數控機床

  
        摘　要：本文以南京緯三路過江通道（dào）項目工程為依（yī）托，在14.93m 泥（ní）水平衡盾構（gòu）機上設計了刀盤伸（shēn）縮機構及多切削模式刀盤以應對複雜地質條件，經實際（jì）工程應用證明該設（shè）計思（sī）路（lù）的正確（què）性，有效的解決了（le）盾（dùn）構機通過枯木區刀盤卡死及減少複合地層中長距離帶壓換刀掘進（jìn）次數的（de）難題。
 
       關鍵詞：泥水平衡 盾構機 刀盤伸縮 切削模式刀（dāo）盤
 
      除南京緯三路過江通道工（gōng）程外（wài），目前我（wǒ）國累計已（yǐ）完工的（de）管片外徑超過14m 的超大斷麵（miàn）隧道有南京緯（wěi）七路長江隧道（dào）[1]、上（shàng）海長江（jiāng）隧道[2]、杭州錢江隧道[3] 等7 條隧道，均為粘土、砂卵石（shí）等軟土地質，施工用盾構（gòu）機設備（bèi）均為進口品牌。而對於更為複雜的穿江隧道，如南京緯三路長江隧道，掘進過（guò）程中（zhōng）需要穿越粘土、砂卵石、岩石、淤泥、上（shàng）軟下硬等多達8 種以上複合地質，且存在漂木、拋石等不明障礙物，同時還需要麵對淺覆土（tǔ）層（0.5 倍盾構直徑）、高水壓（≥ 7.2ba r）、高石英含量（≥ 60%）、長距離不換刀（dāo）（穿江4km）等挑戰，國際上尚沒有一台成功應用於此類複雜地質的超大斷麵隧道掘進機。本文（wén）以南京緯三路過江通道工程為依托，總結了該超大直徑盾構機刀盤伸縮機構及刀盤結
構設（shè）計（jì）的經驗，為同（tóng）類隧道盾（dùn）構機的設計提（tí）供一定（dìng）的借鑒作用。
 
      1、 工程概況與地質條件
 
      南京市緯三（sān）路（lù）過江通道位於緯七路過江通道下遊5km、南京長江大橋上遊4.5km 處，連接南京主城（chéng）區與浦口（kǒu）新市區中心，是南京（jīng）市“以江為軸，跨（kuà）江發展，呼應上海，輻射周（zhōu）邊”的沿江開發戰略重點工程之一，有（yǒu）利（lì）於改善南京長江大橋交通飽和的現狀。該過江通道工程采用八（bā）車道“X”形隧（suì）道方案，從浦口到定淮門將有兩（liǎng）條隧道“X”形交叉過江，隧道設計為雙層雙向八車道。隧道在江中段采用（yòng）雙（shuāng）層盾構，左右線分離布置兩管，盾構隧道管片外徑為（wéi）14.5m，內設上下層雙（shuāng）向四車道，上層均為北岸至南岸方向，下層均為（wéi）南（nán）岸至北岸方向。隧道N 線（xiàn）( 北（běi）線) 盾構段長3537.8m，隧道S線（xiàn）( 南線（xiàn）) 盾（dùn）構段長4134.8m。
 
      本工程地質條件複雜，隧道斷麵多（duō）為複合地層（céng），岩性上下軟硬不均，差（chà）異較大，主要分為以（yǐ）下四種：①淤泥（ní）、粉質粘土、粉砂地層；②細砂、砂卵石、卵石、泥岩地層（céng）；③粉細砂、卵石、砂岩；④粉（fěn）細砂、粉質粘（zhān）土、粉細砂、砂卵石、卵石地層（céng）；具體如圖1 所示。其（qí）中砂岩為中風化（huà），最高單軸抗壓強度高達120MPa，石（shí）英含量高達（dá）60%。其中，上部砂卵石，下部砂岩層區（qū）間長約500m。沿線（xiàn）存在漂木、塊石（shí）拋填區等，極易產生湧砂、塌陷；施工水（shuǐ）壓最高達0.72MPa。
  
