矩形工作斷麵盾構刀盤設計
2018-9-30 來源:常州大學 機械工程學院 江蘇銀旭隧道 作者:儲健 沈惠平 鄧嘉鳴 張銀生 王(wáng)華 華群
摘 要: 盾構斷麵的矩形斷麵比圓形斷麵(miàn)的有效使用麵積大 20% ,因此,矩形盾構是盾構施工法的發展方向。在闡述常見的矩形刀盤形式的基礎上,結合蘇南(nán)某地市政工程的地質情況,創新提出一種符合該工程段地質(zhì)情況的矩形刀盤設計方案(àn); 給出刀盤上刀具的選擇及其布置方案,計(jì)算(suàn)出刀具的使用(yòng)壽命,並對刀盤進行載荷分析; 同時(shí),通過密封艙土體與矩形刀盤流(liú)固耦合分析,給出了矩形刀盤的性能評價,從而為研製矩(jǔ)形工作(zuò)斷麵盾構刀盤奠定了理論基礎。
關鍵詞: 盾構; 矩形斷麵; 刀(dāo)盤; 刀具(jù); 載荷分析: 流固耦合
作為盾構的一項關鍵技術,盾構刀盤主(zhǔ)要(yào)起到開挖土體、穩定掌子麵及攪拌砂土的功能,其設計(jì)的好壞(huài)直接影響到盾構施工的效率。圓形隧道因(yīn)其結構受力合理、施工工藝
相對簡單(dān)而廣為(wéi)采用。矩形斷麵有(yǒu)效使用(yòng)麵積通常比圓形斷麵增加 20% 以上(shàng),在城市隧道、人行地道、電纜溝等市政隧(suì)道工程中,尤以矩形斷麵最為經濟。
因此(cǐ),矩形盾構的研究和應用有著重要意義。本文對矩形盾構的刀盤形式進行(háng)闡述,並結合工程(chéng)實例,對矩形刀盤的進行設(shè)計,包括: 創新提出的矩形刀盤設計方案; 刀盤上刀具的選擇及其布置方案; 刀具使用壽命的計算、刀盤的載荷分析,以及性能評價。
1 、矩形刀盤的主要結構形式
眾所(suǒ)周知,圓形盾構的刀盤切削形式基本為一中心旋轉的大刀盤,異型斷麵中(zhōng)的矩形斷麵切削,遠比圓形斷麵複雜,其難點主要在於刀盤形式的設計。目前矩形刀盤的主要結構形式為以下三(sān)種:
( 1) 組合刀盤式在盾構機(jī)的端(duān)部裝有若幹台小刀盤,由多台小刀盤共同切削土體,切削麵積一般能達到整個斷麵麵積的 60% ~70% ,小刀盤可單獨運轉 。
圖 1 組合式矩(jǔ)形刀盤
圖 1 即江蘇銀旭(xù)隧道機械有限公司(sī)網頁配(pèi)圖,這種刀盤,結構簡單,且互不幹涉,但(dàn)隻能適應一般土層,在惡(è)劣地層中施工(gōng)僅有(yǒu) 60% 的斷麵切削率。
( 2) 中心大刀盤式(shì)由一台(tái)大刀盤及幾把伸縮刀( 或(huò)仿形刀) 組成切削刀組,大刀盤及仿形(xíng)刀(dāo)能實現正反轉(zhuǎn)。中心大刀盤配多把仿形刀或(huò)伸縮刀的形式,結(jié)構對稱、受力均勻,對(duì)土體擾動小,有利於機頭的頂進,但(dàn)傳動係統較複雜; 另外,這種刀盤(pán)隻適應正方形斷麵。
圖(tú) 2 中心大刀(dāo)盤式矩形刀盤
( 3) 多偏心軸式
圖 3 為上海盾構設計試驗研究中心有限公司網頁配圖。
刀盤上的每把刀具(jù)利用了平行雙曲柄機構的運(yùn)動原理,以各自的支撐點為(wéi)圓心,曲軸中心距為(wéi)半徑,作平麵圓周運動。圓周運動與軸向方向的推進運動,合成實現了刀盤全斷麵的切削掘進。由於此刀盤以多軸偏心驅動刀盤(pán)構成仿形切削係(xì)統,驅動裝(zhuāng)置較為複(fù)雜。
圖 3 多偏心軸式(shì)矩形刀(dāo)盤
2 、矩形盾構(gòu)的具體(tǐ)方案研究
2. 1 工程案例的地質(zhì)情況和水文情況
地質條件是影響盾構施工的一個(gè)十分重要因素,地質水文條件不同(tóng),盾構類(lèi)型(xíng)、刀盤類型、刀具種類和磨(mó)損狀況也(yě)不相同。本文(wén)設計的矩形(xíng)盾構的應用背景是: 某蘇南市政工程,蘇南的地層( 地麵(miàn)下 5 m 左右) 以粘土和(hé)粉土地層為主,其地(dì)質情況,如表 1 所示(shì)。
