复合地层中盾构机滚刀破岩力学分析
滚刀工作原理分析
滚刀工作原理分析盘形滚刀简称盘刀，是隧道掘进机滚压破岩常用的一种刀具型式，典型的盘刀一般由刀圈、轮毂和轴组成。
盘形滚刀在各类隧道掘进机上使用非常广泛，主要用于全断面岩石隧道掘进机、盾构及顶管设备。
过去盘形滚刀主要用于全断面岩石隧道掘进机刀盘破岩，随着隧道及地下工程的快速发展，所遇到地层复杂性逐渐增加，开始在盾构刀盘上使用盘刀(同时布置切刀和滚刀)，形成所谓的复合式盾构，以应对各种软硬不均或富水地层，如砂卵(砾)石地层、风化岩地层及越江、跨海隧道的高水压地层_1]。
实践证明，这种盾构对地层具有良好的适应性，大大拓展了盾构的适用围。
国际上现在有研发全能隧道掘进机的趋势，复合式盾构应该是全能隧道掘进机的一种雏型。
1 盘形滚刀的受力及破岩机理每把盘形滚刀在切割岩石的过程中，刀刃与岩石之间都存在3个方向的相互作用力：(1)法向推压力FN，指向开挖面，由刀盘的推力提供；(2)切向滚动切割力FR，指向滚刀切向，由刀盘转矩提供；(3)滚刀边缘的侧向力FIJ，由滚刀对岩石的挤压力和刀盘旋转的离心力所产生，指向刀盘中心，其数值较小，与其它2个力不属于同一数量级，一般不考虑。
3个方向的作用力见图1。
切向滚动切割力主要取决于推力、切深及滚刀直径。
盘刀直径一定，切深越大，所需滚动切割力越大；切深确定时，滚动切割力随盘刀直径的增大而减小。
刀盘工作时，滚刀先与开挖面接触，在推力作用下紧压在岩面上，随着刀盘的旋转，盘形滚刀一方面绕刀盘中心轴公转，同时绕自身轴线自转。
盘形滚刀在刀盘的推力和转矩共同作用下，在掌子面上切出一系列同心圆沟槽。
刀盘旋转并压人岩石的过程中，盘形滚刀对岩石将产生挤压、剪切、拉裂等综合作用，首先在刀刃下会产生小块破碎体，破碎体在刀刃下被碾压成粉碎体，继而被压密形成密实核，随后密实核将滚刀压力传递给周围岩石，并产生径向裂纹，其中有一条或多条裂纹向刀刃两侧向延伸，到达自由面或与相邻裂纹交汇，形成岩石碎片，整个过程如图2所示。
(整理)软硬不均地层复合盾构的研究及掘进技术
4.2 不同地质的渣土改良技术(1) 在砂质黏性土和全、强、中风化泥质粉砂岩的掘进中，主要是要稳定开挖面，防止刀盘产生泥饼，并降低刀盘扭矩。
一般采取分别向刀盘面和土舱内注入泡沫的方法进行渣土改良，必要时可向螺旋输送机内注入泡沫。
(2) 在硬岩地段的掘进主要是要降低对刀具磨损、螺旋输送机的磨损，防止涌水，一般采取向刀盘前和土舱内及螺旋输送机内注入含水量较大的泡沫为主。
(3) 在富水地段和其他含水地层采用土压平衡模式掘进时，主要是要防止涌水、防止喷涌、降低刀盘扭矩，一般向刀盘面、土舱内和螺旋输送机内注入膨润土泥浆，并增加对螺旋输送机内注入的膨润土，以利于螺旋输送机形成土塞效应。
(4) 在砂土地层中掘进时，主要是保持土舱内的压力平衡，以稳定开挖面，控制地层沉降，拟采取向刀盘面和土舱内注入泡沫来改良渣土。
泡沫注入量根据具体情况确定。
4.3 泡沫剂的渣土改良技术(1) 泡沫剂的使用泡沫剂通常按1%～6%进行配制，溶于水中。
也可根据开挖土体的颗粒级配、不均匀系数、掘进速度、掘进的推力和扭矩的具体情况进行调整。
(2) 泡沫剂的注入注入方式：泡沫剂的注入可选择采用半自动操作方式和自动操作方式。
注入率：在一般情况下泡沫的注入率的最小值为20%，当渣土较黏时，为防止产生泥饼或堵仓，泡沫的注入率最小不小于30%。
在实际施工过程中，泡沫的注入率要根据掘进期间对渣土的观察来做相应的调整，而影响注入率的最关键因素为土体的液限、塑限以及土体的含水量。
根据经验，土体的黏稠指数Ic= 0.5 时，土体比较容易改良。
其中黏稠指数计算公式为Ic = (wL－ws)/Ip (4)式中：wL为土体的液限，ws为土体含水量，Ip为塑性指数。
