大直徑盾構(gòu)刀盤受力不均分析及對(duì)策研究

韓偉鋒，周建軍，李鳳遠(yuǎn)

(1．盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 471009)

大直徑盾構(gòu)刀盤受力不均分析及對(duì)策研究

韓偉鋒1，2，周建軍1，2，李鳳遠(yuǎn)1，2

(1．盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001；2.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南 洛陽 471009)

為解決大直徑盾構(gòu)刀盤受力不均問題，分析軟硬不均地層刀盤受力模型，提出大直徑盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)改進(jìn)方案。采用增加輔助支撐輪的方法，使大直徑盾構(gòu)刀盤由懸臂狀態(tài)改為簡支狀態(tài)。通過有限元模擬分析對(duì)比改進(jìn)前后的刀盤受力情況，刀盤增加輔助支撐輪后受力效果得到明顯改善。

盾構(gòu)刀盤；受力不均；支撐輪；有限元分析

0 引言

為滿足經(jīng)濟(jì)建設(shè)和生活發(fā)展的需求，地下工程的建設(shè)越來越多。隧道是地下工程最多的一類，涉及鐵路、公路、水利及軍事等多個(gè)領(lǐng)域。隧道的修建正在向著超大斷面(直徑大于12.0 m)與超小斷面(直徑為0.5～3.5 m)方向發(fā)展[1]，目前大盾構(gòu)的斷面直徑已超過15 m。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通流量進(jìn)一步加大，超大斷面隧道的需求會(huì)越來越多。

隨著隧道斷面的增大，特別是在超大直徑過江、跨海隧道施工中，上軟下硬地層最為常見。上面為沉積砂土，而下面為堅(jiān)硬的巖石。由于制造、運(yùn)輸、安裝精度等原因，盾構(gòu)主軸承最大直徑受限，JB/T 2300—1999規(guī)定回轉(zhuǎn)支撐最大直徑不超過4.7 m。一方面為滿足經(jīng)濟(jì)建設(shè)和快速交通的需求，隧道斷面越來越大；另一方面受各種因素限制，盾構(gòu)主軸承直徑不能無限增大[2-6]。因此，地質(zhì)復(fù)雜導(dǎo)致刀盤受力不均和刀盤懸臂過長造成主驅(qū)動(dòng)受力不均而出現(xiàn)密封失效、主軸承損壞等問題是當(dāng)前大直徑盾構(gòu)施工最為核心的問題之一。

目前，針對(duì)大直徑隧道開挖過程中遇到的上軟下硬地層，主要解決辦法有對(duì)軟砂土人工加固方法和對(duì)下層硬巖人工爆破等。軟砂土人工加固方法應(yīng)用范圍非常有限，只能應(yīng)用于水面相對(duì)靜止或者河岸、海岸的邊沿處，而人工硬巖爆破不但成本高，且不符合環(huán)保的要求[7-10]。因此，目前在上軟下硬地層中安全修建隧道尚沒有良好的解決辦法。

本文針對(duì)軟硬不均的復(fù)雜地質(zhì)狀況，通過對(duì)刀盤受力模型分析，從盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)入手，提出解決大直徑盾構(gòu)施工在軟硬不均地層條件下刀盤受力不均的另外一種方法。

1 軟硬不均地層刀盤受力模型分析

在軟硬不均的地層中，特別是穿江越海隧道，隨著直徑的增大，地層軟硬不均現(xiàn)象越明顯。圖1為某項(xiàng)目地層分布圖。圖中紅線為隧道設(shè)計(jì)線路，直徑約12 m，褐色為人工填土層，藍(lán)色為淤泥，黃色為砂土類，橙色為粉質(zhì)黏土，紅色為堅(jiān)硬的花崗巖。在整個(gè)隧道修建過程中，盾構(gòu)將穿越淤泥、淤泥-花崗巖、花崗巖、淤泥-砂土、砂土、砂土-花崗巖、砂土-淤泥-人工填土等各種復(fù)雜多變的地層。特別是在穿越淤泥-花崗巖地層過程中，淤泥地層特別軟，而花崗巖又特別硬，盾構(gòu)刀盤上下受到的反作用力嚴(yán)重不平衡。

