復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤開(kāi)口模式設(shè)計(jì)

霍軍周， 周林偉， 朱冬， 張偉， 王偉政， 孫偉

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤開(kāi)口模式設(shè)計(jì)

霍軍周， 周林偉， 朱冬， 張偉， 王偉政， 孫偉

(大連理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中，刀盤開(kāi)口模式直接影響碴土流動(dòng)性，碴土流動(dòng)性能夠保證施工開(kāi)挖面壓力平衡，因此合理的刀盤開(kāi)口模式是保證盾構(gòu)系統(tǒng)內(nèi)部壓力穩(wěn)定和掘進(jìn)安全的關(guān)鍵。本文針對(duì)加入改性材料后具有一定流動(dòng)特性的碴土，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)的方法，研究了不同刀盤開(kāi)口方式對(duì)碴土流動(dòng)性的影響。分別對(duì)比了相同和不同開(kāi)口率下，對(duì)于同一性質(zhì)的流體，盾構(gòu)系統(tǒng)的壓力傳遞情況，得到了系統(tǒng)軸向的壓力分布規(guī)律。針對(duì)不同開(kāi)口率得到了開(kāi)口率大小與壓力傳遞的關(guān)系，針對(duì)相同開(kāi)口率得到了不同開(kāi)口位置與壓力傳遞的關(guān)系，為刀盤開(kāi)口模式的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)；拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；開(kāi)口率；壓力傳遞；計(jì)算流體力學(xué)；盾構(gòu)機(jī)

復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)作為掘進(jìn)復(fù)合巖土地質(zhì)的主要工具，對(duì)其掘進(jìn)性能的研究具有重大意義，尤其在盾構(gòu)刀盤方面的研究是決定盾構(gòu)施工能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵。在以軟土為主的地層中，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，由于很難監(jiān)測(cè)刀盤面板上壓力的變化趨勢(shì)，主要通過(guò)監(jiān)測(cè)壓力艙隔板上的壓力來(lái)反映刀盤面板上壓力的變化趨勢(shì)[1-2]。大多數(shù)學(xué)者都在探尋復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)刀盤開(kāi)口與盾構(gòu)系統(tǒng)壓力傳遞的關(guān)系，采用數(shù)值模擬和試驗(yàn)臺(tái)模擬相結(jié)合的方法。屈福政等[3-5]基于流體力學(xué)的方法對(duì)盾構(gòu)刀盤進(jìn)行仿真分析，建立了盾構(gòu)密封艙動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。胡國(guó)良等[6]基于盾構(gòu)機(jī)模擬試驗(yàn)臺(tái)，研究了同一埋深下同樣地質(zhì)條件下密封艙土壓力隨時(shí)間變化的規(guī)律。徐前衛(wèi)等[7]運(yùn)用相似理論和模型試驗(yàn)的原理研究了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在不同地層下的適應(yīng)性。但由于試驗(yàn)條件有限，不可能多次更改刀盤開(kāi)口方式，并不能完全做到各類開(kāi)口方式的全面研究。本文正是基于此考慮，建立多種不同開(kāi)口模式的刀盤，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)的方法研究刀盤系統(tǒng)壓力與刀盤開(kāi)口模式的關(guān)系。

1 刀盤開(kāi)口設(shè)計(jì)原理和過(guò)程

1.1 典型刀盤拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

四輻條四輻板刀盤模型在國(guó)內(nèi)應(yīng)用比較廣泛，本文將針對(duì)此類刀盤進(jìn)行研究。依據(jù)拓?fù)鋵W(xué)原理，把刀盤盤面上的滾刀、刮刀以及支撐板等零件去除，保留刀盤背面的攪拌棒和牛腿法蘭，便得到了刀盤的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。后續(xù)將以此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，來(lái)對(duì)刀盤開(kāi)口模式進(jìn)行研究。

圖1 典型刀盤拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topological structure of typical cutter head

復(fù)合式盾構(gòu)機(jī)刀盤上安裝有三種刀具，分別是中心刀、正面刀具以及邊滾刀，因此刀盤盤面也對(duì)應(yīng)三大開(kāi)口區(qū)域，分別是中心區(qū)域、正面區(qū)域和周邊區(qū)域[8]，如圖2所示。

