盾構(gòu)刀盤(pán)再制造設(shè)計(jì)及數(shù)值模擬

高世琛 李帥遠(yuǎn) 李書(shū)敖 謝勇軍 沈 翔

(1．盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南450001；2．中國(guó)中鐵隧道股份有限公司，河南450001； 3．深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院，廣東440305)

盾構(gòu)再制造是基于舊盾構(gòu)設(shè)備資源循環(huán)利用的制造模式，采用新材料、新技術(shù)、新工藝對(duì)舊盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行修復(fù)和改造，其功能、性能、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)及安全特性不低于原型盾構(gòu)[1]。截至2019年底，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)盾構(gòu)機(jī)保有量已超過(guò)2500臺(tái)套，然而我國(guó)盾構(gòu)再制造產(chǎn)業(yè)尚處于規(guī)劃發(fā)展階段，盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)廠家主要以制造銷(xiāo)售新機(jī)、舊盾構(gòu)機(jī)更換零件翻新為主，對(duì)盾構(gòu)機(jī)再制造研究較少。盾構(gòu)機(jī)再制造研究仍存在一些問(wèn)題和挑戰(zhàn)[2]。

盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)工作的主要部件，在盾構(gòu)機(jī)工作中占據(jù)主要成本，刀盤(pán)的地質(zhì)適應(yīng)能力決定著隧道施工的效率。刀盤(pán)再制造是盾構(gòu)再制造的重點(diǎn)，結(jié)合刀盤(pán)施工地質(zhì)條件對(duì)舊刀盤(pán)進(jìn)行改造和修復(fù)，使其結(jié)構(gòu)形式、開(kāi)口率、刀具選用和布置盡量最佳?，F(xiàn)以長(zhǎng)沙地鐵某施工路段盾構(gòu)機(jī)經(jīng)再制造應(yīng)用于南寧地鐵某施工路段為例，對(duì)長(zhǎng)沙地鐵某施工路段盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)進(jìn)行再制造設(shè)計(jì)，用數(shù)值模擬對(duì)再制造刀盤(pán)進(jìn)行可靠性驗(yàn)證，驗(yàn)證再制造方案的可行性。再制造盾構(gòu)機(jī)與全新盾構(gòu)機(jī)相比具有制造周期段，經(jīng)濟(jì)性高的優(yōu)勢(shì)，能提高盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)利用率[3]。

1 刀盤(pán)再制造設(shè)計(jì)

盾構(gòu)機(jī)在施工過(guò)程中，由于地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變，刀盤(pán)易承受高沖擊和重載荷，刀具和刀盤(pán)易出現(xiàn)磨損、變形和裂紋等損傷。刀盤(pán)再制造流程見(jiàn)圖1。

圖1 刀盤(pán)再制造流程Figure 1 Cutter remanufacturing flow

刀盤(pán)拆解后對(duì)刀盤(pán)各零件進(jìn)行剩余壽命評(píng)估和失效機(jī)理分析，通過(guò)分析測(cè)量數(shù)據(jù)并結(jié)合再制造刀盤(pán)施工地質(zhì)條件，通過(guò)焊接堆焊、表面處理、機(jī)械加工等技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)刀盤(pán)再制造。

對(duì)于刀盤(pán)常見(jiàn)磨損失效，常采用耐磨藥芯焊絲，利用CO2氣體保護(hù)堆焊技術(shù)修復(fù)刀盤(pán)，修復(fù)后刀盤(pán)應(yīng)力與變形均得以改善。

對(duì)于刀盤(pán)嚴(yán)重磨損和大變形損傷，常采用圖2所示刀盤(pán)修復(fù)方案。需要對(duì)磨損或大變形區(qū)域進(jìn)行尺寸測(cè)量、打磨或切割修整、焊接修復(fù)，焊接刀盤(pán)本體結(jié)構(gòu)零件時(shí)，需考慮零件焊接順序。

圖2 刀盤(pán)修復(fù)方案Figure 2 Cutter repairing scheme

2 刀盤(pán)再制造設(shè)計(jì)

