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摘 要: 盾構(gòu)斷面的矩形斷面比圓形斷面的有效使用面積大 20% ，因此，矩形盾構(gòu)是盾構(gòu)施工法的發(fā)展方向。在闡述常見的矩形刀盤形式的基礎(chǔ)上，結(jié)合蘇南某地市政工程的地質(zhì)情況，創(chuàng)新提出一種符合該工程段地質(zhì)情況的矩形刀盤設(shè)計(jì)方案; 給出刀盤上刀具的選擇及其布置方案，計(jì)算出刀具的使用壽命，并對(duì)刀盤進(jìn)行載荷分析; 同時(shí)，通過(guò)密封艙土體與矩形刀盤流固耦合分析，給出了矩形刀盤的性能評(píng)價(jià)，從而為研制矩形工作斷面盾構(gòu)刀盤奠定了理論基礎(chǔ)。
關(guān)鍵詞: 盾構(gòu); 矩形斷面; 刀盤; 刀具; 載荷分析: 流固耦合
作為盾構(gòu)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，盾構(gòu)刀盤主要起到開挖土體、穩(wěn)定掌子面及攪拌砂土的功能，其設(shè)計(jì)的好壞直接影響到盾構(gòu)施工的效率。圓形隧道因其結(jié)構(gòu)受力合理、施工工藝相對(duì)簡(jiǎn)單而廣為采用。矩形斷面有效使用面積通常比圓形斷面增加 20% 以上，在城市隧道、人行地道、電纜溝等市政隧道工程中，尤以矩形斷面最為經(jīng)濟(jì)。
因此，矩形盾構(gòu)的研究和應(yīng)用有著重要意義。本文對(duì)矩形盾構(gòu)的刀盤形式進(jìn)行闡述，并結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)矩形刀盤的進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括: 創(chuàng)新提出的矩形刀盤設(shè)計(jì)方案; 刀盤上刀具的選擇及其布置方案; 刀具使用壽命的計(jì)算、刀盤的載荷分析，以及性能評(píng)價(jià)。
1 、矩形刀盤的主要結(jié)構(gòu)形式
眾所周知，圓形盾構(gòu)的刀盤切削形式基本為一中心旋轉(zhuǎn)的大刀盤，異型斷面中的矩形斷面切削，遠(yuǎn)比圓形斷面復(fù)雜，其難點(diǎn)主要在于刀盤形式的設(shè)計(jì)。目前矩形刀盤的主要結(jié)構(gòu)形式為以下三種:
( 1) 組合刀盤式在盾構(gòu)機(jī)的端部裝有若干臺(tái)小刀盤，由多臺(tái)小刀盤共同切削土體，切削面積一般能達(dá)到整個(gè)斷面面積的 60% ～70% ，小刀盤可單獨(dú)運(yùn)轉(zhuǎn) 。
圖 1 組合式矩形刀盤
圖 1 即江蘇銀旭隧道機(jī)械有限公司網(wǎng)頁(yè)配圖，這種刀盤，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且互不干涉，但只能適應(yīng)一般土層，在惡劣地層中施工僅有 60% 的斷面切削率。
( 2) 中心大刀盤式由一臺(tái)大刀盤及幾把伸縮刀( 或仿形刀) 組成切削刀組，大刀盤及仿形刀能實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。中心大刀盤配多把仿形刀或伸縮刀的形式，結(jié)構(gòu)對(duì)稱、受力均勻，對(duì)土體擾動(dòng)小，有利于機(jī)頭的頂進(jìn)，但傳動(dòng)系統(tǒng)較復(fù)雜; 另外，這種刀盤只適應(yīng)正方形斷面。
圖 2 中心大刀盤式矩形刀盤
( 3) 多偏心軸式
圖 3 為上海盾構(gòu)設(shè)計(jì)試驗(yàn)研究中心有限公司網(wǎng)頁(yè)配圖。
刀盤上的每把刀具利用了平行雙曲柄機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，以各自的支撐點(diǎn)為圓心，曲軸中心距為半徑，作平面圓周運(yùn)動(dòng)。圓周運(yùn)動(dòng)與軸向方向的推進(jìn)運(yùn)動(dòng)，合成實(shí)現(xiàn)了刀盤全斷面的切削掘進(jìn)。由于此刀盤以多軸偏心驅(qū)動(dòng)刀盤構(gòu)成仿形切削系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)裝置較為復(fù)雜。
圖 3 多偏心軸式矩形刀盤
2 、矩形盾構(gòu)的具體方案研究
2． 1 工程案例的地質(zhì)情況和水文情況
