某型土压平衡盾构刀盘布刀规律研究

某型土压平衡盾构刀盘布刀规律研究3夏毅敏1,23,　周喜温2,　刘玉江3,　吴　遁3(11中南大学材料科学与工程学院,湖南长沙410083;21中南大学现代复杂装备设计与极端制造重点实验室,湖南长沙410083;31中铁十四局集团有限公司隧道分公司,250002)[摘要]　盾构刀盘是盾构施工中实现掘进、渣土过流、界面支护的关键部件,不同的地质条件对盾构刀盘的结构形式、开口率、刀具的选择与安装都有着不同的要求1该文试图从某型复合盾构刀盘采用主辅梁形式、刀具螺旋线配置等进行分析,揭示了为保证力学平衡而采取的结构形式以及刀具组合布置等与土体相适应的某些规律,为盾构刀盘的设计研制优化提供一定的依据1关　键　词:盾构刀盘;结构分析;布置规律中图分类号:U455144;TD421 文献标识码:A 文章编号:100025900(2009)0420092205Study on Cutters Layout Rules of EPB Shield Cutter 2H eadX IA Yi 2min 1,23,　Z HOU X i 2wen 2,　L IU Yu 2j iang 3,　W U D un 3(11School of Materials Science and Engineering ,Central Sout h University ,Changsha 410083;21Key Laboratory of Complexity of Modern Equipment Design and Extreme Manufacture ,Cent ral Sout h University ,Changsha 410083;31Branch tunnel of China Railway Shisiju Group Corporation ,250002China )【Abstract 】　Cutter 2head is the key component in shield tunneling ,which is for tunneling ,soil overflow ,surface supporting and protection 1The different geological conditions have the different requests to the cut 2ter 2head structural style ,the cutting tool style and the arrangement all 1This paper has analyzed the mixedshield cutter 2head which uses in engineering ,and propose some rules that the structural style of cutter 2headand cutter layout adapting the soil and also maintenaning the mechanical balance of the cutter head ,in or 2der to providing certain basis for cutter 2head design and optimization 1K ey w ords :　cutter 2head ;structure analysis ;cutter layout盾构刀盘位于盾构机主体的最前端,根据不同的地层装有多把不同类型的刀具,其主要功能是实现地层土体的掘削,并能够对开挖面起支撑作用保证盾构切削的稳定进行1盾构机在施工中会遇到淤泥、粘土、砂层到软岩、砂卵石及硬岩等各种不同的复杂地层,盾构刀盘在这些环境中受力相当复杂,作为盾构施工中的主要部件,刀盘的性能的好坏及盾构刀具的布置是否合理直接影响到盾构施工的成败1所以在对盾构机选型时,应该基于工程地质条件,着重对刀盘的结构形式、开口率、刀具配置规律等问题进行考虑,最大限度地满足工程施工的需要[1]11　