圖2 刀盤分區(qū)示意圖Fig.2 The partition of cutter head

1.2 刀盤開(kāi)口模式分析

刀盤開(kāi)口模式分析分為兩種情況，分別是不同開(kāi)口率分析和相同開(kāi)口率分析[9-13]。不同開(kāi)口率分析是指通過(guò)改變刀盤開(kāi)口面積，來(lái)探索不同大小的開(kāi)口率對(duì)刀盤系統(tǒng)壓力傳遞的影響以便設(shè)計(jì)出最合適的刀盤開(kāi)口率。相同開(kāi)口率分析是指在刀盤開(kāi)口面積相同的情況下，通過(guò)改變刀盤的開(kāi)口位置，來(lái)探究其與刀盤系統(tǒng)壓力的關(guān)系，以便設(shè)計(jì)出最合適的開(kāi)口位置。對(duì)刀盤三大開(kāi)口區(qū)域以及是否開(kāi)口進(jìn)行編號(hào)劃分，把中心區(qū)域編號(hào)為1，正面區(qū)域編號(hào)為2，周邊區(qū)域編號(hào)為3，不開(kāi)口的情況編號(hào)為0，開(kāi)口的情況編號(hào)為1。則中心區(qū)域不開(kāi)口的情況表示為10，中心區(qū)域開(kāi)口的情況表示為11，正面區(qū)域不開(kāi)口的情況表示為20，正面區(qū)域開(kāi)口的情況表示為21，周邊區(qū)域不開(kāi)口的情況表示為30，周邊區(qū)域開(kāi)口的情況表示為31。對(duì)上述所有情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸納如表1所示。

表1 刀盤區(qū)域劃分

由典型刀盤結(jié)構(gòu)可以衍生出八種不同開(kāi)口模式刀盤，如圖3所示。這些開(kāi)口模式是根據(jù)三個(gè)區(qū)域不開(kāi)口(有一種位置如圖3(a))，只開(kāi)一個(gè)口(有三種位置如圖3(b)、(c)、(d))，只開(kāi)兩個(gè)口(有三種位置如圖3(e)、(f)、(g))，全部開(kāi)口(有一種位置圖3(h))四種情況生成的。這些開(kāi)口模式是下文研究不定開(kāi)口率和定開(kāi)口率兩種情況的基礎(chǔ)。

為便于對(duì)比，計(jì)算出上述所有刀盤的開(kāi)口率，其中10-20-30開(kāi)口率為24%，10-20-31、10-21-30、11-20-30開(kāi)口率為33%，10-21-31、11-20-31、11-21-30開(kāi)口率為40%，11-21-31開(kāi)口率為49%。

針對(duì)不同開(kāi)口率的情況，需要選擇不同大小開(kāi)口率的刀盤來(lái)進(jìn)行研究。由上文可知有四種不同的開(kāi)口率，因此每種開(kāi)口率選擇一種模式即可達(dá)到要求。這里選擇開(kāi)口率為24%的10-20-30,開(kāi)口率為33%的10-21-30，開(kāi)口率為40%的11-21-30以及開(kāi)口率為49%的11-21-31，這樣開(kāi)口率的變化區(qū)間就是24%～49%。

針對(duì)相同開(kāi)口率的情況，需要選擇開(kāi)口率大小相同，但不同開(kāi)口位置的刀盤來(lái)進(jìn)行研究。此種情況下分別選擇開(kāi)口率為33%的三種開(kāi)口模式(10-20-31、10-21-30、11-20-30)以及開(kāi)口率為40%的三種開(kāi)口模式(10-21-31、11-20-31、11-21-30)來(lái)進(jìn)行研究。

圖3 不同刀盤開(kāi)口模式Fig.3 Different opening modes of cutter head

2 流動(dòng)性仿真分析

Fluent適用于各種復(fù)雜外形的可壓縮不可壓縮流動(dòng)計(jì)算，復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)時(shí)需要對(duì)碴土進(jìn)行改性處理，使碴土具備塑性流動(dòng)狀態(tài)，這種狀態(tài)的碴土表現(xiàn)出一定程度的粘性，可以看做非牛頓流體[14]。非牛頓流體本身不可壓縮，刀盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，流體流過(guò)刀盤屬于非定常流動(dòng)[15-16]，下面是在Fluent中進(jìn)行流動(dòng)性仿真分析。

