基于數(shù)值模擬的盾構(gòu)機滾刀仿真分析研究

趙雪峰，馬元帥，程 慧，何奇隆

1中國石油管道局工程有限公司第四分公司，河北 廊坊

2中國石油管道局工程有限公司項目管理中心，河北 廊坊

1.工程概況

中國石油管道局工程有限公司(以下簡稱“管道局”) EPC (engineering, procurement, construction)總承包的金陵石化物料穿江工程南京盾構(gòu)隧道工程位于江蘇省南京市境內(nèi)，隸屬于金陵石化物料管道穿江項目。隧道全長2000 m，內(nèi)徑3.08 m，隧道在南京市六合區(qū)玉帶鎮(zhèn)玉帶村與棲霞區(qū)甘家巷金陵石化廠區(qū)內(nèi)之間穿越長江。隧道穿越地層主要為粉細(xì)砂層和中風(fēng)化砂礫巖，其中在粉細(xì)砂層中最高水壓達6.5 bar(1 bar = 0.1 MPa)，水壓之高國內(nèi)罕見，中風(fēng)化砂礫巖巖石單軸抗壓強度為40～70 MPa，圍巖基本質(zhì)量等級為III級。根據(jù)以往盾構(gòu)施工掘進經(jīng)驗，在中風(fēng)化砂礫巖中極易造成刀具磨損，尤其是與開挖掌子面直接接觸的滾刀，但在該水壓條件下，通過以往帶壓進倉更換刀具經(jīng)驗，很難完成刀具更換，即使能夠通過采取相關(guān)措施完成刀具更換，也需付出巨大的工期代價和經(jīng)濟代價。針對上述問題，項目組成員聯(lián)合高校，進行刀具選配分析，并期望通過試驗得到理想的刀具選配方案，但受限于盾構(gòu)刀具模擬實際工況的費用巨大，可操作性差，后提出了根據(jù)以往的刀具磨損數(shù)據(jù)和有限元數(shù)值建模分析，對盾構(gòu)機 M971刀具進行自主優(yōu)化設(shè)計及適應(yīng)性改造，并應(yīng)用到現(xiàn)場。

2.研究方案

針對南京盾構(gòu)隧道工程的地質(zhì)及水文情況，分析各種刀具磨損的原因，重點分析高水壓下砂層、中風(fēng)化砂礫巖等多重復(fù)雜地質(zhì)條件對滾刀耐磨性的影響，根據(jù)海瑞克 AVND3080AH泥水平衡式盾構(gòu)機對滾刀建模，根據(jù)地層參數(shù)進行刀盤、刀具工況數(shù)值模擬，優(yōu)化各部分結(jié)構(gòu)參數(shù)，摸索地層與刀具的本質(zhì)關(guān)系，達到與實際工程所需設(shè)備各項數(shù)據(jù)指標(biāo)基本一致的目的，保證數(shù)值模擬的盾構(gòu)各結(jié)構(gòu)參數(shù)合理準(zhǔn)確；同時進行數(shù)值模擬分析刀具的受力性能，利用有限元軟件模擬各類型刀具在刀盤中的組合方式，優(yōu)化刀具配備種類及組成形式，基于計算機仿真技術(shù)進行刀盤適應(yīng)性改造，結(jié)合具體工況對刀盤、刀具進行數(shù)值模擬，在保證預(yù)期工作周期(壽命)的前提下，給出刀盤配制刀具方案。

3.滾刀結(jié)構(gòu)分析和工作行為分析

3.1.滾刀工作原理

滾刀主要是通過擠壓地層來進行破碎[1]。刀盤旋轉(zhuǎn)并壓入地層的同時，滾刀旋轉(zhuǎn)滾切地層，首先使地層產(chǎn)生彈塑性變形，在滾刀的繼續(xù)作用下，與滾刀接觸部分的地層被擠壓成碎塊，然后碎塊被壓緊，成為傳力介質(zhì)，向周邊地層傳遞壓力使周圍土體形成裂紋，裂紋向兩側(cè)延伸，與相鄰裂紋相交或者延伸至自由面，從而形成碎片，完成地層破碎(圖1)。

