盾構(gòu)滾刀布置方法分析與研究

趙雷剛,陳云節(jié),劉發(fā)展

(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司,武漢 430084)

盾構(gòu)滾刀布置方法分析與研究

趙雷剛1,陳云節(jié)2,劉發(fā)展3

(武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司,武漢 430084)

盾構(gòu)施工中直接與土體接觸的刀盤(pán),其上刀具的布置是否合理直接影響盾構(gòu)施工的順利進(jìn)行和施工成本。從盾構(gòu)滾刀布置的基本原則出發(fā),指出盾構(gòu)滾刀刀間距的確定方法,利用等磨損原則分析盾構(gòu)滾刀布置不同半徑上每條軌跡應(yīng)布置的刀具數(shù)量,闡述刀具布置合理性的驗(yàn)證方法,利用實(shí)例驗(yàn)證了利用該方法布置盾構(gòu)滾刀的合理性。

盾構(gòu);滾刀布置;刀間距;受力平衡

作為盾構(gòu)施工中直接與土體接觸的刀盤(pán),其上刀具的布置直接影響盾構(gòu)施工的成敗,同時(shí)也是降低盾構(gòu)掘進(jìn)成本的關(guān)鍵技術(shù)之一。特別是在硬巖掘進(jìn)中破巖滾刀的布置,其布置的合理性直接影響破巖效果。在刀具布置中對(duì)刀盤(pán)性能影響最為關(guān)鍵的參數(shù)分別是刀間距和相位角,合理的刀間距是保證掘進(jìn)機(jī)全斷面切削的必要條件,也是保證滾刀壽命的重要參數(shù),而合理的相位角不僅是平衡刀盤(pán)受力的關(guān)鍵參數(shù),同時(shí)對(duì)刀具切削破巖也有重要的作用。

1 盾構(gòu)滾刀布置原則

盾構(gòu)滾刀布置和數(shù)量調(diào)整應(yīng)從以下幾個(gè)方面考慮[1,2]。

(1)刀間距合理原則。合理的滾刀間距布置應(yīng)使相鄰滾刀之間的巖石能完全被滾刀破碎,即相鄰滾刀的破碎槽能夠相交。由于破碎槽大小與滾刀尺寸、巖石性質(zhì)、推力或切深有關(guān),故刀間距也與以上因素相關(guān)。根據(jù)滾刀破巖試驗(yàn)結(jié)果,一般巖石強(qiáng)度(總硬度)越高,刀間距應(yīng)越小。根據(jù)經(jīng)驗(yàn),對(duì)于17″滾刀,硬巖中最大刀間距一般不宜超過(guò)90mm。

(2)刀具均衡磨損原則。理想的刀具布置是在滿(mǎn)足破巖條件下(刀具破巖圈應(yīng)覆蓋開(kāi)挖面,不留凸起巖脊圈),應(yīng)盡可能使各刀位刀具的磨損量處于均衡狀態(tài),即“等磨損布刀”原則。但由于受最大刀間距的限制,越靠近刀盤(pán)中心,旋轉(zhuǎn)半徑越小,刀具磨損也越小。故只有旋轉(zhuǎn)半徑大于一定值以外的刀盤(pán)區(qū)域才能實(shí)現(xiàn)“等磨損布刀”。

(3)刀盤(pán)受力平衡原則。刀盤(pán)上各刀具水平切削分力(垂直于刀盤(pán)軸心線(xiàn))的合力稱(chēng)為不平衡力。設(shè)計(jì)上不平衡力盡可能小,一般不平衡力與推力之比應(yīng)小于1%。不平衡力太大,掘進(jìn)過(guò)程易產(chǎn)生刀盤(pán)振動(dòng),對(duì)刀盤(pán)主軸承受力不利。降低不平衡力的有效措施是盡可能采用對(duì)稱(chēng)布置刀具。