2. 2 組合異型刀盤的具體形式(shì)由表 1 可知,本(běn)工程段經過的地層為粘土和粉土地層,按照土力學相關知識,屬(shǔ)於軟土(tǔ)地層。
表 1 工程案(àn)例的地質情況和水文參(cān)數
設掘進橫斷麵為尺寸 3 880 mm × 4 880 mm 的拱頂圓角矩形,如圖 4 所示。
顯然(rán),采用傳統的單一圓(yuán)形(xíng)刀盤的形(xíng)式進行掘進,將無法滿足異型斷麵切削的要求。結(jié)合上述工程地質情(qíng)況及異型掘進斷麵的要求,本文采用土壓平衡盾構機,並創新提出一(yī)種異型刀盤結構,如圖 4所示,具體(tǐ)為。
圖 4 異型刀盤的具體(tǐ)布置
( 1) 該異型刀(dāo)盤由兩部分組成: 第一(yī)部分為主刀盤,主刀盤為直徑是 3 880 mm 的圓形刀(dāo)盤,負責主要(yào)的切削工作,防止掌子麵坍塌; 第二部分為四個直徑為 1 150 mm
和兩個直徑為 880 mm 的輔助刀盤。
( 2) 兩部分刀盤(pán)均為(wéi)具有輻條式刀盤,由麵板、軸套、切削刀、攪拌棒、注漿係統組成; 且兩部(bù)分刀盤前後分層布置,保證之間最小間隙 60 mm,避免相互幹擾,且各刀盤單獨驅動。
( 3) 刀盤後螺旋布置 6 根攪拌棒,能對土倉內(nèi)土體不斷進行攪拌,增強土倉內(nèi)土體的流動(dòng)性與塑性(xìng);
( 4) 刀盤(pán)正麵及(jí)中心布(bù)置有 4 個注漿口(kǒu),可用於對刀盤正麵土體的改良,又可用於對刀盤的清洗,以防止泥餅的形成。
2. 3 刀具的選(xuǎn)擇及其布置(zhì)
盾構機的工具有切(qiē)削類刀具、滾壓破岩類刀具和輔助類刀具(jù),其切削原理和作用也不盡相同。對於本工程實例(lì),隻需配置(zhì)切削型刀具,如: 切刀、周邊刮刀、中心刀等。其在刀盤上布(bù)置合理與否(fǒu),不僅關(guān)係到盾(dùn)構在隧道施工中整個工程的(de)成本,而且也直接影響盾構施工的進度和效率。
本文采用同心圓(yuán)的布置形式,即在(zài)同一切削半徑上同時布置(zhì)多把刀具達到全斷麵開挖的目的,具體的(de)刀具布置(zhì)原則是:
( 1) 切(qiē)刀的運動軌跡都為一圓形軌跡,同時滿足軸對稱的布置原則,使刀盤在理論上不(bú)受傾覆力矩的作用,刀(dāo)具的對稱布(bù)置需要滿足刀盤正反兩個方(fāng)向轉動的(de)要求(qiú) 。
( 2) 為了(le)保證切刀軌跡能夠覆蓋整個開挖麵,另外也為了減(jiǎn)少刀具磨損,相鄰兩軌跡(jì)的切刀應有一定的重疊量(liàng)。
( 3) 由於刀具的磨損量隨著刀具安裝半徑的增加而增大,一般按照等(děng)磨(mó)損布(bù)置的(de)原則,優化不同半(bàn)徑之間刀(dāo)具的安裝關係,使(shǐ)刀具磨損達到刀盤壽命的最大化效果。
下麵以主刀盤為例,分析切削刀具的布(bù)置:主(zhǔ)刀盤為六根輻條式刀(dāo)盤,刀盤直徑為 3 880 mm; 刀盤中心由(yóu)一把半徑為(wéi) 460 mm 的中(zhōng)心刀(dāo)( 或魚尾刀(dāo)) 進行切削。根據上述布置原則( 3) ,整個主刀盤分為(wéi)三個區域,由內向外依次是: 中心刀區域、內周部區域、外周部區域。因為切削刀具刀頭寬 80 mm,為了減少刀具磨損,在內周部相鄰兩軌(guǐ)跡的切刀應有 6 mm 的重疊量,在外周部重疊量增加至 10 mm,以減(jiǎn)少外部(bù)刀具磨損。
表 2 刀具的布(bù)置及其數目
表 3 為日本公司盾構(gòu)施工(gōng)提供的磨耗係數 k
