图6所示，刀盘结构材料Q345R，弹性模量2.1×1011Pa，泊松比0.3，密度7.9×103Kg/m3，最大许用应力295 MPa。对简化后的刀盘整体模型进行有限元网格划分，划分后的有限元模型如图7所示，共划分42652个单元，86356个节点，刀盘受力分析分两种工况进行。
图6 刀盘简化模型 图7 刀盘有限元模型
4.1 正常掘进时的刀盘结构受力分析
a）刀盘边界条件施加
刀盘正常掘进时，主要受力来自于围岩对大圆环的阻力矩、刀具所受的轴向力和周围水土对刀盘主梁的挤压力，计算时对刀盘施加63630kNm扭矩，刀盘所受轴向推力按照每把滚刀受到31.5T径向力，经计算总推力为2457T，固定刀盘法兰端面的全部自由度，对刀盘施加10公斤水压力，刀盘边界条件如图8所示。
图8 计算边界条件确定
b）分析结果与评价
刀盘分析计算结果如图9、10所示，在图8计算边界条件在所示的刀盘边界条件下刀盘结构的最大等效应力为160MPa，刀盘绝大部分区域的等效应力小于80MPa，刀盘结构的最大综合位移为4.1mm。刀盘设计所用材料为Q345R，该材料的许用应力为295MPa，因此该刀盘的结构设计满足强度要求。
图9 刀盘应力分布云 图10 刀盘变形分布云图
4.2 偏载掘进时的刀盘结构受力分析
a）刀盘边界条件施加
刀盘掘进遇到上软下硬地层时，主要受力来自于围岩对大圆环的阻力矩和刀具所受的轴向力，计算时对刀盘施加63630kNm扭矩，刀盘所受轴向推力按照刀盘底部三分之一滚刀所受力的1.5倍安全系数计算，每把滚刀受到31.5T径向力，经计算总推力为1228.5T，固定刀盘法兰端面的全部自由度，对刀盘施加10公斤水压力，刀盘边界条件如图11所示。
图11 偏载时计算边界条件
b）分析结果与评价
刀盘分析计算结果如图12所示，在图11计算边界条件下分析刀盘结构的最大等效应力为162MPa，其余大部分区域小于80MPa，刀盘结构最大变形为6.1mm（如图13所示），位于正面刀筒附近，盾构切口处设计间隙50mm，因此完全满足使用要求，通过以上对刀盘的偏载分析得知，结构设计满足偏载工况下的要求。
图12 刀盘应力分布云图 图13 刀盘变形分布云图
4.3 综合评价
刀盘结构材料为Q345R，该材料的许用屈服应力为295 MPa，分析结果表明，苏埃汕头泥水盾构刀盘结构设计满足工程使用要求，并具有一定的安全系数。针对于局部应力较大，从有限元法角度考虑，在建立模型时没有考虑焊缝高度、过度圆角等实际加工制造因素，理论计算结果相对于实际具有更高的安全系数，针对于分析中存在的应力集中点，可以进一步从优化牛腿焊接角度和数量、加强局部位置结构强度等考虑，经优化设计后的刀盘结构实体照片如图14所示。
图14 苏埃汕头常压换刀刀盘实物照片
5 结束语
本文依据汕头苏埃海湾地质情况，结合成熟的常压换刀装置进行了常压刀盘的针对性设计，并对设计出的常压刀盘进行两种工况下的有限元受力分析，刀盘的结构设计、强度及刚度分析计算为刀盘的使用可靠性提供了参考依据。
随着对常压刀盘研究的逐渐深入，作者认为常压刀盘至少在以下两方面还需要进一步深入研究：
1、常压刀盘中心滚刀刀间距120mm，正面滚刀刀间距100mm，在遇到高强度岩层时，刀盘掘进效率会比较低，需要研究开发出一种小刀间距的常压换刀装置来满足施工需要；
2、常压刀盘中心无开口区域较大，直径可达4.2m，不利于刀盘中心渣土的流动出渣，容易在中心区域结泥饼，如果能缩小刀盘飞开口区域面积，对促进刀盘中心渣土流动会起到很好的作用。
参考文献
[1] 中国铁道总公司.隧道掘进机施工技术[M].北京：机械工业出版社，2005.
[2] 陈韵章，洪开荣.复合地层盾构设计概念[M].北京：人民交通出版社，2009.
[3] 李建斌.浅谈盾构刀盘的设计与应用[J].建筑机械化，2006（3）：31-35.
论文作者:张世伟,张家年,张琳
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第10期
论文发表时间:2018/8/23
标签：隧道论文; 盾构论文; 渣土论文; 所示论文; 如图论文; 刀具论文; 结构论文; 《建筑学研究前沿》2018年第10期论文;