2 滾刀刀間距的確定

刀間距是滾刀破碎巖石的重要工作參數(shù)。最優(yōu)刀間距S的確定與巖石的物理性質(zhì)和滾刀的切割深度h有關(guān),如圖1所示。

盾構(gòu)滾刀在對(duì)巖石進(jìn)行破巖過(guò)程中,根據(jù)滾刀破巖體積相交程度,可分為破巖區(qū)域不相交、破巖區(qū)域剛好相交和破巖區(qū)域相交,如圖2～圖4所示。

圖1 刀間距與切深

圖2 破巖區(qū)域不相交

圖3所示的是臨界刀間距布置情況,記作臨界刀間距S0

式中,B為滾刀刀刃頂部寬度;h為滾刀切割深度;β為巖石破碎半角,取值如表1所示。

圖3 破巖區(qū)域剛好相交

圖4 破巖區(qū)域相交

表1 一些巖石的自然破碎角

從式(1)可知臨界刀間距與滾刀切割深度和巖石的性質(zhì)(破碎角)有關(guān),在實(shí)際應(yīng)用中,同一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)的刀間距不變,主要通過(guò)改變刀盤(pán)的推力來(lái)適應(yīng)不同的地質(zhì)條件。盾構(gòu)機(jī)滾刀刀間距設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足S＜S[3]。0

3 盾構(gòu)滾刀的布置方法

盾構(gòu)滾刀在復(fù)合盾構(gòu)刀盤(pán)上的布置一般分為3個(gè)區(qū)域,中心區(qū)、正面區(qū)和邊緣區(qū)。3個(gè)區(qū)域的刀具在掘進(jìn)過(guò)程中所起作用不完全相同,刀具布置特點(diǎn)也有區(qū)別,但都遵循盾構(gòu)刀具的布置原則。

3.1 基于等磨損原則的滾刀數(shù)量的確定

根據(jù)盾構(gòu)刀具布置的原則,盾構(gòu)刀具的布置應(yīng)滿(mǎn)足“等磨損原則”,即整個(gè)刀盤(pán)刀具在每個(gè)切削軌跡上磨損量都一致。盾構(gòu)刀具數(shù)量應(yīng)根據(jù)刀具的磨損系數(shù)和掘進(jìn)系數(shù)確定[4]。

(1)刀具磨損系數(shù)

刀具的磨損量受施工法、土質(zhì)、掘進(jìn)距離、刀具形狀、刀具材質(zhì)、推進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速等因素影響。盾構(gòu)滾刀的磨損量可以由如下公式計(jì)算:[5,6]

式中,δ為磨損量,mm;K為磨耗系數(shù),mm/km;r為盾構(gòu)刀具分布半徑,m;nd為刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)速度,r/min;L為掘進(jìn)距離,m;v為掘進(jìn)速度,cm/min。

刀具的實(shí)際磨耗系數(shù)可參考日本公司施工實(shí)際推算

式中,Kn為1條軌跡配置n把刀具的磨耗系數(shù); K=2K*為1條軌跡配置1把滾刀的磨耗系數(shù)[6]。

K*是根據(jù)日本公司盾構(gòu)施工實(shí)踐得到(表2)[7]。

將式(2)代入式(1),即可預(yù)測(cè)刀具的磨損量

其中μ=r/n0.333,c1=πKLnd/5v。對(duì)于給定的某種地質(zhì)狀況,c1是常數(shù)。定義μ為不同半徑上不同刀具的“磨損系數(shù)”,即刀具在給定掘進(jìn)距離L時(shí)磨損量的影響因子[6]。從磨損系數(shù)公式可以看出,當(dāng)給定臨界磨損系數(shù)后則可得出刀具數(shù)量和安裝半徑的關(guān)系曲線(xiàn)(圖5)。

表2 土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)磨耗系數(shù) ×10-3mm/km

圖5 磨損系數(shù)

(2)刀具掘進(jìn)系數(shù)