圖1 某項(xiàng)目地層分布圖

圖2為盾構(gòu)刀盤在上軟下硬地層掘進(jìn)中的受力示意圖。

圖2 刀盤受力示意圖

主驅(qū)動(dòng)上當(dāng)量傾翻力矩

M上=fL2。

(1)

式中：f為淤泥層對(duì)刀盤的反作用合力；L2為淤泥層對(duì)刀盤側(cè)壓力臂。

主軸承下側(cè)當(dāng)量力矩

M下=FL1。

(2)

式中：F為花崗巖層對(duì)刀盤的反作用合力；L1為花崗巖層對(duì)刀盤側(cè)壓力臂。

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，只有M上≈M下，才能夠保證盾構(gòu)平穩(wěn)掘進(jìn)；如果M上M下,盾構(gòu)容易出現(xiàn)栽頭現(xiàn)象，盾構(gòu)主機(jī)質(zhì)量一般，如果從幾百t到上千t，盾構(gòu)栽頭現(xiàn)象非常難以調(diào)整。從裝備角度分析，無論M上M下，一方面刀盤受力不均導(dǎo)致刀盤過早損壞，刀具偏磨；另一方面，由于刀盤受力不均必然導(dǎo)致主軸承受力不平衡，進(jìn)而導(dǎo)致主軸承密封失效等問題，影響盾構(gòu)正常掘進(jìn)，嚴(yán)重時(shí)要更換主軸承。

隧道直徑增大而主軸承直徑不能按照需求增大，軸承當(dāng)量傾翻力矩就會(huì)變大，刀盤剛度會(huì)變低，同時(shí)軸承的壽命也會(huì)降低。圖3為軸承壽命與軸向不平衡力關(guān)系曲線。由圖可以看出，隨著不平衡力的增加，軸承壽命將會(huì)呈指數(shù)級(jí)下降。

圖3 軸承不平衡力和軸承壽命關(guān)系曲線Fig.3 Curve of unbalanced force on main bearing VS service life of main bearing

2 大直徑盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)改進(jìn)方案

盾構(gòu)刀盤是通過牛腿和法蘭安裝在盾構(gòu)主驅(qū)動(dòng)上，主驅(qū)動(dòng)依靠盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)帶動(dòng)刀盤旋轉(zhuǎn)并向前掘進(jìn)。隨著刀盤直徑的增大，刀盤受到的傾翻力矩和軸向不平衡力逐漸增大。為保證超大直徑盾構(gòu)施工過程中刀盤受力平衡，采用增加輔助支撐輪的方法，使盾構(gòu)刀盤由懸臂狀態(tài)變?yōu)楹喼顟B(tài)，減少超大直徑在軟硬不均地層受到的不平衡負(fù)載。

輔助支撐輪結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由支撐輪和輪座組成。支撐輪通過壓塊和螺栓與輪座固定在一起。支撐輪結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，主要由輪軸、軸承、端蓋、輪體和支撐環(huán)等關(guān)鍵部件組成。由于土倉環(huán)境惡劣，支撐輪必須保證具有良好的密封性能和自轉(zhuǎn)的靈活性，否則將會(huì)損壞軸承。因此，在安裝前須對(duì)支撐輪做密封試驗(yàn)和自轉(zhuǎn)扭矩試驗(yàn)。密封實(shí)驗(yàn)采用充入壓縮空氣，壓力達(dá)到1 MPa，保持15 min而不泄壓為合格；自轉(zhuǎn)扭矩實(shí)驗(yàn)的啟動(dòng)扭矩在10～20 N·m為宜，如果啟動(dòng)扭矩過小，密封就達(dá)不到預(yù)期性能，過大則不利于支撐輪滾動(dòng)，容易造成偏磨。輪座是由耐磨結(jié)構(gòu)鋼焊接而成，兩端帶有2個(gè)鏟子，外側(cè)有耐磨焊層(如圖4(d)所示)，主要防止鏟子過早磨損。輪座兩側(cè)的鏟子主要用于鏟除支撐輪軌道上的渣土，從而保護(hù)支撐輪。