Figure 1.The working principle of hob圖1.滾刀工作原理

在松散地層掘進時，采用滾刀布置，主要利用滾刀在地層中貫入度大、有層次切削的特點。在硬巖掘進時，采用滾刀破巖，滾刀破巖的特點是依靠刀具滾動產(chǎn)生沖擊壓碎和剪切碾碎的作用以達到巖石破碎的目的。滾刀的類型、數(shù)量、布置方式、位置、超前量根據(jù)巖石的強度和整體性、掘進距離、含沙量等性質(zhì)確定。滾刀通常分為2種形式：單刃滾刀和雙刃滾刀。單刃滾刀破巖能力較強，主要用于硬巖掘進，可用于巖石地層或軟硬不均地層的巖石破碎，如礫巖、大理石、砂巖、灰?guī)r、花崗巖、玄武巖等地層；雙刃滾刀軟硬巖掘進均可，但其破巖能力不如單刃滾刀，多用于較軟巖層，如斷裂礫巖、砂巖、凝灰?guī)r等地層。針對南京盾構(gòu)隧道工程粉細(xì)砂層水壓大、中風(fēng)化砂礫巖強度高、交界地層軟硬不均等特點，主要選用雙刃滾刀放置在刀盤正刀區(qū)。

3.2.滾刀的壽命計算

滾刀直接作用到地層上，其壽命與磨損量成反比。刀具的磨損量受諸多因素影響，如施工工法、地層類型、掘進長度、刀具形狀、刀具材質(zhì)、推進速度、刀盤轉(zhuǎn)速等[2][3][4][5][6]。結(jié)合以往施工經(jīng)驗，通常盾構(gòu)機刀盤外圈刀具磨損量的計算公式為：

式中：δ為磨損量，mm；K為磨損系數(shù)，mm/km；D為盾構(gòu)機的刀盤外徑，m；N為刀盤的轉(zhuǎn)動速度，r/min；L為盾構(gòu)掘進距離，m；v為盾構(gòu)掘進速度，cm/min。

當(dāng)滾刀磨損達到了限定的磨損量時，即可得到滾刀的壽命。南京盾構(gòu)隧道工程中，地層為粉細(xì)砂層和中風(fēng)化砂礫巖，滾刀磨損量限定為10 mm，掘進速度設(shè)定為v= 5.0 cm/min，刀盤的轉(zhuǎn)動速度N= 2.1 r/min，滾刀的切入深度(即滾刀每轉(zhuǎn)的切入深度)Pe= 2.3 cm/r。將滾刀的磨損量計算公式經(jīng)過變形后可得到滾刀的掘進距離計算公式：

式中：R為滾刀中容易磨損的最外周滾道的安裝半徑，m；λ為滾刀的轉(zhuǎn)動距離壽命(即滾刀達到規(guī)定的磨損量時，掘進開挖面同時轉(zhuǎn)動情況下的可能距離)，km。

將滾刀的工況數(shù)據(jù)代入公式(2)中，求得正滾刀和邊滾刀的掘進距離分別為3293 m和2025 m。通過分析正滾刀和邊滾刀的掘進距離大小，認(rèn)為上述2種滾刀的掘進距離壽命在合理的范圍之類，滿足掘進距離的要求。

滾刀的實際磨耗系數(shù)為：

式中：Kn為滾刀的實際磨耗系數(shù)，10?3mm/km；n為每圓周上滾刀的數(shù)量，個；K為磨損系數(shù)(其值根據(jù)表1進行選擇)，10?3mm/km。

Table 1.The cutter wear coefficient表1.磨損系數(shù)

滾刀壽命計算結(jié)果如表2所示。

Table 2.The hob life calculation data表2.滾刀壽命計算數(shù)據(jù)

3.3.滾刀的受力分析與建模

根據(jù)刀具數(shù)據(jù)創(chuàng)建的滾刀實體模型主要有正面雙刃滾刀和邊滾刀。對于正滾刀和邊滾刀，主要通過有限元分析軟件ABAQUS來進行刀圈在破巖過程中的受力及破壞情況模擬和分析。將滾刀輸入相關(guān)參數(shù)進行建模，通過受力分析可以得到滾刀受力區(qū)的應(yīng)力云圖，可以清楚地看到刀圈的受力區(qū)中每個地方的應(yīng)力狀況。

