盾構(gòu)刀盤異常工況下的力學分析

范 宜，趙德成，韋 丹，付飛達FAN Yi, ZHAO De-cheng, WEI Dan, FU Fei-da（北方重工集團有限公司 盾構(gòu)機分公司，遼寧 沈陽 110041）

盾構(gòu)刀盤異常工況下的力學分析

范 宜，趙德成，韋 丹，付飛達
FAN Yi, ZHAO De-cheng, WEI Dan, FU Fei-da
（北方重工集團有限公司 盾構(gòu)機分公司，遼寧 沈陽 110041）

[摘 要]介紹了上軟下硬復合地層條件下，盾構(gòu)刀盤發(fā)生較大的軸向變形，引起刀盤失效。對刀盤中心區(qū)域滾刀卡死的情況下，進行強度和剛度的有限元分析，同時考慮不同的載荷比例系數(shù)。最后，通過受力分析結(jié)果，給出了刀盤最大等效應(yīng)力與載荷系數(shù)關(guān)系曲線。從該曲線上可以直觀地看到異常工況下刀盤載荷和應(yīng)力的關(guān)系，分析結(jié)果表明在何種狀況下刀盤會發(fā)生失效。

[關(guān)鍵詞]盾構(gòu)刀盤；有限元分析；異常工況

莞惠城際軌道某標段刀盤為復合式EPB刀盤，直徑為?8.8m（圖1）。該標段地質(zhì)情況復雜。隧道主要在全斷面弱風化W2和中風化W3混合片麻圍巖中穿過，覆土自下而上依次為：W2弱風化混合片麻巖，W3強風化混合片麻巖，W4全風化混合片麻巖，粉質(zhì)粘土等。這是一種典型的上軟下硬地層。

圖1 刀盤模型圖

在實際施工中，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)十分復雜以及對盾構(gòu)的操作經(jīng)驗缺少，刀盤遇到了問題。在盾構(gòu)掘進至200環(huán)時刀盤中心區(qū)域發(fā)生結(jié)泥餅現(xiàn)象，該區(qū)域內(nèi)滾刀完全抱死不轉(zhuǎn)，安裝滾刀的梁結(jié)構(gòu)發(fā)生變形，引起刀盤盤面向內(nèi)凹陷，中心區(qū)的梁結(jié)構(gòu)軸向變形最大約為60mm，并且在中度風化巖層中掘進效率不高。針對這種狀況，對刀盤進行了異常工況下強度和變形的分析。

在異常工況下進行刀盤的分析與校核，首先應(yīng)考察引起刀盤載荷不均勻的主要影響因素。顯然，刀盤載荷的不均勻程度主要與中心區(qū)域卡死滾刀數(shù)量及位置有關(guān)，而這些因素在刀盤靜力學分析主要體現(xiàn)為卡死滾刀區(qū)域的大小和作用在該區(qū)域載荷如何確定。為量化描述這一問題，做如下設(shè)定：①中心區(qū)域所有滾刀卡死—整個中心區(qū)域完全被泥餅堵塞，所有中心區(qū)域滾刀均處于卡死狀態(tài)；②定義載荷比例系數(shù)i—中心區(qū)域軸向載荷占總軸向載荷的比例。

根據(jù)上述分析，考慮所有中心區(qū)域滾刀卡死的情況，分析刀盤承載不均勻性對刀盤結(jié)構(gòu)強度的影響，定義載荷比例系數(shù)i為0.6、0.7和0.8。采用的校核方法是：1倍極限載荷下設(shè)定許用應(yīng)力極限為[σs]/1.5＝230MPa。

1 異常工況下刀盤靜力分析與校核的加載方案

滾刀卡死被卡死或偏磨時，所受摩擦力和正壓力將高于正常工作情況。而其他為卡死滾刀仍假設(shè)為均勻承載。當卡死滾刀數(shù)量增加時，刀盤載荷的不均勻程度也將提高?？紤]極限情況，即中心區(qū)域所有滾刀均被卡死，此時若未及時采取措施，刀盤中心區(qū)域承載比例將大幅提高，從而引起刀盤的強度失效?；谠摷僭O(shè)，建立如圖2的加載方案：在中心區(qū)域盤面上均勻施加軸向載荷，周邊區(qū)域在每把滾刀上施加軸向載荷，扭矩在刀盤盤面均勻加載。