     
  
       2 、刀盤伸縮機構
 
       2.1 刀盤支承方式（shì）的（de）選擇
 
       刀盤支撐方式有圖2 所示的5 種支撐方式，本設計方案選用中間支承方式，中（zhōng）間支承方（fāng）式是指（zhǐ）通（tōng）過中間梁來支承刀盤外周（zhōu）側及內（nèi）周側的中間部分的結構，這（zhè）樣可以提高相對於作用（yòng）在刀盤的偏心負載所產生（shēng）的力矩的穩定性。同時，由（yóu）於使用了大口徑軸承，旋轉平穩，這樣土砂密封的可（kě）靠性也將提高。另外，由於旋（xuán）轉（zhuǎn）的刀盤和靜止的中心（xīn）隔板為相對運動，因此卷入土艙內的土砂也不易因粘附（fù）而使泥塊增大。

      2.2 刀盤伸縮機構
   
     盾構機在（zài）岩石地層中換刀時，由於刀具已經磨損，導致了刀頂（dǐng）端（duān）距離刀盤麵板（bǎn）的距離縮小，而更換的新刀（dāo）需要把刀（dāo）具安裝（zhuāng）到設計位置（zhì）方可固定，從而導致了更換新刀（dāo）的安裝空間不（bú）夠。傳（chuán）統的（de）辦法是采用鬆動推進油缸或者（zhě）人工去鑿岩石，而鬆動推進油缸的話在（zài）上軟下硬的地層有可能導致前方掌子麵坍塌，人工鑿石頭作（zuò）業效率極低，特別是對超（chāo）大直徑（jìng）盾構機在高水壓條件下，工程風險極大，因此針對（duì）本項目設計了刀盤伸縮機構，可（kě）有（yǒu）效的解決更換新刀的安裝空間問題，縮短了帶壓換刀作（zuò）業時間，提高人身安全。

                         圖2 刀盤支撐方（fāng）式圖
 
      另外，在地質勘查時，發（fā）現盾構穿越斷麵（miàn）存在著一（yī）百多（duō）米長區域的漂木，可能會纏繞在刀盤上，影響到刀（dāo）具的切削（xuē）。因此，設置功能（néng）還能有效的解決刀盤卡死的現象。
 
      對（duì）於超大（dà）型盾構機，刀盤通過牛（niú）腿（tuǐ）與主驅動連接，形成一個懸臂結構，由於刀盤和（hé）主驅動的總重量高達1100 噸，並且前盾在高埋深的（de）土水壓力及同步注漿壓力的聯合作用下，形成一定的變形量（liàng）作用在主驅動上，如圖3 所示，刀盤將會產生磕頭現象，刀盤在旋轉時將會做橢圓（yuán）運動，從而導致中心回轉接頭的破壞，刀盤上的（de）所有液壓設備將不能（néng）使用。為解決該難題，對前盾上刀盤（pán）驅動安裝基座進行優化設（shè）計，考慮設計一定的預（yù）變（biàn）形量，並通過在主驅動滑（huá）動軸承內測添加超薄墊片來調整間隙如圖4 所示，以抵消變形量，確（què）保刀（dāo）盤在工作時（shí）能與盾構中軸線保持垂直。
  
  

     
  
                        圖 3 刀盤伸縮機構受力示意圖
  

           
  
                        圖4 主驅（qū）動滑動（dòng）麵圖

      刀盤伸縮是通過在主驅動部後端設計24 組伸縮油缸和鎖緊油缸來實現（xiàn）伸縮功能的，當需使（shǐ）用刀盤伸縮裝置時，通過伸縮油缸把刀盤主驅動連同刀盤一起伸出或縮回，刀盤伸縮機構的工（gōng）作流程如5 所示，首先通過伸縮油缸把刀盤連同驅動部一起向前開挖推進20mm，對章子麵通過（guò）泥水或者氣壓（yā）維持掌子麵的穩定後，把（bǎ）刀盤向後縮回120mm，鎖（suǒ）緊油缸鎖緊放置刀盤鬆動，待作業完成後（hòu），解除鎖緊裝置，將（jiāng）主驅動連同刀盤一起向前推進120mm，鎖緊油缸回位鎖緊後，通（tōng）過（guò）伸縮油（yóu）缸把驅（qū）動（dòng）部連同刀盤一起向後拉回20mm 複位。
  