4.4 渣土改良效果分析越三区间盾构在残积土层或全风化岩层的掘进时，通过加入泡沫进行渣土改良。
掘进过程的典型特征：渣土流动性好，呈塑性状态，渣土上有明显的水的光泽，用手抓渣土时，能比较轻松的抓取；螺旋输送机出渣连续且在皮带机上铺展良好，没有产生泥饼及球状渣土；在渣土中，能明显的闻到渣土中有泡沫剂味；渣土的稠度一般为25～40 mm。
泥水盾构机滚刀使用分析
泥水盾构机滚刀使用分析摘要：泥水盾构机是一种典型的全面隧道掘进机，利用泥浆在隧道工作面上形成一层粘土膜支撑和稳定隧道开挖面，平衡开挖面上的水土压力，广泛用于高含水量、高水压、渗透系数大的粘性土、砂砾层等。
随着近40年来隧道工程和盾构隧道技术的快速发展，隧道工程呈现出大直径、深埋、高水压的趋势，盾构机的直径和承压能力也在不断提高。
盾构机总装结构，主要由刀盘、刀具、盾体、主驱动系统、液压系统、推进系统等部分组成。
关键词：泥水盾构机；滚刀；使用分析引言杭州天目山项目施工采用两台气垫式泥水平衡盾构机施工，刀盘主要配置滚刀和刮刀，在施工过程中遇到及其复杂的地质条件，如⑥淤泥质黏土、⑦粉质粘土、⑯碎石夹粘性土、⑯1含砾粉质粘土、㉓1全强风化凝灰岩、㉓3-2中风化下段凝灰岩，整条盾构区间上述几种不同地质大部分情况在同一断面共存，盾构推进过程中因地质条件问题导致滚刀损耗量较大。
1滚刀磨损因素分析项目双线贯通后合计更换滚刀894把，平均每环更换0.51把；其中，左线更换滚刀479把，平均每环更换0.54把，右线更换滚刀415把，平均每环更换0.47把/环。
出现两条盾构区间滚刀损耗出现偏差的原因主要为左线盾构机在推进过程中领先右线200环左右，右线盾构机推进参数是针对左线盾构机推进参数进行优化后实施的。
由于盾构机刀盘不同轨迹半径的滚刀，其线里程呈指数性增长，因此按照滚刀安装位置、区间不同地层两项指标对项目泥水盾构机滚刀检查和更换记录进行数据筛查分析。
1.1按照滚刀安装相对位置分析滚刀不同安装位置更换频次依次从刀盘中心（13#）向外侧逐渐增大（81#，同轨迹三把滚刀），从下图可看出趋势线逐步增高。
刀盘中心滚刀运行轨迹半径从中心向外侧陆续增加，不同滚刀轨迹运行圆周长度（线里程）呈线性变长，相同地层中滚刀磨损程度也是逐渐变大，符合物理规律。
1.2按照区间断面不同地层分析由于整个区间多种不同地质条件长距离共存，根据开仓检查情况发现对两两相距较远的滚刀磨损情况差异较大。
盾构机刀具选型及布置
盾构机刀具选型及布置作者：吴艳华刘德全盛少琴来源：《广东造船》2013年第01期摘要：从工程上看，盾构系统最重要的部分在于刀具的选用和布置，刀具是否适用于工程地质条件将直接影响盾构机的掘进效果。
本文从盾构机刀具类型、刀具配置以及刀具布置需要考虑的各项因素，分析盾构机刀具的选型和布置。
关键词：刀具；刀具布置；刀具高度；刀具磨损1 引言近年来，随着科学技术的不断发展，人们可利用的地上空间越来越少，对地下空间的开发逐渐成为国内外各大城市的重要目标。
隧道掘进机是最主要的地下空间开发工具，是集机械、电气、自动化控制、光学等多学科综合技术为一体的成套设备。
在整个盾构设备系统中，刀盘刀具是能否成功掘进的关键，是影响掘进性能的决定性因素。
其中，刀具的配备和布置需要根据地质条件和施工要求进行合理设计，属于复杂的工程系统设计问题，对刀具布置技术的研究具有重要的工程意义。
针对这一情况，本文对复合地质下的刀具选型及布置进行了相应的分析和优化，以实现对复合地层开挖的性能要求。
2 刀具类型刀具是盾构设备的开挖部件，在不同岩土体条件下，盾构刀具也有所不同。
目前常用的盾构刀具大体可分为：滚动类刀具和切削类刀具。
其中切削类刀具又包括切刀、刮刀、先行刀等。