2.1 南寧地鐵某施工路段地質(zhì)條件

長(zhǎng)沙地鐵盾構(gòu)機(jī)如圖3所示。根據(jù)標(biāo)段巖土勘察報(bào)告，施工隧道穿越地層主要為粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖等，地下水類(lèi)型主要為上層滯水、潛水、承壓水，和長(zhǎng)沙地鐵施工某路段地質(zhì)條件相比地質(zhì)較軟，含水量相對(duì)豐富。

圖3 長(zhǎng)沙地鐵盾構(gòu)機(jī)Figure 3 Shield machine used for Changsha subway engineering

2.2 再制造刀盤(pán)方案

結(jié)合南寧某地鐵施工路段的地質(zhì)特性，盾構(gòu)刀盤(pán)采用四主梁結(jié)構(gòu)形式，刀盤(pán)結(jié)構(gòu)件整體尺寸和長(zhǎng)沙施工路段盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)尺寸相同，在長(zhǎng)沙地鐵某施工路段盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)設(shè)計(jì)方案基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)，長(zhǎng)沙地鐵盾構(gòu)設(shè)計(jì)方案和再制造盾構(gòu)刀盤(pán)設(shè)計(jì)方案如圖4和圖5所示。

圖4 長(zhǎng)沙施工路段盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)設(shè)計(jì)方案Figure 4 Design scheme of shield machine cutter for Changsha engineering

圖5 再制造刀盤(pán)設(shè)計(jì)方案Figure 5 Remanufacturing cutter design scheme

根據(jù)南寧地鐵某施工路段盾構(gòu)機(jī)的適應(yīng)性要求，考慮到盾構(gòu)始發(fā)及接收過(guò)程中要承受較大載荷，選取玻璃纖維筋圍護(hù)樁和加固素樁。為滿足南寧地鐵施工要求，對(duì)應(yīng)用于南寧地鐵的再制造盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)方案如下：

(1)中心刀：將中心雙聯(lián)滾刀更換為中心可更換式魚(yú)尾刀，中心雙聯(lián)滾刀和中心魚(yú)尾刀如圖6所示。中心魚(yú)尾刀適合在南寧地質(zhì)中掘進(jìn)，超前400 mm左右，保證魚(yú)尾刀最先切削土體；魚(yú)尾刀根部設(shè)計(jì)成錐形，使刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)隨魚(yú)尾刀切削下來(lái)的土體，在切向、徑向運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，又增加一項(xiàng)翻轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如此以來(lái)既可解決中心部分土體的切削問(wèn)題和改善切削土體的流動(dòng)性，又提高了整體掘進(jìn)水平。

圖6 中心刀Figure 6 Center tool

(2)焊接撕裂刀：再制造刀盤(pán)設(shè)計(jì)中，在長(zhǎng)沙盾構(gòu)刀盤(pán)基礎(chǔ)上，將20把正滾刀所在位置同軌跡布置20把正面可更換撕裂刀。

(3)泡沫口位置：南寧再制造刀盤(pán)中設(shè)置六個(gè)泡沫口(其中1個(gè)備用)，同時(shí)留出一個(gè)泡沫口，可以在有泡沫口堵塞的情況下使用，提高掘進(jìn)效率。根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)的需要可自由切換注入膨潤(rùn)土或泡沫，每路為單管單泵配置。該盾構(gòu)改良系統(tǒng)對(duì)切削下來(lái)的渣土具有較強(qiáng)的改良能力，能有效防止刀盤(pán)結(jié)泥餅。

(4)耐磨板：為增強(qiáng)刀盤(pán)的強(qiáng)度和耐磨性，本次再制造刀盤(pán)對(duì)磨損較嚴(yán)重的長(zhǎng)沙刀盤(pán)表面耐磨板、刀盤(pán)外圈耐磨條(3道)及耐磨釘進(jìn)行全部更換，并將其中刀盤(pán)錐面耐磨板由450HBW名義硬度材料升級(jí)為整環(huán)合金耐磨復(fù)合鋼板。