對(duì)式(1)進(jìn)行變換得到

引入[δ]代替δ,[δ]為限定磨損量,并考慮n把切削刀時(shí)的磨耗系數(shù)Kn的修正作用,得到刀具的許用掘進(jìn)距離[L]的計(jì)算公式

對(duì)于某一確定地質(zhì)狀況,c2是常數(shù)。定義ε為不同半徑上不同刀具的“掘進(jìn)系數(shù)”,即刀具在允許磨損壽命下的掘進(jìn)距離影響因子,其 με=1,所以 ε= n0.333/r[6],當(dāng)給定臨界掘進(jìn)系數(shù)則可得出刀具數(shù)量和安裝半徑的關(guān)系曲線(xiàn)(圖6)。

圖6 掘進(jìn)系數(shù)曲線(xiàn)

(3)不同切削半徑滾刀數(shù)量確定

當(dāng)給定刀具的限定磨損量、施工要求以及掘進(jìn)參數(shù)時(shí),就可以得到相適應(yīng)的臨界磨損系數(shù)和臨界掘進(jìn)系數(shù)。以刀具安裝半徑為橫坐標(biāo),以磨損系數(shù)或者掘進(jìn)系數(shù)為縱坐標(biāo),得到磨損系數(shù)圖和掘進(jìn)系數(shù)圖,通過(guò)磨損系數(shù)圖和掘進(jìn)系數(shù)圖可以確定出不同切削半徑上滿(mǎn)足刀具磨損等壽命原則時(shí)所需要的最少刀具數(shù)量。

3.2 盾構(gòu)滾刀布置曲線(xiàn)

刀具在刀盤(pán)上的布置方法主要有阿基米德螺旋線(xiàn)布置法和同心圓布置法。為保證全斷面開(kāi)挖,目前主要采用阿基米德螺旋線(xiàn)布置法,刀具分散對(duì)稱(chēng)布置在與螺旋線(xiàn)相交的輻條兩側(cè),以滿(mǎn)足盾構(gòu)機(jī)正、反兩個(gè)方向回轉(zhuǎn)的要求,從而達(dá)到布局、結(jié)構(gòu)和負(fù)載的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

(1)阿基米德螺旋線(xiàn)布置法

阿基米德螺旋線(xiàn)定義為:動(dòng)點(diǎn)P沿射線(xiàn)OP以等速率運(yùn)動(dòng)的同時(shí),射線(xiàn)OP繞O點(diǎn)等角速度旋轉(zhuǎn),動(dòng)點(diǎn)P滑過(guò)的軌跡即為阿基米德螺線(xiàn),極坐標(biāo)的描述為

ρ=ρ0+α(θ-θ0) (7)

式中,ρ為極軸;ρ0為極軸初值;α為常系數(shù);θ為極角,(°);θ0為初始相位角,(°)。

螺距Δρ=2πα,在極坐標(biāo)中如圖7所示。

圖7 阿基米德螺線(xiàn)示意

(2)盾構(gòu)滾刀單螺旋布置

根據(jù)等磨損原則確定的刀具數(shù)量,當(dāng)切削半徑小于R1(R1為圖5和圖6中臨界狀態(tài)下不同數(shù)量刀具的分布半徑,其值取圖5和圖6中同刀具數(shù)量曲線(xiàn)下刀具安裝半徑大的值)的區(qū)域,在此區(qū)域每一回轉(zhuǎn)半徑上只需配置1把刀具即可。

盾構(gòu)在根據(jù)所通過(guò)的大體地質(zhì)情況及用戶(hù)需求確定刀盤(pán)基本結(jié)構(gòu)參數(shù)和刀具幾何尺寸后,即可得到螺旋曲線(xiàn)布置的基本計(jì)算輸入條件[8],螺旋線(xiàn)布置曲線(xiàn)參數(shù)包括:盾構(gòu)機(jī)外徑d1,刀盤(pán)切削外徑d2,內(nèi)圈輻條數(shù)目mn,外圈輻條數(shù)目mw,中心刀長(zhǎng)度d3,滾刀刀頭寬度b1。