盾构刀盘设计概述盾构在施工中遇到的地质条件复杂,特别是遇到复合地层集合区时,这种复合可能表现为垂直方向上的不同地层的组合,也可能表现为在水平方向上的不同地层的组合,对盾构刀盘的要求极为苛刻1针对地铁某施工区段内盾构机不仅要穿过淤泥、冲洪积土层,而且还要穿过长距离的微风化、中风化、辉绿岩岩层,甚至还要在中途无法更换刀具的情况下完成长距离硬塑残积土掘进,更有孤石硬岩地层,岩石最大单轴抗压强度达到130M Pa ,石英含量很高1复杂的地层条件,不仅对刀具的抗冲击性、耐磨性提出了很高的要求,而且要求在施工中能够经常变换施工模式,方便软硬土刀具的更第31卷第4期2009年12月 湘　潭　大　学　自　然　科　学　学　报Natural Science Journal of Xiangtan University Vol 131No 14Dec 120093收稿日期:2009205224 基金项目:国家重点基础研究发展计划(973计划,2007CB714002);湖南省博士后基金(2009RS3023);中南大学研究生学位论文创新基金(2009ssxt058) 通信作者:夏毅敏(1967—　),男,江西永新人,教授1E 2mail :xiaymj @mail 1csu 1edu 1cn换,这些都对盾构刀盘结构形式、开口率、刀具配置等的选择提出了要求[2]1该区段最终采用直径为6128m 的土压平衡盾构,该盾构刀盘采用典型的辐条面板式结构(如图图1　盾构刀盘结构图Fig 11　The struct ure of shield cutter head 1所示),主结构由六根辐条和六个面板组成,六根辐条互成60度分布,辐条间采用辅梁连接,辅梁同时起到连接面板的作用,辐条两边装有刮刀,辐条上可安装齿刀或者盘形滚刀,两种刀具都是背装式的且可以互换,以满足不同地层的需要1整个刀盘开口率为28%,中心处有较大的开口,刀盘上开口槽从刀盘中心到外沿的宽度始终相同,最大开口槽为450mm ,这种设计能够较好地维持各种土体开挖面的稳定性,中心处开口的设计减小了结泥饼的可能性,开口槽的设计不仅能够保证土体的顺利流动,也能够限制渣块的尺寸,以符合螺旋输送机和皮带输送机的吸收能力1刀盘采用中间支撑,刀盘中心比盾构掘进机轴线偏高,其设计专为避免粘土和风化花岗岩的堵塞1整个刀盘总体质量达到55t ,使得盾构刀盘具有较好的刚度和强度,在较为复杂的环境中能够顺利掘进[3,4]12　刀具配置特点211　刀具种类的选择针对该地区地质状况复杂,土体软硬不均的状况,在硬岩地层中,盾构刀盘上配备了36把滚刀、94把刮刀、12把外围保护刀以及2把扩孔刀,滚刀的主要作用是依靠垂直方向上的压力以及滚刀间的剪力破碎岩石,保证洞体的全断面开挖;此时刮刀的主要作用是对滚刀破岩后未被剥落的一部分岩体进行刮削,刮刀中有12把边缘刮刀,分布在刀盘的边缘部分,除了有上述作用外,还起着对洞体边缘进行修复的作用;外围保护刀作用是协同边缘刮刀一起对开挖洞体的边缘进行修复;扩孔刀只在盾构机改变方向时使用,用于改变盾构刀盘的开挖直径,它们装在刀盘同一直径的两端,有单独的液压缸驱动,平时运行时只有其中之一工作1而当在软土地层时,需要将刀盘上的36把滚刀更换为31把齿刀,此刀盘的开口率由28%变化为31%以适应维持土层界面稳定的需要,其他刀具不变1在切削过程中,齿刀的主要作用是对待掘削土体进行扰动、疏松,减轻刮刀的受力,方便刮刀对土体的切削;其他刀具的作用同硬岩切削时基本一致1212　刀具布置特点刀具在盾构刀盘上的布置一般分为3个区域,中心区、正面区和边缘区域,由于在掘进过程中不同区域刀具所起的作用不完全相同,刀具的受力也不一样,因此不同区域刀具的布置特点也不尽相同[5]121211　