刀(dāo)具磨損量是根據最大(dà)直徑處切(qiē)削軌跡 1 把刀計算,當刀具布置數量超過 1 把時,由於每把刀具的切削厚度(dù)降低,使切(qiē)削力減小。因此,磨耗係數 k 也相應減小,如計算中的刀(dāo)盤內周邊 1 條掘削軌跡上,配(pèi)置 2 把(bǎ)切削刀; 及外周部 1條掘削(xuē)軌跡配置 3 把切削刀 ,可減少刀具磨損。
於是(shì),計算結果(guǒ)如表 4 所示:
表 4 切削刀具的計算(suàn)結果
計算後得到 L = 5 332 m。因此,盾構在區間隧(suì)道距離 L 內至少須更換一(yī)次刀具。根據以上計算方法,可預測盾(dùn)構刀(dāo)具最長(zhǎng)掘進長度,計劃換刀時機,從而有利於盾構的施工管理和提高掘進效率。切刀(dāo)均安裝在開口槽的兩側,覆蓋了整個進碴口的長度,刮刀安裝在刀盤(pán)邊緣。刀具安裝采用螺栓固(gù)定,便於更換。
2. 5 異型刀盤的扭矩計算
正確(què)的刀盤扭矩計算是盾構刀盤設計的關鍵 ,在刀盤的轉動過程中,刀盤與土體之間產生摩擦,從而產生多種阻力(lì)矩,具體扭(niǔ)矩計算為:
2. 5. 1 主刀盤正麵與土體的摩擦阻力矩(jǔ)
T1是主刀盤旋(xuán)轉過程中刀盤前表麵與掘削土體的摩擦產生的扭矩,單一地質(zhì)情況下:
2. 5. 2 主刀盤側麵與(yǔ)土體的摩擦阻力矩(jǔ)
不(bú)考慮盾構刀(dāo)盤(pán)自重,刀盤所受側向土壓力(lì)和垂直土壓力上下對稱、左右對稱。因此,在計算垂直和側向土壓力時,隻需計算第一象限的(de)力的分布情況; 然後,利用其對稱性,即可求得刀盤的整個(gè)圓周(zhōu)方(fāng)向的(de)垂直和側向土壓力。工程段雖為軟土地層,仍(réng)存在不同的地質情況,由(yóu)於該地質之間的力學性能差異很小,所(suǒ)以,以下計算則(zé)采用土體
性能指標的平均值。
2. 5. 3 主刀盤切削地層時地層的抗(kàng)力(lì)扭矩
地層抗力扭矩,是主刀盤切入(rù)地層旋轉時克服土體的剪切力所產生的扭矩,其計算公式為:
5. 4 主刀(dāo)盤背麵與土體的摩擦阻力矩
輻條式(shì)刀盤(pán),由(yóu)於其開(kāi)口較大(dà),刀盤前端與(yǔ)土倉之間沒有壓力差或壓力差(chà)較小,可忽略不計。因(yīn)此,刀盤背麵與土體的摩擦(cā)阻力矩,和刀盤正麵與土體(tǐ)的摩擦阻力矩相等,即:
2. 6 輔助刀盤的(de)扭矩計(jì)算
由於輔助刀盤所(suǒ)需驅動扭(niǔ)矩較小,可以采用經驗公式進行估算。目前,對刀盤的扭矩可按照盾構的外(wài)徑,來進行所需扭矩的簡易計算。
3 、密封艙土體與矩形刀盤的流固耦合(hé)分(fèn)析
基於流固耦合力學,本文對矩形刀盤作流固耦合分析,以(yǐ)得到(dào)優於其他研究方法的結果。
3. 1 方案介紹
盾構機(jī)向前掘進,通過刀盤旋轉切下前方(fāng)土體,土體進入並(bìng)充滿密(mì)封艙,經螺旋出土機流出。在數(shù)值模型中,假定密封艙靜止,切下來的土體為均勻流體,進入密封艙,流體的速度為盾構機掘進速度,由於盾構掘進(jìn)速度(dù)緩(huǎn)慢,這樣的簡化並不改變密(mì)封艙內流場分布情(qíng)況。
在施工操作中,通過改變螺旋出土機的轉速,來控製土體流出密封艙的速度,以此來維持艙內土體壓力穩定。數值(zhí)模擬(nǐ)省去了這一傳(chuán)遞過程,直接通過設置出口壓力邊界條件來控製壓力穩定。
組(zǔ)合式刀盤與(yǔ)密封艙耦合(hé)係統的模擬過程如下:
( 1) 構建組合式刀盤(pán)模型和密封艙(cāng)內(nèi)流場的有限元模型,並設置流固耦合(hé)計算模式;
( 2) 添(tiān)加密封艙進出口邊界條件並對密封(fēng)艙內流(liú)場(chǎng)施加重力,重複(fù)計算直至密封艙內流場流動穩定;
( 3) 對刀盤施(shī)加轉動載荷(hé),當流場(chǎng)流動狀態呈周期性穩定分布(bù)時(shí),記錄刀盤的計算結(jié)果(guǒ)。