盾構(gòu)滾刀的數(shù)量(盾構(gòu)單方向回轉(zhuǎn)所需的刀具數(shù)量)的計(jì)算方法為

對(duì)式(8)的計(jì)算結(jié)果取整后為N0把,主切削刀與中心刀重疊量c為

則阿基米德螺線(xiàn)極軸初始值為

由于內(nèi)圈采用mn根輻條布置,所以在一個(gè)圓周范圍內(nèi),mn把寬度為b1的主切削刀所需的最小螺線(xiàn)間距為Δρ=mnb1,得到α=Δρ/2π,代入式(7)就可得到刀具的單螺旋線(xiàn)布置曲線(xiàn)方程。

(3)盾構(gòu)滾刀雙(多)螺旋布置

根據(jù)等磨損原則,沿刀盤(pán)徑向當(dāng)半徑大于R1時(shí),每一切削軌跡布置1把或多把刀具,因而采用雙螺旋或多螺旋進(jìn)行刀具布置[9]。

盾構(gòu)刀具布置過(guò)程中必須考慮盾構(gòu)受力平衡原則,即刀具對(duì)稱(chēng)布置,所以采用多螺旋布置時(shí),各螺旋的初始相位

其中n為螺旋數(shù)。其他參數(shù)與單螺旋計(jì)算相同,每條螺旋螺距大小相等,曲線(xiàn)旋轉(zhuǎn)方向一致,圖8為阿基米德三螺旋線(xiàn)示意。

圖8 阿基米德三螺旋線(xiàn)示意

4 刀盤(pán)受力平衡計(jì)算

在對(duì)盾構(gòu)刀具進(jìn)行布置時(shí),應(yīng)使盾構(gòu)刀盤(pán)受力平衡,即刀盤(pán)不平衡力與推力之比應(yīng)小于1%。

4.1 切削力綜合模型(CSM模型)

目前,對(duì)滾刀破巖性能預(yù)測(cè)模型應(yīng)用最多的是科羅拉多礦業(yè)學(xué)院模型(CSM模型)[10],即

式中,Ft為滾刀所受合力;R為滾刀半徑;T為滾刀刀尖寬度;ψ為刀尖分布系數(shù);φ為滾刀刀刃與巖石接觸角;σc為巖石單軸抗壓強(qiáng)度;σt為巖石抗拉強(qiáng)度; C為無(wú)量綱系數(shù),C≈2.12。

4.2 刀盤(pán)推力

刀盤(pán)推力指推動(dòng)刀具破巖所需的合力,不包括客服盾構(gòu)前進(jìn)的各種摩擦力和土艙土壓產(chǎn)生的反推力。刀盤(pán)推力由每個(gè)滾刀的垂直(法向)推力沿盾構(gòu)機(jī)軸線(xiàn)法向的分力疊加而得

式中,Fp為刀盤(pán)推力;Fni為第i個(gè)刀具的垂直(法向)推力;βi為第i個(gè)刀具法線(xiàn)與盾構(gòu)軸線(xiàn)的夾角;N為刀盤(pán)上的刀具數(shù)量。

4.3 刀盤(pán)不平衡力計(jì)算

刀盤(pán)不平衡力指?jìng)€(gè)刀具水平(切向)切削力和垂直(法向)推力在刀盤(pán)平面上形成的合力,不平衡力大時(shí)容易引起刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生偏心和振動(dòng),對(duì)主軸承壽命產(chǎn)生不利影響,此力越小越好。

式中,θi為第i個(gè)刀具的分布角度;Fu為刀盤(pán)總的不平衡力;Fx為x軸方向的不平衡力;Fy為y軸方向的不平衡力;Fri為第i個(gè)刀具的水平(切向)切削力。

5 實(shí)例計(jì)算

以某城市地鐵2號(hào)線(xiàn)地鐵隧道盾構(gòu)施工選型作為計(jì)算實(shí)例。該標(biāo)段經(jīng)過(guò)黏土、含碎石黏土、石英砂巖、砂巖等地層,根據(jù)盾構(gòu)用戶(hù)的要求,此盾構(gòu)機(jī)需為復(fù)合式,既能在軟土中進(jìn)行施工,同時(shí)也能兼顧硬巖的掘進(jìn)?；谟脩?hù)的需求及地質(zhì)條件,在此設(shè)計(jì)該復(fù)合盾構(gòu)在軟土中掘進(jìn)時(shí)采用先行刀,當(dāng)遇到硬巖時(shí)先行刀更換為滾刀。