2.1 刀盤系統(tǒng)模型的建立

刀盤系統(tǒng)模型包括靜止部分和運(yùn)動(dòng)部分，其中靜止部分主要是指盾構(gòu)頭部的盾體，螺旋輸送機(jī)外圍的套筒以及對(duì)刀盤起支撐作用的套筒，運(yùn)動(dòng)部分主要是指做旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)運(yùn)動(dòng)的刀盤以及做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的螺旋葉片[17]，除此以外，盾體內(nèi)部充斥著大量的具有一定粘性的非牛頓流體。刀盤系統(tǒng)幾何模型如圖4所示。

圖4 刀盤系統(tǒng)幾何模型Fig.4 Geometric model of cutterhead system

其中刀盤直徑為6 100 mm，刀盤厚度為450 mm,牛腿分布直徑為3 000 mm，密封艙寬度為1 761 mm，螺旋套筒內(nèi)徑為1 100 mm，螺旋葉片長(zhǎng)度為11 950 mm，螺旋葉片直徑為800 mm，螺桿直徑為175 mm，螺距為1 000 mm，葉片厚為70 mm。

2.2 流體參數(shù)設(shè)置

在Fluent中非牛頓流體的模擬使用的是Bingham流體，流體模型采用Herschel-Bulkley模型[18]，該模型模擬的“塑性流動(dòng)狀態(tài)”的流體性質(zhì)與改良后的碴土最為相似。

查閱相關(guān)地質(zhì)報(bào)告以及文獻(xiàn)[19-20]，得到滿足Herschel-Bulkley本構(gòu)模型的參數(shù)值，其中改性處理后的碴土密度為1 500 kg/m3，靜剪切應(yīng)力為15 000 Pa，屈服黏度為700 Pa·s，稠度指數(shù)為0.7，冪率指數(shù)為1.1，流體剪切速率范圍為103～106 s-1。

2.3 邊界條件設(shè)置

邊界條件設(shè)置主要是對(duì)盾構(gòu)機(jī)實(shí)際工作過(guò)程中的相關(guān)掘進(jìn)參數(shù)以及仿真計(jì)算過(guò)程中相關(guān)計(jì)算方法的設(shè)置，包括以下幾個(gè)方面：

1)刀盤的推進(jìn)速度設(shè)為0.03 m/r，刀盤旋轉(zhuǎn)速度設(shè)為2 r/min，螺旋輸送機(jī)旋轉(zhuǎn)速度設(shè)為9 r/min；

2)入口邊界條件采用速度入口，入口速度設(shè)為0.001 m/s，與刀盤推進(jìn)速度相等，方向從流體入口指向出口，平行于刀盤系統(tǒng)軸線方向；

3)采用壓力出口邊界條件，出口壓力初始值設(shè)為0；

4)流體流動(dòng)形式為Transient(非定常流動(dòng))，時(shí)間離散格式為一階隱式，壓力-速度耦合算法采用PISO；

5)計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)為20，迭代時(shí)間步數(shù)設(shè)為50。

2.4 網(wǎng)格劃分

對(duì)刀盤系統(tǒng)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，統(tǒng)計(jì)出各個(gè)部分的單元和節(jié)點(diǎn)如表2所示。

表2 網(wǎng)格劃分統(tǒng)計(jì)

在后續(xù)仿真研究中，對(duì)于不同開(kāi)口模式的刀盤系統(tǒng)，刀盤網(wǎng)格劃分會(huì)有所差異，其余部分完全相同，這樣可以排除其他變量影響，有利于提高仿真結(jié)果的正確性。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 變開(kāi)口率下的流動(dòng)性分析

沿刀盤系統(tǒng)軸線方向依次選取泥漿入口，刀盤掘進(jìn)界面、刀盤土艙隔板等五個(gè)表面作為后續(xù)分析的壓力觀測(cè)面。為了更直觀地描述每個(gè)觀測(cè)面的壓力情況，定義等效壓力值為

式中：Pequ表示觀測(cè)面的等效壓力值，Pn表示觀測(cè)面上第n個(gè)節(jié)點(diǎn)的壓力數(shù)值，n表示觀測(cè)面內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。分別對(duì)四種不同刀盤開(kāi)口模式的各個(gè)觀測(cè)面進(jìn)行等效壓力值統(tǒng)計(jì)，得到四種開(kāi)口模式下的刀盤系統(tǒng)軸向壓力分布梯度如圖5所示。

圖5 不同開(kāi)口率的刀盤軸向壓力傳遞曲線Fig.5 The axial pressure gradient of different opening rate of the cutter head