圖2 中心區(qū)域所有滾刀卡死工況

2 異常工況下的刀盤靜力學分析與校核

2.1 i＝60%時的靜力學分析結(jié)果

圖3為刀盤整體應(yīng)力分布。同時為清晰顯示刀盤應(yīng)力分布，并忽略焊縫區(qū)域計算誤差的影響，給出了盤體主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖，如圖4所示。

計算結(jié)果表明：該工況下刀盤件中產(chǎn)生的最大應(yīng)力約為423.16MPa(圖3)，出現(xiàn)在盤面主梁、側(cè)梁與刀盤支撐筋的交匯處，該計算結(jié)果包含焊縫區(qū)域未處理造成的計算誤差，因此不予考慮。盤體主梁結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力約為211.28MPa(圖4)，同樣盤面主梁、側(cè)梁與刀盤支撐筋的交匯處盤體正面，計算結(jié)果小于材料的許用應(yīng)力極限（取安全系數(shù)1.5，刀盤盤體材料Q345b的許用應(yīng)力為230Mpa，）。該工況下刀盤盤體的結(jié)構(gòu)強度滿足設(shè)計要求。

圖5為刀盤總體變形量云圖，圖中所示刀盤的最大變形量為3.629mm，發(fā)生在安置中心刀的主梁中心區(qū)域。從該主梁的支撐部位到刀盤邊緣，變形量是呈逐漸增加的趨勢，兩個支撐部位到刀盤中心，變形量也是呈逐漸增加的趨勢。由圖6可知，刀盤Z方向（刀盤軸向力方向）的最大變形量為3.629mm，可以看出刀盤的Z方向變形的趨勢與大小均與總體變形相接近。

圖3 總體應(yīng)力分布云圖(i=60%)

圖4 盤體主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖(i=60%)

圖5 總體變形量云圖(i=60%)

圖6 Z方向變形云圖(i=60%)

綜上所述，刀盤在該工況下最大等效應(yīng)力（不包含焊接區(qū)域的應(yīng)力集中）為211.28MPa，滿足結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要求；最大變形為3.629mm，滿足結(jié)構(gòu)剛度滿足。

2.2 i＝70%時的靜力學分析結(jié)果

圖7為刀盤整體應(yīng)力分布。同時為清晰顯示刀盤應(yīng)力分布，并忽略焊縫區(qū)域計算誤差的影響，給出了盤體主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖如圖8所示。

圖7 總體應(yīng)力分布云圖(i=70%)

圖8 盤體主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖(i=70%)

計算結(jié)果表明：該工況下刀盤件中產(chǎn)生的最大應(yīng)力約為509.13MPa(圖7)，出現(xiàn)在盤面主梁、側(cè)梁與刀盤支撐筋的交匯處，該計算結(jié)果包含焊縫區(qū)域未處理造成的計算誤差，因此不予考慮。盤體主梁結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力約266.08MPa(圖8)，同樣盤面主梁、側(cè)梁與刀盤支撐筋的交匯處盤體正面，計算結(jié)果大于材料的許用應(yīng)力極限（取安全系數(shù)1.5，刀盤盤體材料Q345B的許用應(yīng)力為230MPa）。該工況下刀盤盤體的結(jié)構(gòu)強度不滿足設(shè)計要求。

圖9為刀盤總體變形量云圖，圖中所示刀盤的最大變形量為4.4752mm，發(fā)生在安置中心刀的主梁中心。從該主梁的支撐部位到刀盤邊緣，變形量是呈逐漸增加的趨勢，兩個支撐部位到刀盤中心，變形量也是呈逐漸增加的趨勢。由圖10可知，刀盤Z方向（刀盤軸向力方向）的最大變形量為4.4745mm，可以看出刀盤的Z方向變形的趨勢與大小均與總體變形相接近。

圖9 總體變形云圖(i=70%)

圖10 Z方向變形云圖(i=70%)

綜上所述，刀盤在該工況下最大等效應(yīng)力（不包含焊接區(qū)域的應(yīng)力集中）為266.08MPa，不滿足結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要求；最大變形為4.4752mm，滿足結(jié)構(gòu)剛度滿足。