     
  
                             圖5 刀盤伸縮機構工作流程圖
 
      3 、刀盤設計（jì）
 
      3.1 刀具的選擇和布置
 
      設置常壓可更換式切削刀，除（chú）了滿足常壓更換切削刀的要求外，另外可以通過調整其高度來解決其在（zài）砂土地（dì）層和岩石地層不同刀具高低（dī）差的使用效果。即：盾構（gòu）機始發段為軟土地層，當盾（dùn）構機在軟土地（dì）層中施（shī）工時，調整可更換式切削刀的高度，使其與先行刀為一個高度，高出滾刀一定的高度，通過該種方式可以有效的防止滾（gǔn）刀在軟土地層中偏磨（mó），同（tóng）時也使先（xiān）行刀起到（dào）了鬆土和常壓可更換式切削（xuē）刀切削的（de）作用。當進入岩石地層時，此時，先行刀已經磨損，調整（zhěng）常壓可更換式切（qiē）削刀的高度，使滾刀起到了滾壓破岩、切（qiē）削刀刮岩屑的作用，如圖6 所示。
 
 

         圖6 不同地層條件下切削模式的選擇圖
 
 
     3.2 刀盤結構設計及不同刀具的布（bù）置（zhì）區域
 
     綜合以上要求，刀盤主輻條為十字交叉型結構，布置固定式滾刀和超挖滾刀；刀盤副（fù）輻條布置常壓可更換（huàn）式切削刀，可通過設置在主驅動（dòng）上的常壓艙經牛腿進入到刀盤常壓艙；在主輻條和副輻條（tiáo）之（zhī）間設置類似於叉子狀的輻條以布置備用可推出式滾刀和先行貝殼（ké）刀。具體刀具布置分區如圖7 所示，刀盤刀具布置及作用如圖8 所示：
  
  

     
  
          圖7 刀（dāo）盤結構基（jī）本組（zǔ）成及（jí）刀具布置分區圖
  
  

     
                             圖8 刀盤刀具配置及作（zuò）用圖
  

     
  
                                            圖9 FEM模型圖
   
 
      3.3 有限元模型的建立
 
      載荷（hé）條件考慮前麵載荷工（gōng）況（kuàng）、偏載荷工況、土質（zhì）工況、岩石條件固定刀具載荷工況、岩石條件可伸（shēn）縮刀具載荷工況這5 種工況。
 
      工況1、工況2 模（mó）型如圖（tú）9 所示：工（gōng）況3、工況4、工況5 模型如圖10 所示：
  
  

                              圖（tú）10 有限元模（mó）型圖
   
 
      3.4 材料參（cān）數的設計
 
      
  
      3.5 網格劃分
 
      采用默認的（de）網格劃分方式，設定刀（dāo）盤部分單元（yuán）尺寸為30mm，共劃分單（dān）元數3153537，節點數5546360。網格劃分模型如（rú）圖11 所（suǒ）示。
  
  

     
                              圖11 網格劃分圖（tú）
  

     
  
                             圖12 工況3載荷設置圖
  
  

      
                            圖13 工況4載荷設（shè）置圖
  
  

     
                                 圖14 工況（kuàng）5載荷設置圖
 
 
      3.6 載荷設置
 
      (1) 工況（kuàng）1 ：前麵（miàn）載荷工況。
      T：刀盤扭矩（jǔ）( 常用) 36,585 kN ；
      Fd ：滾刀載荷（常用（yòng）） 250 kN/ 把（bǎ）；
      F ：前麵負荷（Fc + Fe）= 0.305×Ft 42,538 kN。
 