(a)

(b)

(c)

(d)

輔助支撐輪主要通過螺栓和承力環(huán)將輪座與刀盤后面板固定在一起，如圖4所示。刀盤后面板銑有一個(gè)深度約20 mm的溝槽，如4(c)，承力環(huán)放于溝槽內(nèi)，由4顆螺栓固定。輪座放于承力環(huán)內(nèi)側(cè)，由4顆螺栓固定于刀盤后面板。在刀盤旋轉(zhuǎn)過程中對(duì)輪座產(chǎn)生的切向力主要依靠承力環(huán)外側(cè)與刀盤溝槽接觸而產(chǎn)生壓力，相當(dāng)于一個(gè)平鍵。此設(shè)計(jì)保證了所有螺栓只起到固定作用而不受切向力，方便支撐輪的拆卸。

支撐輪在刀盤上的布置如圖5所示。支撐輪分布于刀盤后面板周圍，呈對(duì)稱均布狀態(tài)布置。支撐輪安裝的具體數(shù)量根據(jù)地層實(shí)際情況和刀盤的直徑而定。地層軟硬不均現(xiàn)象越嚴(yán)重，刀盤直徑越大，則支撐輪的數(shù)量相應(yīng)越多。正常情況下，支撐輪隨著刀盤在固定的軌道旋轉(zhuǎn)，但是由于土倉的渣土比較多，容易在軌道上形成泥餅，因此，在輪座的兩側(cè)分別有一個(gè)鏟子，可將軌道上的渣土清除，保證支撐輪完全壓在滾動(dòng)軌道上。

(a)

(b)

通過對(duì)刀盤的改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用有限元模擬分析方法對(duì)改進(jìn)前后的刀盤進(jìn)行受力分析。如圖6為某項(xiàng)目刀盤采用有限元分析技術(shù)分析得到的應(yīng)力-應(yīng)變云圖，刀盤最大應(yīng)力為178 MPa,最大應(yīng)變?yōu)?.64 mm。圖7為增加輔助支撐輪后刀盤的應(yīng)力-應(yīng)變云圖，最大應(yīng)力為28 MPa,最大應(yīng)變?yōu)?.824 mm。從2種情況分析對(duì)比結(jié)果可知，刀盤增加輔助支撐輪后受力效果得到明顯改善。

3 結(jié)論與展望

通過對(duì)超大直徑盾構(gòu)刀盤受力分析研究，提出了增加輔助支撐輪的刀盤改進(jìn)方案。從有限元模擬分析結(jié)果可知，刀盤受力不均現(xiàn)象得到明顯改善。但是針對(duì)超大直徑刀盤在軟硬不均地層施工的技術(shù)難題仍然有很多，如刀具布置對(duì)刀盤受力平衡的影響、快速換刀技術(shù)及刀盤結(jié)泥餅等問題，下一步將針對(duì)這些問題進(jìn)行研究。如果這些問題能夠得到解決，將會(huì)加快目前尚存在一些技術(shù)難題的超大直徑超深埋隧道的修建。

(a)

(b)

(a)

(b)

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南京規(guī)劃21個(gè)過江通道過江方式或?qū)⑹走x隧道長江隧道北京捧得魯班獎(jiǎng)