刀具條件:滾刀材質(zhì)為E-5,半徑為216mm,刀尖寬度為12mm,刀具限定磨損量[δ]通常允許值定在10～20mm,在此取15mm,刀盤(pán)6根主輻條用于布置滾刀。

施工條件:掘進(jìn)速度v=3.0cm/min,刀盤(pán)回轉(zhuǎn)速度nd=1.6r/min,切深h=15mm,刀盤(pán)工程要求換刀距離L≥2000m。

5.1 滾刀刀間距

根據(jù)地質(zhì)條件和公式(1)計(jì)算得滾刀的臨界刀間距為

在此取巖石的破碎角為136°。為了使?jié)L刀能夠更合理地破巖,取滾刀刀間距(中心滾刀除外)為80mm,中心滾刀和邊緣滾刀刀間距為84mm。

5.2 滾刀數(shù)量及分布確定

由于地質(zhì)中含有巖石及粗砂層,根據(jù)表選用在砂層中能安全掘進(jìn)的E-5材質(zhì)的最大磨耗系數(shù)35μm· km-1,根據(jù)等磨損量原則,結(jié)合地質(zhì)參數(shù),并考慮安全系數(shù)、臨界磨損系數(shù)及臨界掘進(jìn)系數(shù),得到刀盤(pán)上不同半徑區(qū)域r下的滾刀刀具數(shù)量如表3所示。滾刀(中心滾刀除外)采用三螺旋分布,所確定的刀盤(pán)滾刀布置如圖9所示。

表3 不同半徑區(qū)域r下的滾刀刀具數(shù)量 把

圖9 刀盤(pán)滾刀布置

5.3 刀盤(pán)受力平衡分析

根據(jù)刀具切削力綜合模型CSM模型計(jì)算得單個(gè)滾刀的垂直力Fn和水平切削力Fr如圖10所示。

圖10 滾刀垂直力Fn和水平切削力Fr

計(jì)算得刀盤(pán)推力為

不平衡力Fu=53.46kN。

刀盤(pán)不平衡力與推力之比為0.67%。

因此,滾刀的布置能夠滿(mǎn)足盾構(gòu)刀盤(pán)受力平衡。

6 結(jié)論

(1)提出了復(fù)合盾構(gòu)刀具布置的基本原則,包括合理的滾刀間距、刀具掘進(jìn)過(guò)程中的等磨損原則及刀具布置要使刀盤(pán)受力平衡。

(2)分析了滾刀刀間距的確定方法,利用等磨損原理確定了盾構(gòu)滾刀的數(shù)量及布置方法,提出利用刀盤(pán)受力平衡對(duì)刀具布置進(jìn)行驗(yàn)證。

(3)通過(guò)實(shí)例驗(yàn)證了通過(guò)所述方法布置復(fù)合盾構(gòu)滾刀的合理性。

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Analysis and Research on the Arrangement of Disk Cutter of Shield Machine

ZHAO Lei-gang1, CHEN Yun-jie2, LIU Fa-zhan3
(Wuhan Marine Machinery Plant Co. , Ltd. , Wuhan 430084, China)

In a shield machine,the disk cutter in cutter head which always directly contacts with the soil should be reasonably arranged,because the rationality of disk cutter arrangement will have direct impact on the machine performance and the construction cost.Based on the basic principles of disk cutter arrangement of shield machine,the paper proposes the design mode of cutter spacing,analyzes the compute method of cutter quantity in each track of different radius under the equal-wear principle of cutter,expounds the verification method of disk cutter arrangement,and verifies the rationality of disk cutter arrangement of shield machine by this method in combination with actual case.

shield;disk cutter arrangement;cutter spacing;force balance

U455.43

A

1004 -2954(2012)11 -0084 -05

2012 -04 -03

趙雷剛(1980—),男,工學(xué)博士,E-mail:zhaoleigang@ 126.com。