      (2) 工況2 ：偏載荷工況。
      圖10 有限元模型圖
      P 垂直：垂直（zhí）壓強（qiáng） 0.6MPa ；
      P水（shuǐ）平：水平壓強（qiáng） 0.3MPa ；
      P 背麵：背麵壓強 0.18 MPa ；
      T：刀盤扭矩36,585 kNm ；
      T垂直（zhí）：垂直扭（niǔ）矩 4390.2kNm ；
      T水平：水哦扭矩 10975.5kNm ；
      T背麵（miàn）：背麵（miàn）扭矩 6585.3kNm 。
 
      3.7 約束設置
 
      (1) 工況1、工況（kuàng）2 約束條（tiáo）件：在刀盤中間（jiān）梁端部（bù）全方向固定( 圖（tú）15)。  
  

     
  
                   圖15 約束條（tiáo）件圖
   
 
      (2) 工況3 ～ 5 約束條件：刀盤背麵牛腿連接部分進（jìn）行固定約束( 圖16)。
  
  

      
                        圖16 約束條件圖
 
 
      3.8 不同工況下的解析結果
 
      工況1、工況2 用FEM 分析得到刀（dāo）盤（pán）強度計（jì）算的結果，工（gōng）況（kuàng）3、工況4、工況5 用ansys workbench 分析得到刀盤強度計算的結果，最（zuì）大應（yīng）力及最大變型如下所（suǒ）示。
 
      使用的材料是Q345B，屈服點為275N/mm2。以下（xià）是確（què）定的材料許（xǔ）用（yòng）應力。長期許用應力：屈服（fú）點/1.5 的情況（kuàng）下， 則為275/1.5=183N/mm2。短（duǎn）期許用（yòng）應力：長期許用應力增（zēng）加50%， 則（zé）為275N/mm2。隻考（kǎo）慮前麵負荷的工（gōng）況1 的許用應力（lì）即為長期（qī）許用應力，而考慮偏負重的工況（kuàng）2 的（de）許用應（yīng）力為短期許用應力。
 
     （1）前麵載荷工況。
 
     提（tí）取刀盤的等效應力雲（yún）圖、總應變圖，如圖17 和圖18 所示（應力200N/mm2 以上用紅色（sè）表示）。最大應力 σmax=160MPa，最大（dà）變形σmax=7.37mm。
 
     （2）偏載工況。
   
      提取刀盤的等效應力雲圖、總變形圖，如圖19 和圖20 所示（shì） ( 應力300N/mm2 以上用紅色表示（shì）)。最大（dà）應力σmax=240MPa，最大變形σmax=11.1mm。
  

     
  
                                   圖17 工況1 刀盤應力圖
  

     
  
                                 圖18 工況1 刀盤總變形（xíng）圖
  

     
  
                                   圖19 工況2刀盤（pán）應力圖
  

     
  
                                     圖20 工況2刀（dāo）盤變形圖
  

    
  
                              圖21 工況3 刀盤（pán）等效應（yīng）力雲圖
 
 
      （3）土質工（gōng）況。
 
      提取刀盤的等效應力雲圖、總（zǒng）變形圖，如圖21、圖22、圖23 和圖24 所示。最σmax=109MPa，最大變形σmax=1.44mm。
  

    
  
                                   圖22 局（jú）部最大等效（xiào）應力圖
  
  

     
                                     圖23 工況3 刀盤總變（biàn）形（xíng）圖
  

     
  
                                          圖24 刀盤局部（bù）變（biàn）形圖
 
 
      （4）岩石條件下固定（dìng）刀具。
 
      提取刀盤的（de）等效（xiào）應力雲圖、總變形圖，如圖25、圖26、圖27 和圖28 所（suǒ）示。最大應力σmax=191MPa，最大變形σmax=1.05mm。
 