2.3 i＝80%時的靜力學分析結(jié)果

圖11為刀盤整體應(yīng)力分布。同時為清晰顯示刀盤應(yīng)力分布，并忽略焊縫區(qū)域計算誤差的影響，給出了盤體主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖，如圖12所示。

圖11 總體應(yīng)力分布云圖(i=80%)

圖12 盤體主梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布云圖(i=80%)

計算結(jié)果表明：該工況下刀盤件中產(chǎn)生的最大應(yīng)力約為595.27MPa(圖11)，出現(xiàn)在盤面主梁、側(cè)梁與刀盤支撐筋的交匯處，該計算結(jié)果包含焊縫區(qū)域未處理造成的計算誤差，因此不予考慮。盤體主梁結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力約322.25MPa(圖12)，同樣盤面主梁、側(cè)梁與刀盤支撐筋的交匯處盤體正面，計算結(jié)果大于材料的許用應(yīng)力極限（取安全系數(shù)1.5，刀盤盤體材料Q345b的許用應(yīng)力為230MPa）。該工況下刀盤盤體的結(jié)構(gòu)強度不滿足設(shè)計要求。

圖13所示刀盤的最大變形量為5.3212mm，發(fā)生在安置中心刀的主梁中心。從該主梁的支撐部位到刀盤邊緣，變形量是呈逐漸增加的趨勢，兩個支撐部位到刀盤中心，變形量也是呈逐漸增加的趨勢。

由圖14可知，刀盤Z方向（刀盤軸向力方向）的最大變形量為5.3201mm，可以看出刀盤的Z方向變形的趨勢與大小均與總體變形相接近。

綜上所述，刀盤在該工況下最大等效應(yīng)力（不包含焊接區(qū)域的應(yīng)力集中）為322.25MPa，不滿足結(jié)構(gòu)強度設(shè)計要求；最大變形為5.3212mm，不滿足結(jié)構(gòu)剛度滿足。

圖13 總體變形云圖(i=80%)

圖14 Z方向變形云圖(i=80%)

3 結(jié) 論

圖15 刀盤最大等效應(yīng)力與載荷系數(shù)關(guān)系曲線

表1 中心區(qū)域所有滾刀卡死工況的計算結(jié)果

中心區(qū)域所有滾刀卡死的異常工況下刀盤靜力學分析的結(jié)果經(jīng)整理，如表1所示。根據(jù)表1的數(shù)據(jù)，建立該異常工況下刀盤最大等效應(yīng)力與載荷系數(shù)i（中心區(qū)域軸向載荷與總軸向載荷之比)的關(guān)系曲線，如圖15所示。可計算得，在中心區(qū)全部滾刀卡死時，中心區(qū)域可承受的最大軸向載荷為12 130kN（i＝0.63)；曲線表達了異常工況下刀盤載荷與應(yīng)力的關(guān)系，刀盤中心區(qū)域載荷與總載荷之比超過屈服極限時，將引起刀盤的強度失效，施工中若未做及時處理，最終可導致刀盤發(fā)生永久變形。刀盤正常工作（設(shè)各滾刀均載）中，中心區(qū)域所有滾刀受力占總載荷的44%（i＝0.44)，中心刀受力占總載荷的24%（i＝0.24)。與許用應(yīng)力極限時的載荷系數(shù)相比較可知：中心區(qū)域所有滾刀卡死時，該區(qū)域受力超過正常推進極限載荷的1.5倍，將引起刀盤的強度失效。

[參考文獻]

[1] 張 茜．彈性接觸力學模型及其在盾構(gòu)刀盤系統(tǒng)載荷研究中應(yīng)用[D]．天津：天津大學，2009.

[2] 余 力．盾構(gòu)刀盤結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析[D]．武漢：武漢理工大學，2013.

[3] 陳 饋，蘇翠俠，王燕群．盾構(gòu)刀盤的有限元參數(shù)化建模及其分析[J]．建筑機械化，2010，(12)：57-60.

（編輯 張海霞）

［中圖分類號］TU621

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)03-0059-05

［收稿日期］2015-01-12

Mechanical analysis of shield cutter head tools under abnormal condition