為了更好地描述刀盤系統(tǒng)軸向壓力分布情況，引入壓力傳遞系數(shù)α的概念，把刀盤土艙壓力和開(kāi)挖面入口壓力的比值稱作壓力傳遞系數(shù)，它能夠更加直觀地反映刀盤系統(tǒng)壓力傳遞情況。

對(duì)不同刀盤開(kāi)口模式與壓力傳遞系數(shù)之間的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并且對(duì)各個(gè)模式下的軸向壓力傳遞曲線進(jìn)行函數(shù)擬合，統(tǒng)計(jì)出相對(duì)應(yīng)的擬合方程和相關(guān)系數(shù)，如表3所示。

表3 壓力傳遞統(tǒng)計(jì)

從圖5和表3中可看出：隨著開(kāi)口率k的增大，壓力傳遞系數(shù)α也逐漸提高，說(shuō)明開(kāi)口率越大的刀盤壓力傳遞越流暢，刀盤對(duì)壓力傳遞的阻礙越小，壓力的軸向變化越小，從而碴土的流動(dòng)性也越強(qiáng)。

刀盤軸向壓力傳遞曲線都表現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系，擬合出的曲線方程都是二次函數(shù)，并且二次函數(shù)每一項(xiàng)系數(shù)都是同一數(shù)量級(jí)，據(jù)此計(jì)算出的相關(guān)系數(shù)都是處于0.95～1，相關(guān)度非常高，說(shuō)明不同刀盤開(kāi)口模式下的壓力傳遞規(guī)律是相似的，刀盤系統(tǒng)軸線方向的不同位置變化對(duì)壓力數(shù)值的影響較大。

為了更加直觀地比較刀盤開(kāi)口率與壓力傳遞系數(shù)的關(guān)系，將二者數(shù)值一一對(duì)應(yīng)擬合出一條曲線，如圖6所示。

圖6 刀盤開(kāi)口率與壓力傳遞系數(shù)的關(guān)系Fig.6 The relationship between opening rate and pressure transfer coefficient

對(duì)上述關(guān)系通過(guò)插值法進(jìn)行函數(shù)擬合，得到三次函數(shù)關(guān)系如下

α=-0.19+7.98k-19.16k2+15.44k3

由上述刀盤開(kāi)口率與壓力傳遞系數(shù)擬合的三次函數(shù)可知，刀盤開(kāi)口率與壓力傳遞系數(shù)存在著確定的非線性關(guān)系。當(dāng)壓力傳遞系數(shù)無(wú)限接近于1時(shí)，理論上是可以得到一種最優(yōu)的刀盤開(kāi)口率。

3.2 定開(kāi)口率下的流動(dòng)性分析

開(kāi)口率為33%的三種刀盤開(kāi)口模式系統(tǒng)軸向壓力傳遞曲線如圖7所示。

圖7 盾構(gòu)軸向壓力傳遞曲線(開(kāi)口率33%)Fig.7 Shield axial pressure transmission curve (opening rate of 33%)

從圖7中可以看出同一開(kāi)口率不同開(kāi)口位置模式下的系統(tǒng)壓力值并不相同，其中周邊區(qū)域開(kāi)口的刀盤系統(tǒng)壓力最大，中心區(qū)域開(kāi)口的刀盤次之，正面區(qū)域開(kāi)口的刀盤最小。分別計(jì)算出三種模式下的壓力傳遞系數(shù)，并且對(duì)各個(gè)模式下的軸向壓力傳遞曲線進(jìn)行函數(shù)擬合，統(tǒng)計(jì)出相對(duì)應(yīng)的擬合方程和相關(guān)系數(shù)，如表4所示。

表4 壓力傳遞線性統(tǒng)計(jì)Table 4 Linear statistical pressure transmission

根據(jù)表4和圖7可以看出：在相同開(kāi)口率的情況下，周邊區(qū)域開(kāi)口的刀盤壓力傳遞系數(shù)最大，中心區(qū)域開(kāi)口的刀盤壓力傳遞系數(shù)最小，說(shuō)明周邊區(qū)域開(kāi)口的刀盤對(duì)碴土流動(dòng)性阻礙最小，中心區(qū)域開(kāi)口的刀盤最不利于碴土的流動(dòng)。三種刀盤開(kāi)口模式中，壓力傳遞曲線的擬合方程均呈現(xiàn)二次相關(guān)性，且相關(guān)系數(shù)都接近于1，它們都有著近似一致的壓力變化規(guī)律。在開(kāi)口率一定的情況下，要盡可能地增大周邊區(qū)域開(kāi)口面積，減小中心區(qū)域開(kāi)口面積，這樣有利于碴土比較順利地流入土艙內(nèi)部，減少碴土在刀盤前端堆積的數(shù)量，從而保持系統(tǒng)前后壓力的平衡，實(shí)現(xiàn)刀盤掘進(jìn)的有效進(jìn)行。