2.1 滚动类刀具刀具在随刀盘转动的同时，还作自转运动的破岩刀具统称为滚动刀具，又称为滚刀。
滚动刀具均是通过滚动和滑动产生的挤压、剪切、研磨等达到破岩的目的。
根据刀具形状的不同滚刀又分为：齿形滚刀（钢齿和球齿）、盘形滚刀（钢刀圈滚刀和球齿刀圈滚刀），如图1所示。
a：钢齿滚刀 b：球齿滚刀 c：钢刀圈滚刀 d：球齿刀圈滚刀图1 滚动类刀具形状根据安装位置不同分为：正滚刀、中心滚刀、边滚刀、扩孔滚刀。
目前常用的滚刀类型为盘形滚刀。
盘形滚刀根据刀刃数分为单刃滚刀、双刃滚刀和多刃滚刀。
根据刀刃外径的大小又分成13、15、17、19等不同规格，目前主要使用的是17系列滚刀。
不同刃数滚刀的使用范围各不相同，见表1。
盾构刀具选择详述
盾构机刀具配置是盾构机刀具设计中是非常重要的内容。
本论文着重介绍了刀具的种类和切削原理，同时针对不同的地层情况，提出刀具的具体配置方式。
针对盾构机在复合地层隧道掘进，解释了刀具配置的差异性、刀具配置的“矛盾”现象。
结合工程实例，在砂卵石地层中（尤其是含大直径漂石）长距离隧道掘进的工况下，提出了盾构机生产厂家关于刀具配置新的设计理念和思路。
最后提出了刀具配置设计中应考虑的因素。
1 、引言盾构机刀具的配置是盾构机刀具设计中是非常重要的内容，其配置是否适合应用工程的地质条件，直接影响盾构机的刀盘的使用寿命、切削效果、出土状况、掘进速度和施工效率。
2 、刀具种类和切削原理2.1、切刀（齿刀，刮刀）切刀是软土刀具，布置在刀盘开口槽的两侧，其切削原理是盾构机向前推进的同时，切刀随刀盘旋转对开挖面土体产生轴向（沿隧道前进方向）剪切力和径向（刀盘旋转切线方向）切削力，在刀盘的转动下，刀刃和刀头部分插入到地层内部，不断将开挖面前方土体切削下来。
切削刀一般适用于粒径小于400mm的砂、卵石、粘土等松散体地层。
2.2、先行刀（超前刀）先行刀是先行切削土体的刀具，超前切刀布置。
先行刀在设计中主要考虑与其它刀具组合协同工作。
先行刀在切刀切削土体之前先行切削土体，将土体切割分块，为切刀创造良好的切削条件。
先行刀的切削宽度一般比切刀窄，切削效率较高。
采用先行刀，可显著增加切削土体的流动性，大大降低切刀的扭矩，提高切刀的切削效率，减少切刀的磨耗。
在松散体地层，尤其是砂卵石地层先行刀的使用效果十分明显。
2.3、贝型刀贝型刀实质上是超前刀，盾构机穿越砂卵石地层，特别是大粒径砂卵石地层时，若采用滚刀型刀具，因土体屑松散体，在滚刀掘进挤压下会产生较大变形，大大降低滚刀的切削效果，有时甚至丧失切削破碎能力。
将其布置在刀盘盘圈前端面，专用于切削砂卵石。
2.4 、中心刀（鱼尾刀、双刃或三刃滚刀、锥形刀、中心羊角刀）在软土地层掘进时，因刀盘中心部位不能布置切刀，为改善中心部位土体的切削和搅拌效果，可在中心部位设计一把尺寸较大的鱼尾刀（羊角刀），一般鱼尾刀超前600 mm左右。
盾构机结构有限元分析规范
盾构机结构有限元分析参考规范一． 盾体的有限元分析（结构静力学分析）明确分析对象与分析类型。
盾体载荷分布形式：图1 盾体载荷分布1.1 中盾1.1.1 中盾模型建立采用solidworks 或者Proe 三维建模软件，建立起盾体的三维模型，如图2a 。
三维模型建立后单独备份有限元分析模型。
分析模型是设计模型的合理简化，是将设计模型上所开的坡口、设计圆角、倒角、影响不大的孔等进行处理，一方面可以降低计算量，提高计算效率，另一方面对坡口、焊脚的处理可以更为接近模型的实际状态。
同时，在对模型进行处理过程可以防止在后续分析过程中出现由于结构的拓扑退化现象而造成分析失败。
处理之后的模型结构如图2b 所示。