再制造刀盤(pán)組裝過(guò)程的重點(diǎn)工藝是關(guān)鍵尺寸檢測(cè)和重要部件性能試驗(yàn)。刀盤(pán)關(guān)鍵尺寸包括刀刃軌跡分布半徑、刀具刃高、刀盤(pán)結(jié)構(gòu)直徑、刀盤(pán)開(kāi)挖直徑(理論/實(shí)際)、耐磨層厚度等。原刀盤(pán)和再制造刀盤(pán)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 刀盤(pán)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of cutter

3 刀盤(pán)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)計(jì)

根據(jù)國(guó)外盾構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，刀盤(pán)扭矩可按刀盤(pán)扭矩經(jīng)驗(yàn)公式估算。

T=KaD3

式中，Ka為刀盤(pán)扭矩系數(shù)，Ka=14～23；D為刀盤(pán)直徑。刀盤(pán)驅(qū)動(dòng)扭矩應(yīng)有一定的富余量，扭矩儲(chǔ)備系數(shù)一般為1.5～2。在南寧某施工路段盾構(gòu)配置8組液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，采用開(kāi)式液壓回路，額定扭矩為6000 kN·m。

盾構(gòu)機(jī)在正面掘進(jìn)過(guò)程中，刀盤(pán)主要承受正面推進(jìn)阻力和刀具推力作用，刀具推力可以參考南寧施工路段中刀具受力情況進(jìn)行預(yù)估[4]。根據(jù)刀盤(pán)參數(shù)及標(biāo)段巖土勘察報(bào)告中的相關(guān)參數(shù)，刀盤(pán)正面推進(jìn)阻力F為：

F=πD2(1-α0)KHcγ/4

式中，K為側(cè)向土壓力系數(shù)；D為刀盤(pán)直徑；γ為土體的重度，單位為kN/m3；Hc為地面到盾構(gòu)掘進(jìn)軸線的距離，單位為m。設(shè)計(jì)刀盤(pán)掘進(jìn)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 刀盤(pán)掘進(jìn)參數(shù)Table 2 Tunnelling parameters of cutter

4 刀盤(pán)數(shù)值模擬

4.1 再制造刀盤(pán)模型建立

由于盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且造價(jià)昂貴，同時(shí)制作新刀盤(pán)工期較長(zhǎng)。為檢驗(yàn)刀盤(pán)再制造方案的可靠性，結(jié)合再制造刀盤(pán)設(shè)計(jì)方案，在SolidWorks軟件中建立再制造方案中的刀盤(pán)三維實(shí)體模型，為簡(jiǎn)化計(jì)算對(duì)仿真結(jié)果影響不大的結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。結(jié)合有限元軟件驗(yàn)證再制造刀盤(pán)結(jié)構(gòu)可靠性。刀盤(pán)材料為Q345B，具體材料參數(shù)見(jiàn)表3[5]。

表3 刀盤(pán)材料參數(shù)Table 3 Material parameters of cutter

4.2 刀盤(pán)工況

結(jié)合對(duì)復(fù)合式刀盤(pán)承載工況研究，刀盤(pán)相關(guān)分析主要以粉砂巖地質(zhì)條件下施工中三種典型工況為主。

(1)正常工況：隧道施工在掘進(jìn)過(guò)程困難路段，以正常推力和扭矩施工，刀盤(pán)主要承受正面推力、扭矩和覆土壓力。

(2)靜啟動(dòng)脫困工況：在隧道施工過(guò)程中，可能會(huì)遇到一些堵轉(zhuǎn)，刀盤(pán)后退會(huì)遇到困難，此時(shí)盾構(gòu)機(jī)就需要通過(guò)加大扭矩來(lái)脫困。通過(guò)重新啟動(dòng)盾構(gòu)機(jī)，使盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)扭矩加大到最大扭矩。這種工況為扭矩最大的工況，受力面為刀盤(pán)前面板和側(cè)圓周。

(3)最大推力工況：在隧道即將被掘穿時(shí)，為保持出洞口結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性避免坍塌，通常會(huì)操作盾構(gòu)機(jī)使刀盤(pán)停止旋轉(zhuǎn)，用推進(jìn)系統(tǒng)使盾構(gòu)機(jī)前進(jìn)，從而使刀盤(pán)把殘余巖體推倒。刀盤(pán)承受覆土壓力及正面推力[6-7]。