開(kāi)口率為40%的三種刀盤開(kāi)口模式系統(tǒng)軸向壓力傳遞曲線如圖8所示。

圖8 盾構(gòu)軸向壓力傳遞曲線(開(kāi)口率40%)Fig.8 Shield axial pressure transmission curve (opening rate of 40%)

由壓力傳遞曲線計(jì)算出壓力傳遞系數(shù)，并對(duì)壓力傳遞曲線進(jìn)行函數(shù)擬合以及相關(guān)系數(shù)統(tǒng)計(jì)得到表5。

表5 壓力傳遞統(tǒng)計(jì)Table 5 Pressure propagation statistics

由圖8和表5可知，其分布規(guī)律與開(kāi)口率為33%的刀盤大致相同，但存在一些不同點(diǎn)：

由擬合的曲線函數(shù)以及對(duì)應(yīng)的相關(guān)系數(shù)可以看出，刀盤系統(tǒng)壓力值隨位置的變化關(guān)系更加趨近于二次函數(shù)的變化趨勢(shì)，其中10-21-31型刀盤的相關(guān)系數(shù)更是達(dá)到了0.99，已經(jīng)可以認(rèn)為壓力和位置是完全相關(guān)的，說(shuō)明當(dāng)開(kāi)口率較大時(shí)刀盤系統(tǒng)壓力梯度呈現(xiàn)明顯的二次非線性關(guān)系。

由三種開(kāi)口模式的壓力傳遞系數(shù)可以看出，三種壓力傳遞系數(shù)都很大，而且數(shù)值極其接近，最大數(shù)值差只有0.008，說(shuō)明開(kāi)口率較大時(shí)碴土能夠順利地進(jìn)入土艙內(nèi)部，開(kāi)口位置對(duì)碴土流動(dòng)性的影響較小。

4 結(jié)論

1)刀盤開(kāi)口模式與刀盤系統(tǒng)壓力關(guān)系密切，總體來(lái)說(shuō)，無(wú)論是在不定開(kāi)口率還是定開(kāi)口率下，盾構(gòu)系統(tǒng)沿軸向壓力呈現(xiàn)明顯的遞減趨勢(shì)，但兩種情況下的表現(xiàn)又各不相同。

2)在不定開(kāi)口率的情況下，開(kāi)口率在24%～49%的刀盤，軸向壓力梯度均呈現(xiàn)二次函數(shù)變化，刀盤開(kāi)口率與壓力傳遞系數(shù)呈現(xiàn)三次函數(shù)關(guān)系，據(jù)此可為變開(kāi)口率刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

3)在定開(kāi)口率的情況下，刀盤開(kāi)口率為33%時(shí)，應(yīng)盡量減小刀盤中心開(kāi)口面積，能有效改善土體流動(dòng)性；而刀盤開(kāi)口率為40%時(shí)，開(kāi)口位置對(duì)碴土流動(dòng)性的影響降低，此時(shí)可增加正面和中心開(kāi)口面積以降低該區(qū)域形成泥餅的可能。

本文研究了復(fù)合式盾構(gòu)刀盤開(kāi)口模式與壓力傳遞的關(guān)系，下一步將針對(duì)特定開(kāi)口模式搭建盾構(gòu)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，提取相關(guān)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，使研究結(jié)果更具說(shuō)服力。

[1]中國(guó)土木工程學(xué)會(huì). 2014中國(guó)隧道與地下工程大會(huì)(CT-UC)暨中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)隧道及地下工程分會(huì)第十八屆年會(huì)優(yōu)秀論文匯編[C]. 杭州: 中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)隧道及地下工程分會(huì), 2014. China Civil Engineering Society. 2014 Chinese tunnel and underground engineering conference (CTUC) and tunnel and underground engineering branch of China civil engineering society the 18-th annual conference proceedings good[C]. Hangzhou: China Civil Engineering Society of Tunnel and Underground Engineering Branch, 2014.