滚刀的布置　对于本盾构刀盘来说,硬岩掘进时,该盾构刀盘采用标准的17寸盘形滚刀,中心区域采用三刃滚刀和双刃滚刀组合,滚刀的刀间距为84mm ,采用多刃滚刀可以有效地将中心区域的力分解到多个刀圈上,减少刀圈的磨损特别是偏磨现象的发生;对正面区域来说,该盾构刀盘配备了20把标准的17寸正滚刀,刀间距为105mm ,该区域是盾构刀盘在硬岩掘进中关键区域,滚刀的性能与寿命直接影响到盾构掘进的功效;对于边缘区域,该刀盘配备了6把边缘滚刀,分布在各面板的中部,刀刃的倾角从15°到47°不等,刀间距也从10mm 到91mm 不等1仔细分析刀盘上个滚刀的位置特点,我们发现刀盘上的滚刀基本上呈对称布置,这有利于保证刀盘整体受力均匀,使刀盘承受的倾覆力矩不至于过大1同样我们发现在刀具的正面区域的某部分正滚刀符合螺旋线布置规律,张照煌、纪昌明等人研究发现刀具按照这种规律布置时,有利于保证刀盘受力均匀且横向载荷为零[5]1该盾构刀盘上刀号为1、3、5、7、9、11的正滚刀的布置符合一条螺旋39第4期 夏毅敏,等　某型土压平衡盾构刀盘布刀规律研究 线,其曲线方程为:ρ=r 1+2S α(θ-θ1),其中ρ表示正滚刀的安装半径,r 1表示滚刀刀号为1的安装半径,数值为916mm ,S 表示滚刀的刀间距,数值为105mm ,α表示相邻两把滚刀间的的相位角,数值为120°,θ表示滚刀的相位角,沿顺时针方向依次增加,θ1表示滚刀刀号为1的相位角,数值为30°1代入数值,上式可写为:ρ=916+210120(θ-30)1而对刀号为2、4、6、8、10、12的滚刀来说,它们的布置符合另外一条螺旋线,曲线方程为:ρ=r 2+2S α(θ-θ11),其中ρ表示滚刀的安装半径,r 2表示滚刀刀号为2的安装半径,数值为1021mm ,S 表示滚刀的刀间距,数值为105mm ,α表示相邻两把滚刀间的的相位角,数值为120°,θ表示滚刀的相位角,沿顺时图2　滚刀位置布置图Fig 12　Layout of disc 2cutter in cutter 2head针方向依次增加,θ2表示滚刀刀号为2的相位角,数值为210°1代入数值,上式可写为:ρ=1021+210120(θ-210)1在MA TL AB 中绘制各滚刀位置的图线,如图2所示1图中虚线表示刀号为1、3、5、7、9、11的滚刀所处的螺旋线,实线表示2、4、6、8、10、12所处的螺旋线,实心小圆代表位于螺旋线上的正面滚刀,空心小圆代表未处于螺旋线上的正面滚刀,五角星表示边缘滚刀121212　切刀的布置　对于切刀在盾构刀盘上的布置来说,也可分为上述3个区域,本刀盘中心区域刀具是单向由4把150mm 宽的刮刀组成的;而正面区域的刮刀对称地布置在辐条的两侧,刀宽同样为150mm ,但与辐条的夹角不尽相同,靠近中心的夹角为20°,外部的则为10°,刀具在半径方向上的布置基本上按照保证全断面原则,考虑减少刀具的磨损,相邻的切刀间有5～10mm 不等的重合度,而且在同一半径上布置三把刀具,成120°均匀分布;边缘区域的刀具采用边缘刮刀,刀宽为300mm ,且刮刀靠近刀盘边缘的一侧有较大的圆弧,其作用是对洞体的边缘进行修复1我们发现刮刀在刀盘上的布置同样符合螺旋线,在顺时针切削时起作用的刀具的布置复合三条螺图3　刮刀位置布置图Fig 13　Layout of bit 2cutter in cutter 2head旋线,它们的曲线方程依次是:ρ1=1036+432π(θ1-4336π),(4336π≤θ1≤18736π),ρ2=1180+432π(θ2-3136π),(3136π≤θ2≤16336π),ρ3=1180+432π(θ3-736π),(736π≤θ3≤13936π)1同样刀盘上逆时针切削起作用的刀具同样复合三条螺旋线,它们的曲线方程与上述方程极其相似,只是初始相位角有些不同,在此不再重复1在MA