3.3.1.正面滾刀受力分析與建模

圖2為正面滾刀刀圈受力區(qū)應(yīng)力云圖，可以清楚地看到刀圈的受力區(qū)應(yīng)力最大的地方出現(xiàn)在受力區(qū)沿應(yīng)力方向的最末端處，此處的應(yīng)力大概為180 MPa。由于刀圈的材料為硬質(zhì)合金，抗壓強度為1450 MPa，能夠承受該種情況下的巖石作用力，即該種情況下正面滾刀刀圈的強度滿足要求。

Figure 2.The stress cloud diagram of the force area of the hob ring圖2.正面滾刀刀圈受力區(qū)應(yīng)力云圖

3.3.2.邊滾刀受力分析與建模

邊滾刀的有限元分析屬于彈性力學(xué)范疇內(nèi)，即刀圈與巖石的作用為彈性力學(xué)。通過刀圈變形前、后建模分析，可知刀圈在徑向力和切向力(摩擦力)的雙重作用下，在所取的受力體的地方，刀圈半徑變小了，同時刀圈實體還有向切向力方向移動的跡象。

從邊滾刀刀圈受力區(qū)應(yīng)力云圖(圖3)可以直觀地分析出刀圈的應(yīng)力狀況，最大的應(yīng)力在490～550 MPa之間。由此，根據(jù)刀圈的受力情況，選擇抗拉壓強度均很大的硬質(zhì)合金YG6作為刀圈的材料，它的最大抗壓強度為1450 MPa，抗彎強度為2300 MPa，完全可以滿足邊滾刀刀圈材料的強度要求。

Figure 3.The stress cloud diagram of the force area of the side hob ring圖3.邊滾刀刀圈受力區(qū)應(yīng)力云圖

3.4.滾刀破巖仿真

由于刀具的切削過程是一個動態(tài)過程，所以切削仿真的分析類型選為 Dynmic/Explicit，在保證收斂的情況下盡量減少分析步的時間長度，以提高分析速度[7]。滾刀的整個仿真過程包括3部分：① 分析滾刀在推力的作用下刀尖侵入地層當(dāng)中；② 分析刀圈繞著自身的中心軸自轉(zhuǎn)做純滾動向前滾壓地層；③ 刀圈繞著刀盤做公轉(zhuǎn)運動刮切土體。對于整個仿真過程將其設(shè)置為一個分析步，分析的總時長為0.08 s。

切削過程中滾刀對地層土體的切削力，在仿真中主要表現(xiàn)為滾刀在切削方向上受到的地層對它的反作用力。影響切削力的主要因素包括地層的特性(主要是地層的抗拉壓作用力和摩擦角)、滾刀的切入深度、刀刃角的大小和滾刀刀圈的寬度等等。在地層和滾刀自身條件都確定的情況下，滾刀的切削力很大程度上受切削深度的影響。土體的切削過程分為3個階段：① 切削刃接觸地層，并壓進，產(chǎn)生局部壓碎，形成小的切削，地層土體強度與切削刃的力平衡時，進尺瞬間停止，彈性能儲存在刀刃中，負(fù)荷驟增；② 當(dāng)達到某一水平時又進尺，一部分儲存的彈性能消耗于局部壓碎，之后，負(fù)荷迅速增加但無進尺，土體被切削崩碎，儲存能用于傳播裂紋，該階段主要表現(xiàn)在穩(wěn)定切削過程中；③ 當(dāng)切削刃與地層脫離接觸時，切削力迅速下降。滾刀按照上述階段周而復(fù)始地進行切削掘進工作。

4.結(jié)語

刀具是盾構(gòu)設(shè)備的開挖部件，在不同巖土體條件下，盾構(gòu)刀具也有所不同。復(fù)合式盾構(gòu)機刀具配置及布局規(guī)律的研究涉及到刀具類型選擇、刀具數(shù)量的確定、刀具的整體布局規(guī)律等內(nèi)容。不同類型的刀具適用于不同的地質(zhì)要求，在軟硬巖地層混合的地質(zhì)中經(jīng)常采用不同刀具的組合配置。在南京盾構(gòu)隧道工程中，通過對刀盤運動行為進行分析，利用計算機仿真技術(shù)，通過有限元軟件對刀盤、刀具的各項特性進行科學(xué)的計算及分析，使刀盤、刀具更具有針對性及適用性，開創(chuàng)了長距離不換刀一次性穿越長江的先例，降低了施工成本，保證了施工進度，為后續(xù)工程提供了很好的借鑒經(jīng)驗，并為刀盤、刀具的適應(yīng)性改造提出了很好的研究方向。