图2a 设计模型 图2b 分析模型图2 中盾设计模型与分析模型1.1.2中盾前处理与分网将简化处理后的模型转换为STEP（或者IGES、X_t）格式，并导入ANSYS workbench中，定义模型材料属性，弹性模量E=200Gpa,泊松比为0.3，密度为7.8e-6Kg/mm3。
对模型进一步切分与分网，如图3所示。
图3 中盾模型分网1.1.3边界条件施加（力的边界条件与位移边界条件）由图1所示的盾体载荷分布情况，分别计算垂直于侧向水压于土压，分别施加在盾体外壳表面。
对于施加在盾体侧向压力为梯度载荷，需要根据载荷梯度情况编程施加。
在整体坐标系的Y向施加重力加速度g以考虑盾体自身重力。
中盾与前方切口环采用螺栓连接，同时切口环连接处结构具有较好的刚度，因此在施加约束时将切口环与中盾连接表面视为固定约束。
图4 中盾模型边界条件施加1.1.4求解与后处理定义了边界条件后，在WB求解模块输入关心的应力应变以及位移参数，求解。
图5 中盾变形与等效应力云图图6 中盾变形与应力随圆周位置变化曲线1.2尾盾1.2.1尾盾前处理尾盾的分析过程与中盾类似，同样是对盾体进行三维建模，导入，前处理以及分网设定边界条件以致求解，后处理的过程。
某复合盾构刀盘有限元分析及参数优化
文章编号：1009-6582（2020）06-0115-05DOI:10.13807/ki.mtt.2020.06.015修改稿返回日期：2020-01-02作者简介：罗丹（1986-），男，工程师，主要从事机械CAE 分析工作，E-mail ：摘要复合盾构刀盘的力学性能是评价刀盘结构设计是否合理的重要依据。
文章通过有限元法分析了某复合盾构刀盘的受力特性，得到了该复合盾构刀盘的应力和变形分布云图。
针对安全余量不足的主要承载件，采用高强钢替代，最后通过Workbench 的DesignXplorer 模块进行参数优化。
优化后的刀盘强度安全系数为1.54，刀盘重量降低了1.17t，提高了该复合盾构刀盘的安全性和经济性。
研究结果可为刀盘结构设计和材料选型提供参考。
关键词复合盾构刀盘有限元分析高强钢参数优化中图分类号：TP391.9;U455.43文献标识码：A某复合盾构刀盘有限元分析及参数优化罗丹（中国铁建重工集团股份有限公司，长沙410100）1引言复合式盾构常用于穿越软土、砂土、软岩和硬岩等多种地质[1]的隧道工程。
刀盘是复合盾构的关键部件，起着开挖岩土和维持掌子面稳定等功能。
在掘进过程中，刀盘体受到岩土的侧向压力和摩擦力以及刀具的切削反力或破岩推力等多种载荷作用，受力状况极其复杂，工作环境恶劣。
刀盘结构的安全性对盾构施工效率影响尤为重要，如何合理设计刀盘成为当前研究的重点问题。
近年来，国内研究人员从理论分析到数值模拟等多方面对刀盘的力学性能进行了研究，取得了大量研究成果。
张茜[2]基于弹性接触力学模型研究了刀盘与土体耦合作用界面载荷分布规律，实现了对刀盘系统载荷的预估并确定了其相关影响因素；宋克志等[3]运用多元回归分析的方法，分析了盾构掘进参数与刀盘推力的关系，并构建了在泥岩和砂岩地层盾构推力的预测模型；夏毅敏等[4]通过ANSYS 软件对盾构刀盘在土压平衡和土压不平衡两种工况下的受力特性进行了分析，得到两种工况下刀盘的应力和变形分布规律；韩勇[5]对盾构刀盘在满足强度和刚度需求的条件下进行了轻量化优化设计研究。
富水灰岩复合地层盾构施工安全风险分析及应对措施
富水灰岩复合地层盾构施工安全风险分析及应对措施雍毅1，张斌2，罗求林2，3，李学创2（1. 中交一公局厦门工程有限公司，福建厦门 361021；2. 中国交建轨道交通分公司，北京 100120；3. 华南理工大学土木与交通学院，广东广州 510640）［摘要］在高强度富水灰岩、软硬不均等复杂地层中掘进时，易发生刀具损坏、盾构掘进参数异常等一系列问题，同时如何实现快速安全地开仓检查及更换刀具一直是施工人员面临的难题。
