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摘要：本文通过分析盾构机刀盘的结构、受力，采用三维建模，有限元分析等方法对盾构机刀盘在“上软下硬”地层条件下的刀盘受力情况进行了全面的分析研究，为后期的盾构机刀盘设计提供理论依据。
关键词：上软下硬；刀盘设计
一、前言
盾构机在施工中会遇到各种不同的地层，从淤泥、粘土、砂层到软岩及硬岩等。挖掘断面也会随埋深变化，主要分为全断面软土、全断面岩石以及软土与岩石交界地层三类，其中前两类最为常见，技术相对成熟，因地层结构单一，盾构适应性处理起来也相对简单；第三类实际工程中相对较少——通常表现为上软下硬，因地层结构复杂，需对盾构——尤其是刀盘，与该地层适应性做相应分析。
本文只针对960kW主驱动功率的φ6260刀盘结构对上软下硬地层做适应性分析。
二、刀盘力学分析
盾构机在掘进过程中刀盘的推力和扭矩由盾构机前的液压油缸和驱动刀盘旋转的变频电机提供，通过专业的驱动系统将力逐级传递到刀盘。
三、刀盘工况分析
刀盘在经过上软下硬地层条件下时，下方硬质地层产生的阻力较大，刀盘会随推进过程逐渐穿过该软硬混合地层，将对该种地层条件分3种情况进行分析：刀盘下方1/2为硬质地层，阻力较大；下方1/3为硬质地层，阻力较大以及下方1/5为硬质地层，阻力较大。下节分别对其分析和描述。
3.1下方1/2所受阻力较大工况
在第2节-刀盘力学分析已知，刀盘所受岩土反力F随地质条件变化，刀盘下方1/2地层为硬质地层，岩土阻力较大，根据多个项目相类似地质条件使用情况，现拟给予下方1/2刀盘面施加岩土推力为1.2×107kN，刀盘扭矩2.7×106KN.m。
3.2下方1/3所受阻力较大工况
当盾构经过刀盘面板下方1/3地层为硬质地层阶段，拟给予该部分岩土反力F=1.2×107kN，刀盘扭矩2.7×106KN.m。
3.3下方1/5所受阻力较大工况
当盾构经过刀盘面板下方1/5地层为硬质地层阶段，拟给予该部分岩土反力F=1.2×107kN，刀盘扭矩2.7×106KN.m。
四、盾构刀盘有限元分析
采用ANSYS软件进行静力分析，对第3节所述三种工况进行了详细地分析。
4.1建立模型
删除不影响结构强度的螺栓孔、泡沫注入口、开口槽等。
删除所有刀具及其刀座。
删除结构中的加强筋。
去除结构中的尖点。
4.2定义模型材料
选择模型材料为低合金高强度结构钢。
1） 密度为ρ=7.85×103 kg/m³；
2）泊松比ν=0.3；
3） 弹性模量为E=2×1011 Pa。
4.3划分网格
采用Brick8node45号单元自由划分网格，精度取为6，本模型共有72655个单元，138177个节点。
4.4施加载荷
4.4.1工况一：下方1/2所受阻力较大工况
此时主要受力有：自身重力G=53吨，岩土对刀盘的阻力F以及反扭矩T。由多个项目施工情况及经验，给予刀盘下方1/2面积推力F=1.2×107 N，上方1/2面积推力5×106 N和扭矩T=2.7×106Nm。
4.4.2工况二：下方1/3所受阻力较大工况
该工况与工况一受力情况相似，此时刀盘所受力有：
1）自身重力，取g=10m/s²，加载于Y方向。
2）盾构推力，下方1/3刀盘面板推力为F=1.2×107 N，其余上方面板推力F=5×106 N。
3）驱动扭矩，T=2.7×106Nm。
4.4.3工况三：下方1/5所受阻力较大工况
该工况与前面工况相比，下方阻力较大且面积较小，上方由于地质及土压，受力也将不同，此时将整个刀盘分为受力不均的3个部分，此时受力有：
1）自身重力，取g=10m/s²，加载于Y方向。
2）岩土阻力，最下方1/5阻力较大，拟岩土阻力F=1.2×107 N，中间部分岩土阻力F1=7×106 N，上部F2=5×106 N。
3）驱动扭矩，此时的扭矩仍为T=2.7×106Nm。
4.5各种工况及其计算结果分析，如表1
表1计算结果表
五、结论
通过上述几种工况的分析，可以看出：
1)在刀盘面板上，中心部位受力较其他部位较大，因此在施工中，受到的破坏可能性更大，在刀盘制造中，应该特别注意，应该在中心部位多加加强板和耐磨层，提高刀盘的使用寿命。在使用过程中应随时关注推进参数，不能长时间大扭矩和大推力掘进。
2)在刀盘扭腿连接面的地方都会出现很大的应力，容易发生应力集中，在焊接时应保证焊接质量。
3)上软下硬地层条件下施工，由于下方受岩土阻力大而上方阻力小，应力及位移会随刀盘转动而呈现周期变化，对材料抗疲劳强度要求较高，所以宜增加泡沫、膨润土等添加剂以改良土体，避免上下推力差距过大。
4)由上面分析数据可以看出，该刀盘强度、刚度均能满足在上软下硬地层条件中施工。
参考文献:
[1]刘义，李济顺，陈定国，薛玉君.盾构刀盘的有限元仿真分析研究[J].矿山机械，2008.17期.
[2]韩伟峰，李凤远，周建军.盾构刀盘有限元分析优化研究[J].工程机械，2014. 03期.
[3]仝哲.盾构刀盘的受力分析及结构优化[D].郑州大学，2012.
通讯作者：潘志，男（汉），工学学士
基金项目：国防科工局军工技术推广
论文作者:潘志,常明,何伟健,赵永新
论文发表刊物:《防护工程》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/15
标签：地层论文; 盾构论文; 工况论文; 阻力论文; 岩土论文; 扭矩论文; 较大论文; 《防护工程》2018年第20期论文;