[2]李守巨. 盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)壓力控制技術(shù)[M]. 大連: 大連理工大學(xué)出版社, 2011. LI Shouju. Control of pressure in soil chamber in shield tunneling[M]. Dalian: Dalian University of Technology Press, 2011.

[3]劉暢, 孫鐵兵, 孟慶琳, 等. 土壓平衡盾構(gòu)密封艙壓力場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)機(jī)械工程, 2011, 22(1): 19-22, 27. LIU Chang, SUN Tiebing, MENG Qinglin, et al. Design of experimental table for simulating pressure field of working chamber of earth pressure balanced shield[J]. China mechanical engineering, 2011, 22(1): 19-22, 27.

[4]WU Li, QU Fuzheng. Discrete element simulation of mechanical characteristic of conditioned sands in earth pressure balance shield tunneling[J]. Journal of central south university of technology, 2009, 16(6): 1028-1033.

[5]QU Fuzheng, WU Li, SUN Wei. Analysis of chamber pressure for earth pressure balance shield machine by discrete numerical model[C]//Proceedings Second International Conference on Intelligent Robotics and Applications. Berlin Heidelberg, 2009: 402-411.

[6]胡國(guó)良, 龔國(guó)芳, 楊華勇, 等. 盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)模擬試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)集成及試驗(yàn)分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2005, 36(12): 102-105. HU Guoliang, GONG Guofang, YANG Huayong, et al. Hydraulic system integration and experimental analysis of shield tunnelling machine for simulator test rig[J]. Transactions of the Chinese society for agricultural machinery, 2005, 36(12): 102-105.

[7]徐前衛(wèi), 朱合華, 廖少明, 等. 砂土地層盾構(gòu)法施工的地層適應(yīng)性模型試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與土程學(xué)報(bào), 2006, 25(S1): 2902-2909. XU Qianwei, ZHU Hehua, LIAO Shaoming, et al. Model experimental study on stratum adaptability of tunnel excavation with EPB shield machine in sandy stratum[J]. Chinese journal of rock mechanics and engineering, 2006, 25(S1): 2902-2909.

[8]林賚貺. 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤開(kāi)口特性及刀具布置方法研究[D]. 長(zhǎng)沙: 中南大學(xué), 2013. LIN Laikuang. Research on opening characteristic and cutter's layout method of EPB shield cutterhead[D]. Changsha: Central South University, 2013.

[9]虞詩(shī)強(qiáng), 霍軍周, 吳承原, 等. EPB盾構(gòu)機(jī)刀盤開(kāi)口模式與刀盤盤體結(jié)構(gòu)耦合設(shè)計(jì)[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2013(10): 242-245. YU Shiqiang, HUO Junzhou, WU Chengyuan, et al. Coupling design of EPB-TBM cutting wheel opening model and cutting wheel body structure[J]. Machinery design & manufacture, 2013(10): 242-245.

[10]劉書亮. 土壓平衡盾構(gòu)密封艙土體與旋轉(zhuǎn)刀盤的流固耦合分析[D]. 天津: 天津大學(xué), 2010. LIU Shuliang. FSI analysis of the cutterhead and the soil in chamber for EPB shield machine[D]. Tianjin: Tianjin University, 2010.

[11]劉建琴, 郭偉, 黃丙慶, 等. 土壓平衡盾構(gòu)刀盤開(kāi)口率與刀盤前后壓差的關(guān)系[J]. 天津大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 44(8): 659-664. LIU Jianqin, GUO Wei, HUANG Bingqing, et al. Relationship between aperture ratio and fore-and-back pressure of EPB shield cutter head[J]. Journal of Tianjin university, 2011, 44(8): 659-664.

[12]王洪新. 土壓平衡盾構(gòu)刀盤開(kāi)口率選型及其對(duì)地層適應(yīng)性研究[J]. 土木工程學(xué)報(bào), 2010, 43(3): 88-92. WANG Hongxin. Type selection of the head aperture ratio of EPB shield cutterheads and adaptability to stratum characteristics[J]. China civil engineering journal, 2010, 43(3): 88-92.