文章基于广州地铁X号线TN区间工程，首先针对复杂地层条件下的盾构施工安全风险进行分析，进而合理配置刀具，最终通过分析盾构施工典型问题提出了应对措施。
结论表明：针对这种复合地层，建议选择泥水平衡模式，采用“辐条+面板”复合型刀盘，并适当增加开口率；在石灰岩地层中掘进易存在岩块卡住刀盘的情况，可采取改变刀盘转向、降低刀盘转速、环流携渣等措施；建议将开仓距离控制在40环左右，并提出了一套适用于这种复合地层的盾构掘进参数。
［关键词］岩溶；软硬不均；风险分析；开仓换刀；掘进参数控制［中图分类号］U455.43 ［文献标识码］A ［文章编号］1001-554X（2023）06-0054-05Risk analysis and countermeasures of shield tunnel passing throughwater-rich limestone composite stratumYONG Yi，ZHANG Bin，LUO Qiu-lin，LI Xue-chuang在隧道建设施工中，盾构法因施工效率高、安全可靠、对自然环境干扰小，已成为当今隧道建设的主要手段［1］。
但当盾构穿越软硬不均、高强度富水岩溶发育区等复杂地层时，刀具配置及磨损控制是一项施工安全控制技术难题。
谭忠盛、邓彬、李光耀等分别探讨了盾构选型、动力设备、刀盘及刀具配置、掘进模式选择及盾构参数控制、渣土改良技术、盾构姿态控制、同步注浆等措施以应对上软下硬复合地层中的安全风险［2-4］；黎新亮从盾构选型及设计方面探讨盾构穿越岩溶区的施工安全控制技术［5］；夏逸敏等基于模糊数学理论对岩溶发育区复合地层的刀具配置进行了研究［6］。
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为适应地铁、铁路、引水等大型工程建设的盾构机需求,我国正大力开展研发、设计和制造具有自主知识产权的国产盾构机的相关工作,掌握盾构机刀盘与围岩的相互作用机理一直是我国盾构行业亟待解决的重要课题。盾构刀盘与围岩的相互作用涉及盘形滚刀破岩力计算,其是确定盾构推力的主要参数,也是计算盾构其它参数的基础。
(5)运用LS-DYNA显式非线性动力分析程序,对盘形滚刀破岩过程进行了有限元仿真,分析了盘形滚刀破岩过程的运动特征、受力变化及岩石破碎过程,得到盘形滚刀与岩石的接触压力分布函数；对刀盘掘进初始侵岩过程进行了有限元仿真,得到刀盘初始侵岩过程有效推力的变化规律及岩体破坏特点。
基于上述背景,本文运用量受力研究。本文的研究成果和主要内容如下：(1)建立了在固定坐标系中盘形滚刀刃工作点的运动方程,运用量纲理论研究了盘形滚刀法向破岩力问题,得到考虑较全因素的法向破岩力计算函数形式,并基于滚刀线性切割试验数据确定了17"盘形滚刀法向破岩力的经验统计回归公式。
同时,在分析盾构荷载的基础上,提出了由盾构机现场掘进总推力反算滚刀法向破岩力的方法与步骤。(2)运用量纲理论研究了盾壳顶部垂直围岩压力问题,得到基于量纲分析的垂直围岩压力计算函数形式,并基于围岩压力量测数据确定了针对Ⅳ类围岩和Ⅴ类围岩的垂直围岩压力计算公式。
(3)针对上软下硬典型复合地层的特点,建立了隧道断面圆软层面积比模型,运用量纲理论对上软下硬复合地层中盾构刀盘受力问题进行了参量分析,建立起刀盘倾覆力矩和不平衡力计算的无量纲函数形式。(4)在盘形滚刀破岩力计算研究基础上,建立了盾构机在上软下硬典型复合地层中掘进时刀盘受力计算相关公式,并采用C语言编制了相应的刀盘受力计算分析程序,对盾构机在上软下硬典型不同组合的复合地层中掘进进行了刀盘受力仿真计算,获得盾构机在复合地层中掘进的一些规律与经验。