4.3 刀盤(pán)結(jié)構(gòu)可靠性仿真分析

在正常工況、靜啟動(dòng)脫困工況、出洞推擠工況下對(duì)再制造刀盤(pán)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果提取刀盤(pán)不同工況下總變形云圖和等效應(yīng)力云圖，并對(duì)刀盤(pán)最大變形位置和應(yīng)力集中最大處進(jìn)行標(biāo)記，刀盤(pán)的總變形云圖和等效應(yīng)力云圖見(jiàn)圖7。

對(duì)再制造刀盤(pán)數(shù)值模擬結(jié)果分析如下：

(1)正常工況下，再制造刀盤(pán)變形由刀盤(pán)外圓周向內(nèi)逐漸變小，如圖7(a)所示，刀盤(pán)邊緣圓周處變形最大，最大變形為7.2125 mm；如圖7(b)所示，再制造刀盤(pán)的最大等效應(yīng)力分布在刀盤(pán)的內(nèi)周連接板與面板連接的拐角處，最大等效應(yīng)力為209.21 MPa，低于刀盤(pán)屈服強(qiáng)度，滿足刀盤(pán)施工設(shè)計(jì)要求。

圖7 正常工況下刀盤(pán)變形及應(yīng)力Figure 7 Deformation and stress of cutter in normal working condition

(2)靜啟動(dòng)脫困工況下，再制造刀盤(pán)的變形由刀盤(pán)邊緣向刀盤(pán)內(nèi)周連接板逐漸變小，如圖8(a)所示，最大變形出現(xiàn)在刀盤(pán)圓周，最大變形為2.3632 mm；靜啟動(dòng)脫困工況下，刀盤(pán)主要承受扭矩作用，如圖8(b)所示，再制造刀盤(pán)最大等效應(yīng)力分布在刀盤(pán)牛腿與刀盤(pán)背面連接處，最大等效應(yīng)力為96.084 MPa。

圖8 靜啟動(dòng)脫困工況下刀盤(pán)變形及應(yīng)力Figure 8 Deformation and stress of cutter in static start condition

圖9 最大推力工況下刀盤(pán)變形和應(yīng)力Figure 9 Deformation and stress of cutter under maximun thrust condition

(3)最大推力工況下，再制造刀盤(pán)的變形由刀盤(pán)邊緣向刀盤(pán)內(nèi)周連接板逐漸變小，如圖9(a)所示，最大變形出現(xiàn)在刀盤(pán)圓周，最大變形為7.1726 mm；最大推力工況下刀盤(pán)主要承受推力反作用力，如圖9(b)所示，再制造刀盤(pán)的最大等效應(yīng)力分布在刀盤(pán)的內(nèi)周連接板與面板連接的拐角處，最大等效應(yīng)力為200.38 MPa，低于刀盤(pán)屈服強(qiáng)度，滿足刀盤(pán)施工設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)進(jìn)行再制造設(shè)計(jì)，提出一種刀盤(pán)再制造方案設(shè)計(jì)流程。在多工況下對(duì)再制造盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)進(jìn)行數(shù)值模擬，分析刀盤(pán)可靠性，主要結(jié)論如下：

(1)提出一種刀盤(pán)再制造方案設(shè)計(jì)流程，介紹了再制造刀盤(pán)設(shè)計(jì)方案，為同類(lèi)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)再制造提供借鑒；

(2)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)在再制造過(guò)程中，可適當(dāng)增加耐磨塊和磨損檢裝置，減少損壞，增長(zhǎng)刀盤(pán)使用壽命；

(3)選擇施工困難地質(zhì)條件，進(jìn)行多工況數(shù)值模擬驗(yàn)證盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)可靠性，發(fā)現(xiàn)再制造刀盤(pán)的變形由刀盤(pán)邊緣向刀盤(pán)內(nèi)周連接板逐漸變小，最大等效應(yīng)力分布在刀盤(pán)的內(nèi)周連接板與面板連接的拐角處。