[13]王洪新. 土壓平衡盾構(gòu)刀盤開(kāi)口率對(duì)土艙壓力的影響[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào), 2012, 8(1): 89-93, 104. WANG Hongxin. Influence of aperture ratio of cutterhead of EPB shield on earth pressure in the chamber[J]. Chinese journal of underground space and engineering, 2012, 8(1): 89-93, 104.

[14]楊玄. 非牛頓流體在旋流器中流動(dòng)特性的數(shù)值模擬[D]. 青島: 中國(guó)石油大學(xué), 2010. YANG Xuan. Numerical simulation of flow characteristics of non-Newtonian fluid in a hydrocyclone[J]. Qingdao: China University of Petroleum, 2010.

[15]郭偉, 胡竟, 王磊, 等. 基于CFD的土壓平衡盾構(gòu)刀盤開(kāi)口分布特征研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2012, 48(17): 144-151. GUO Wei, HU Jing, WANG Lei, et al. Study on the opening distribution characteristics of earth pressure balance shield cutter head based on CFD[J]. Journal of mechanical engineering, 2012, 48(17): 144-151.

[16]胡竟. 基于CFD數(shù)值模擬的盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)分析[D]. 天津: 天津大學(xué), 2012. HU Jing. The numerical simulation of earth pressure balance shield cutter head design based on CFD[D]. Tianjin: Tianjin University, 2012.

[17]孟慶琳. 盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)承壓輸送機(jī)理研究及控制中的應(yīng)用[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2012. MENG Qinglin. Research and application in control of conveying mechanism of screw conveyor under pressure of EPB shield[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2012.

[18]章敏, 王星華, 汪優(yōu). Herschel-Bulkley漿液在裂隙中的擴(kuò)散規(guī)律研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2011, 33(5): 815-820. ZHANG Min, WANG Xinghua, WANG You. Diffusion of Herschel-Bulkley slurry in fractures[J]. Chinese journal of geotechnical engineering, 2011, 33(5): 815-820.

[19]楊洪杰, 傅德明, 葛修潤(rùn). 盾構(gòu)周圍土壓力的試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2006, 25(8): 1652-1657. YANG Hongjie, FU Deming, GE Xiurun. Experimental study and numerical simulation of earth pressure around shield machine[J]. Chinese journal of rock mechanics and engineering, 2006, 25(8): 1652-1657.

[20]ROSTAMI J. Study of pressure distribution within the crushed zone in the contact area between rock and disc cutters[J]. International journal of rock mechanics and mining sciences, 2013, 57: 172-186.

Cutterhead opening mode design of a composite earth pressure balance shield machine

HUO Junzhou, ZHOU Linwei, ZHU Dong, ZHANG Wei, WANG Weizheng, SUN Wei

(School of Mechanical Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

When a composite earth pressure balance shield machine is tunneling, the cutterhead opening mode will directly affect the liquidity of muck. The liquidity of muck can guarantee the pressure balance of an excavating surface. Therefore, a reasonable cutterhead opening mode is the key to ensuring the internal pressure stability of shield system and tunneling safety. The muck could get some liquidity when modified materials were added to it. This paper studied the influence of different cutterhead opening modes on the liquidity of muck by computational fluid dynamics. For fluids of the same nature, the pressure transmission of a shield system under the same and different opening ratios was studied. Then the axial pressure distribution was obtained. The relationship between opening ratio and pressure transmission under different opening ratios, and the relationship between different opening positions and pressure transmission under the same opening ratio were obtained. These results provide the basis for the structure design of the cutterhead opening mode.

composite earth pressure balance shield machine; topological structure; opening ratio; pressure transmission; computational fluid dynamics; shield machine

2016-03-20.

日期：2017-01-11.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51375001)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2013CB035400)；遼寧省科學(xué)技術(shù)計(jì)劃重大項(xiàng)目(2015106016)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)專項(xiàng)課題(DUT16QY11).

霍軍周(1979-), 男, 副教授, 博士生導(dǎo)師.

霍軍周，E-mail: huojunzhou@dlut.edu.cn.

10.11990/jheu.201603020

TP391.75

A

1006-7043(2017)03-0433-07

霍軍周， 周林偉， 朱冬，等. 復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)刀盤開(kāi)口模式設(shè)計(jì)[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào), 2017, 38(3):433-439.

HUO Junzhou, ZHOU Linwei, ZHU Dong，et al. Cutterhead opening mode design of a composite earth pressure balance shield machine[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2017, 38(3):433-439.

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