2013年12月5日，一場大霧使江蘇省部分高速公路封閉，高速公路過江大橋全部封閉。據(jù)悉，潤揚(yáng)大橋早上的能見度只有1 m，一直到11：00左右，過江大橋才開始陸續(xù)開通。巧合的是，在這一天，南京長江隧道在北京捧回了“中國建設(shè)工程魯班獎(jiǎng)(國家優(yōu)質(zhì)工程獎(jiǎng))”，這也是全國建筑行業(yè)工程質(zhì)量的最高榮譽(yù)獎(jiǎng)。南京長江隧道攻克了地質(zhì)條件復(fù)雜、透水性強(qiáng)、覆土超薄和掘進(jìn)距離長等6大世界難題，而且在質(zhì)量上做到了幾萬塊管片拼裝嚴(yán)絲合縫、滴水不漏，這是南京長江隧道成為長江流域唯一獲“魯班獎(jiǎng)”的重要原因。

“南京長江隧道的盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)確保了地鐵10號(hào)線順利過江?！敝袊こ淘涸菏垮X七虎表示，在沒有現(xiàn)成經(jīng)驗(yàn)借鑒的情況下，南京長江隧道施工方開展了近60項(xiàng)課題研究和科技攻關(guān)，填補(bǔ)了地下工程建設(shè)相關(guān)領(lǐng)域的空白，極大地提升了中國水下超大直徑盾構(gòu)隧道的建造水平，也正因此，幾乎是原班人馬負(fù)責(zé)的地鐵10號(hào)線過江盾構(gòu)隧道提前貫通，保證了地鐵10號(hào)線2014年青奧前建成通車。

目前南京地鐵3號(hào)線、10號(hào)線和緯三路過江通道正在建設(shè)中。到2030年，南京過江通道數(shù)量將達(dá)到21個(gè)。根據(jù)《江蘇城鎮(zhèn)體系規(guī)劃(2012—2030)》，除已通車和在建項(xiàng)目，南京還將規(guī)劃建設(shè)梅子洲過江通道、上元門過江通道、龍?zhí)丁獌x征通道、七鄉(xiāng)河過江通道、地鐵4號(hào)線等多個(gè)過江通道。

過江隧道、過江地鐵的開通，將構(gòu)建更為通暢的過江體系。南京長江隧道日均通行量從通車初期的8 000輛/日增長至目前接近5萬輛/日，約占全市日均過江交通流量的20%。隨著南京地鐵過江線的開通，南京江南、江北將實(shí)現(xiàn)更為通暢的過江交通。不過隨著惡劣氣候環(huán)境的增多，新建的過江通道或?qū)⑹走x隧道。

(摘自 隧道網(wǎng) http://www.stec.net/sites/suidao/ConPg.aspx?InfId=0ac88294-a130- 45d3-a54d-115017fb70e2&CtgId=1a93c989-65b4-43ea-8970-a55d46132a5b 2013-12-06)

AnalysisonandCountermeasuresforUnbalancedForcesonCutterheadofLarge-diameterShield

HAN Weifeng1,2,ZHOU Jianjun1,2，LI Fengyuan1,2
(1.StateKeyLaboratoryofShieldMachineandBoringTechnology,Zhengzhou450001,Henan,China; 2.ChinaRailwayTunnelGroupCo.,Ltd.,Luoyang471009,Henan,China)

In heterogeneous ground,the cutterhead of large-diameter shield is subject to unbalanced force.In the paper,the unbalanced force on the cutterhead of large-diameter shield in heterogeneous ground is analyzed and the optimized design of the cutterhead of large-diameter shield is proposed.Ancillary supporting wheels are added to the cutterhead to transfer the cutterhead under cantilever state to that under simple support state.Comparison and contrast is made between the cutterhead before optimization and that after optimization by means of finite element analysis,which proves that the force conditions of cutterhead with supporting wheels added have been greatly improved.

shield; cutterhead; unbalanced force; supporting wheel; finite element analysis

2013-05-10;

2013-06-19

國家國際科技合作專項(xiàng)資助(2011DFB71550)；中鐵隧道集團(tuán)科技創(chuàng)新計(jì)劃(隧研合2012-17)

韓偉鋒(1985—)，男，河南許昌人，2008年畢業(yè)于河南科技大學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)，本科，助理工程師，現(xiàn)從事盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)研究工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.01.013

U 455.3+1

A

1672-741X(2014)01-0078-05