     （5）岩石條件下可伸縮刀具。

      
                                  圖25 工況4刀盤等效應力雲圖
 

     
                                   圖26 工況4局部等效應力雲圖
     
     提取刀盤的等效應力雲（yún）圖（tú）、總變形圖，如圖29、圖30、圖（tú）31 和（hé）圖32 所示。最大應力σmax=118MPa，最大變形σmax=1.29mm 。

       
                                    圖27 工況4 刀盤總變形圖
  

     
                                      圖28 刀盤局部變形圖
  

     
                               圖29 工況5刀盤等效應力雲（yún）圖
  

     
                                 圖30 工況5局部等效應力雲圖
  

     
                                   圖31 工況5刀盤（pán）總（zǒng）變形圖
  

     
                                       圖（tú）32 刀盤局部變形圖
  

     
                   圖33 盾構機穿（chuān）越不同地層的排渣情況（kuàng）圖
  

     
                          圖34 盾（dùn）構機排出的拋石和鋼筋圖
  

     
               圖35 盾（dùn）構（gòu）穿越（yuè）漂木區域所排出的枯木圖
  

     
           圖36 完成掘進的盾（dùn）構機刀盤刀具情況（kuàng）圖
 
 
      各工況下，刀盤（pán）靜力分析的等效（xiào）應力及變形如表1 所示：從上述有限元分析可以看出：

     （a）最大等（děng）效應力分（fèn）布的地方是（shì）支撐筋與麵（miàn）板連接（jiē）的拐角處，由於存在尖角，故出現應力集中。且去刨除應力集中最大處，大部分（fèn）等效應力都在25MPa 左右。應力相對最（zuì）大值出現在先行刀麵板處。

     （b）刀盤的變形大小是由刀盤中心部位向邊緣漸變的，越靠近邊緣部位刀盤（pán）的變形越大，邊緣處則出現最大變形。這（zhè）是由於（yú）在中心部位有牛（niú）腿的支撐作用存在，刀盤受
到壓力與（yǔ）扭矩作用，而在邊緣處，刀盤則是彎扭組合變形，由於刀盤材（cái）料的抗彎抗壓強度不同，導致刀盤的變（biàn）形差異。
 
      （c）最大變形幾乎全部分布在整個刀（dāo）盤側麵上。同時在刀盤的中心部位的（de）變形也比較大，特別是（shì）工況4 下，中心滾刀刀座的地方出現了最大變形（xíng）。說明了牛（niú）腿的位置離
刀盤的邊緣稍微遠一些。
 
      4 、實際應用效果
 
     盾構機在4135m 的掘進過程中，順利（lì）穿越（yuè）了淤泥（ní）、粉細砂、粉（fěn）質粘土、粉細砂、砂卵（luǎn）石、卵（luǎn）石、泥岩、砂岩等多種地層，所排出的渣土如圖33 所示，並且在掘進過（guò）程中順利排出了直徑達400mm 的拋填石（shí）和鋼筋，如圖34 所示。
 
                                      表1 刀盤（pán）強度分析結果表
    
  
      盾構（gòu）機在283 環起多次遇到樹木， 推力從140000kN 上升到186375kN，扭矩從18500kN/m 上升（shēng）到23414kN/m，推（tuī）進速（sù）度從45mm/min下降（jiàng）至2~4mm/min。運用刀盤伸縮（suō）機（jī）構、泥水衝洗係（xì）統，順利解決刀盤被樹木卡住（zhù）情況，首次采用盾構機挖（wā）掘樹木區域達百米，改變了以往（wǎng）地麵（miàn）處理的方法，提高了工作效率，降低了施工風險（xiǎn）。所排出的枯木如（rú）圖35 所示。
 
     在整個施工（gōng）過程中達到了最大日掘進13 環、拚裝12 環及最大單月掘進476m 的超大直徑盾構機（jī）的掘進記錄。通過不同刀具的（de）組合（hé）首次實現了在（zài）石英含量高的砂卵（luǎn）石、粘土地質條件下連續掘進2580m 沒有更換刀具，圖36 為完成掘進後的刀盤刀具情況。