TL AB 中绘制各切刀位置的图线,如图3所示1图中3条加粗的曲线分别代表顺时针切削时起作用的刮刀所在的3条螺旋线,3条未加粗的曲线则代表逆时针切削时起作用的刮刀所在的3条螺旋线;方形代表顺时针切削时起作用的刮刀,49 湘　潭　大　学　自　然　科　学　学　报 2009年星形代表逆时针切削时起作用的刮刀14　滚刀刮刀配合布置图Fig 14　Arrangement of disc 2cutter and bit 2cutter 21213　滚刀切刀的配合布置　该盾构刀盘在布置刀具时,将滚刀布置在辐条中央,而刮刀布置在辐条的两侧,这样布置使得滚刀在对岩石切削压碎之前就先由刮刀将岩石上面的碎渣刮入开口槽内,减小滚刀的磨损;同时在滚刀切削后,下一辐条上的刮刀也能起到刮渣的作用1而在刀具布置的高度上,滚刀高出刀盘面板110mm ,而刮刀高出刀盘面板70mm ,两者的高度差为40mm ,如图4所示1刀具高一些对防止结泥饼有利,而且较大的高度差可是滚刀有较大的贯入度,有利于滚刀破岩,而且在滚刀有了少量磨损后仍然能够正常掘进破岩13　刀具数量的确定该刀盘属于典型的辐条面板式刀盘,刀具几乎全部布置在辐条上,面板上只有边缘滚刀布置1基于这种类型的刀盘我们试图总结出刀具数量的计算公式1311　滚刀的数量计算滚刀的布置分为中心区、正面区、边缘区,由于不同区域的刀间距不同,我们设中心区域的刀间距为S 1,第一把滚刀的安装半径为r 1,中心区域半径为r ,正面区域刀间距为S 2,正面区域半径R ,由于边缘区域的滚刀间的刀间距各不相同,我们假设边缘滚刀的数量为n 1,则刀盘上所有滚刀的数量n 为:n =r -r 1S 1+1+R -r S 2+n 11312　刮刀数量的计算同滚刀一样刮刀的布置同样也分为中心区、正面区、边缘区3个区域,我们假设顺时针切削时中心区域起作用的刀具数量为m 2,中心区域的半径为r ,同时设边缘刮刀的刀宽为k 2,设盾构刀盘上辐条数为m 3,设正面区域的刮刀的刀宽为k 1,刮刀的布置采用牙型交错连续排列,保证全断面至少需要两根辐条,同时为了保护刮刀,减小刮刀的磨损,相邻两把刮刀布置时经常有一定的重合度,设为b,考虑到盾构刀盘正转、反转时都能够切削,刀具应该对称布置,则盾构刀盘上刮刀的数量m 1为:m 1=2[m 3(R -r -k 2)2(k 1-b )+m 2+m 3].4　刀盘力学性能校核[6,7]刀具布置是刀盘设计工作中一项重要的工作,刀具是否合理布置直接影响到刀盘所受径向不平衡力以及倾覆力矩的大小,进而影响刀具、刀盘的寿命以及刀盘大轴承的寿命1刀盘的拓扑结构设计是刀盘设计中另一项重要工作,它直接影响着刀盘的强度刚度,进而影响着刀盘的掘进性能1本文主要从理论计算方面进行径向不平衡力和刀盘倾覆力矩的校核,而关于刀盘的强度和刚度方面的校核我们将在下一步的工作中利用有限元的方法进行校核1411　径向不平衡力校核我们设单把刮刀的侧向力为F q ci ,其在极坐标系的位置是(ρi ,θi ,βi );单把正滚刀的侧向力为F zgci ,其在极坐标系的位置为(ρi ,θi );单把边滚刀的侧向力为F bgcj ,其在极坐标系的位置是(ρj ,θj )1则X 轴、Y 轴方向上总径向不平衡力分别为F X 、F Y 为:F X =∑n i =1F zgci cos θi +∑mj =1F bgci sin αj co s θj +∑l i =1F q ci cos βi cos θi ,59第4期 夏毅敏,等　某型土压平衡盾构刀盘布刀规律研究 F Y =∑n i =1F zgci sin θi +∑mj =1F bgci sin αj sin θj +∑l i =1F q ci cos βi sin θi 1 同时我们假设每把刮刀的侧向力都相等取为F c 1,每把正滚刀的侧向力也相等取为F