3. 2 結構(gòu)模型
流固耦合模型是一個組合的模型,因此,分別(bié)構(gòu)建(jiàn)了刀盤和密封艙(cāng)內流場的有限元模型,他們之(zhī)間通過流固耦合邊界 條 件 連 接在 一(yī) 起(qǐ)。 密封 艙 簡 化 後的模型如圖(tú) 6示,考 慮 到 切刀 在 整(zhěng) 個 模(mó)型 中 所 占(zhàn) 體積較 小,對 密封 艙 內 土 體擾動 較 小,在數值模擬中,在不(bú)影響計算結果的前提下,為了簡化計算和提高計算速度,可以將其去除。刀盤前部與(yǔ)待開挖土層沒有直接接觸(chù),在它們之間設置寬度為(wéi) 0. 1 m 的流(liú)動土體。
3. 3 材料模型
3. 4 邊界條件與操作參數
由於密封艙(cāng)內土體為(wéi)高粘度流體(tǐ),因(yīn)此,在流固耦合界麵與剛性(xìng)界麵上均采用(yòng)無滑移條件(jiàn),在剛性壁上流體速(sù)度矢(shǐ)量等(děng)於零(líng),即 v = 0; 在流固耦合界麵(miàn)上,流體速度(dù)和(hé)固體速度一致。設置掘進界麵處流體入口邊界條(tiáo)件,即 Vy= 0,Vz= 0,Vx大小與設定(dìng)的掘(jué)進速度相同,方向為沿 x 軸負向; 設置密封艙(cāng)流場出口壓力(lì)邊界條件 P = 0. 3 MPa。添加剛性約束,使刀盤(pán)沿中心軸線作勻(yún)速轉動。
3. 5 矩形刀盤的性能分析:
為了能夠合理地評價刀盤(pán)的性能,區(qū)分刀盤的優劣性,本文結合刀盤的強度準則、剛度準則(zé),對刀盤的性能進行評價。
3. 5. 1 強度準則
刀盤的強度準則,指的是刀盤的設計應滿足工作狀態(tài)下的結構強度要求,即刀(dāo)盤所(suǒ)受的最大應力與(yǔ)安全係數的乘積,應小於(yú)材料的(de)屈服(fú)應力,即σmax·k ≤[σ] ( 13)式中: σmax為刀盤的最大應力計算應力; k 為安全係數,此處取 2. 0; [σ]為材料的許用應力;根據流固耦合分析,得出刀盤的應力圖,如圖 7 所示。可知 σmax= 10. 803 MPa,而刀(dāo)盤材料屈(qū)服應力[σ] = 345MPa,可知,結構強(qiáng)度遠小於材料的屈服強度,因此,滿足刀盤(pán)的(de)強度要(yào)求。
3. 5. 2 剛度準則(zé)
刀盤的剛度準則是指刀盤(pán)的軸向(xiàng)變形必(bì)須控製在一定的安全範圍內。刀盤的設計時,要(yào)求盾構刀盤的變形量(liàng)應不應超過(guò)刀盤厚度的 3%( 中鐵隧(suì)道集團提供: 盾構刀盤的變形量不(bú)應超過刀盤板材材料厚(hòu)度的 3% ) 即:
4 、結 論
矩形盾構在節約地下空間的占(zhàn)用、減小隧道覆土厚度方麵,均有較好的優勢; 同時,可實現一些(xiē)圓形隧道無法實現的特殊(shū)工況(kuàng)下(xià)的應用,具有較好的社會效益。
本文首先闡述了目前(qián)最常(cháng)見的矩形刀盤(pán)的主要結構(gòu)形式; 然後結合蘇(sū)南某地市政工程的地質情況,創新提出一(yī)種符合工程段地質情況的 矩(jǔ)形刀盤設計方案,對刀盤(pán)上刀(dāo)具的選(xuǎn)擇(zé)、布置及其壽命進行了(le)說明,對刀盤所需扭矩進行了計算; 最後通過密封艙土體與矩(jǔ)形刀盤流固耦合仿真得(dé)出矩形刀盤的性能分析,對刀(dāo)盤的強度和剛(gāng)度進行了判斷。本文工作為矩(jǔ)形(xíng)盾構刀盤的設計、製造及其施工奠定了較好的基礎,矩形盾(dùn)構刀盤的樣(yàng)機正在研製中(zhōng)。
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