c 2,每把边缘滚刀的侧向力也相等取为F c 3,将位置参数代入上式,可得:F X =01021F c 3-01814F c 2,F Y =01144F c 3-01514F c 21412　不平衡力矩的校核我们设单把正滚刀的垂直力为F zgvi ,其在极坐标系的位置是(ρi ,θi );单把刮刀的垂直力为F qvi ,其在极坐标系的位置是(ρi ,θi );单把边滚刀的垂直力为F bgvj ,其在极坐标系的位置是(ρj ,θj ,αj )1则刀盘在X 轴、Y 轴方向上总不平衡力距M X 、M Y 分别为:M X =∑n i =1F zgci ρi sin θi +∑mj =1F bgci cos αj ρj sin θj +2∑l i =1F q ci ρi sin θi,M Y =∑n i =1F zgci ρi cos θi +∑m j =1F bgci sin αj ρj co s θj +2∑l i =1F q ci ρi cos θi1 同时我们假设每把刮刀的垂直力都相等取为F V 1,每把正滚刀的垂直力也相等取为F V 2,每把边缘滚刀的垂直力也相等取为F V 3,将位置参数代入上式,可得:M X =-21215F V 1+01525F V 2+01363F V 3,M Y =-11874F V 1+01182F V 2-01046F V 31 从上面的计算结果我们可以看出该盾构刀盘在径向上受力和刀盘的倾覆扭矩并不为零,这对刀盘的结构和寿命都会产生一定的影响,盾构刀具的布置都有待进一步优化15　结语盾构刀盘作为盾构机工作时的重要部件,刀盘的结构形式及刀具配置决定了盾构机能否顺利掘进及盾构施工成本1经过上述分析可以得出以下结论:该型盾构刀盘采用的主辅梁结构能较好的将滚刀上的力传递给刀盘,更有利于刀盘本身的受力均匀;通过分析刀盘上各刀具的位置和数量的关系,发现刀盘上的部分正滚刀是按两条螺旋线布置的,而其他滚刀的布置则不在这两条螺旋线上,同时总结出刀盘上布刀数量的公式;在刀盘力学性能的校核过程中,发现刀盘的径向不平衡力和不平衡力矩并不为零,这说明该刀盘和刀具布置仍然有进一步优化的空间1以上结论为工程中使用改进盾构刀盘提供了一定的基础,同时为盾构刀盘的自主设计和优化提供一定的依据1参　考　文　献[1]　刘志杰,滕弘飞,史彦军,等1TBM 刀盘设计若干关键技术[J ].中国机械工程,2008,19(16):1980-19851[2]　SAND TN ER A K 1Clermont tunnel :Switching a problem 2TBM 2site into a success [C]∥Proceedings 2Rapid Excavation andTunneling Conference ,Boston ,1993:889-9041[3]　唐昭青,邹银生,吴建华1四边简支薄壁箱体空心楼盖竖向荷载下挠度分析[J ].湘潭大学自然科学学报,2008,30(2):77-801[4]　张海舟1地铁工程盾构机选型实例及WIR T H 盾构机的性能特点[J ].铁道工程学报,2004(3):37-411[5]　纪昌明,张照煌1全断面岩石掘进机刀盘上刀具布置规律研究[J ].建设机械技术与管理,2008(4):99-1021[6]　BU R GER W 1Design principles for soft ground cutterheads [C ]∥Proceedings Rapid Excavation and Tunneling Conference ,Rapid Excavation And Tunneling Conference 22007Proceedings ,Toronto 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