地質(zhì)條件是影響盾構(gòu)施工的一個(gè)十分重要因素，地質(zhì)水文條件不同，盾構(gòu)類型、刀盤類型、刀具種類和磨損狀況也不相同。本文設(shè)計(jì)的矩形盾構(gòu)的應(yīng)用背景是: 某蘇南市政工程，蘇南的地層( 地面下 5 m 左右) 以粘土和粉土地層為主，其地質(zhì)情況，如表 1 所示。
表 1 工程案例的地質(zhì)情況和水文參數(shù)
2． 2 組合異型刀盤的具體形式由表 1 可知，本工程段經(jīng)過(guò)的地層為粘土和粉土地層，按照土力學(xué)相關(guān)知識(shí)，屬于軟土地層。
設(shè)掘進(jìn)橫斷面為尺寸 3 880 mm × 4 880 mm 的拱頂圓角矩形，如圖 4 所示。
顯然，采用傳統(tǒng)的單一圓形刀盤的形式進(jìn)行掘進(jìn)，將無(wú)法滿足異型斷面切削的要求。結(jié)合上述工程地質(zhì)情況及異型掘進(jìn)斷面的要求，本文采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，并創(chuàng)新提出一種異型刀盤結(jié)構(gòu)，如圖 4所示，具體為：
圖 4 異型刀盤的具體布置
( 1) 該異型刀盤由兩部分組成: 第一部分為主刀盤，主刀盤為直徑是 3 880 mm 的圓形刀盤，負(fù)責(zé)主要的切削工作，防止掌子面坍塌; 第二部分為四個(gè)直徑為 1 150 mm和兩個(gè)直徑為 880 mm 的輔助刀盤。
( 2) 兩部分刀盤均為具有輻條式刀盤，由面板、軸套、切削刀、攪拌棒、注漿系統(tǒng)組成; 且兩部分刀盤前后分層布置，保證之間最小間隙 60 mm，避免相互干擾，且各刀盤單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。
( 3) 刀盤后螺旋布置 6 根攪拌棒，能對(duì)土倉(cāng)內(nèi)土體不斷進(jìn)行攪拌，增強(qiáng)土倉(cāng)內(nèi)土體的流動(dòng)性與塑性;
( 4) 刀盤正面及中心布置有 4 個(gè)注漿口，可用于對(duì)刀盤正面土體的改良，又可用于對(duì)刀盤的清洗，以防止泥餅的形成。
2． 3 刀具的選擇及其布置
盾構(gòu)機(jī)的工具有切削類刀具、滾壓破巖類刀具和輔助類刀具，其切削原理和作用也不盡相同。對(duì)于本工程實(shí)例，只需配置切削型刀具，如: 切刀、周邊刮刀、中心刀等。其在刀盤上布置合理與否，不僅關(guān)系到盾構(gòu)在隧道施工中整個(gè)工程的成本，而且也直接影響盾構(gòu)施工的進(jìn)度和效率。
本文采用同心圓的布置形式，即在同一切削半徑上同時(shí)布置多把刀具達(dá)到全斷面開挖的目的，具體的刀具布置原則是:
( 1) 切刀的運(yùn)動(dòng)軌跡都為一圓形軌跡，同時(shí)滿足軸對(duì)稱的布置原則，使刀盤在理論上不受傾覆力矩的作用，刀具的對(duì)稱布置需要滿足刀盤正反兩個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)的要求 。
( 2) 為了保證切刀軌跡能夠覆蓋整個(gè)開挖面，另外也為了減少刀具磨損，相鄰兩軌跡的切刀應(yīng)有一定的重疊量。
( 3) 由于刀具的磨損量隨著刀具安裝半徑的增加而增大，一般按照等磨損布置的原則，優(yōu)化不同半徑之間刀具的安裝關(guān)系，使刀具磨損達(dá)到刀盤壽命的最大化效果。
下面以主刀盤為例，分析切削刀具的布置:主刀盤為六根輻條式刀盤，刀盤直徑為 3 880 mm; 刀盤中心由一把半徑為 460 mm 的中心刀( 或魚尾刀) 進(jìn)行切削。根據(jù)上述布置原則( 3) ，整個(gè)主刀盤分為三個(gè)區(qū)域，由內(nèi)向外依次是: 中心刀區(qū)域、內(nèi)周部區(qū)域、外周部區(qū)域。因?yàn)榍邢鞯毒叩额^寬 80 mm，為了減少刀具磨損，在內(nèi)周部相鄰兩軌跡的切刀應(yīng)有 6 mm 的重疊量，在外周部重疊量增加至 10 mm，以減少外部刀具磨損。
表 2 刀具的布置及其數(shù)目
表 3 為日本公司盾構(gòu)施工提供的磨耗系數(shù) k
刀具磨損量是根據(jù)最大直徑處切削軌跡 1 把刀計(jì)算，當(dāng)?shù)毒卟贾脭?shù)量超過(guò) 1 把時(shí)，由于每把刀具的切削厚度降低，使切削力減小。因此，磨耗系數(shù) k 也相應(yīng)減小，如計(jì)算中的刀盤內(nèi)周邊 1 條掘削軌跡上，配置 2 把切削刀; 及外周部 1條掘削軌跡配置 3 把切削刀 ，可減少刀具磨損。
于是，計(jì)算結(jié)果如表 4 所示:
表 4 切削刀具的計(jì)算結(jié)果
計(jì)算后得到 L = 5 332 m。因此，盾構(gòu)在區(qū)間隧道距離 L 內(nèi)至少須更換一次刀具。根據(jù)以上計(jì)算方法，可預(yù)測(cè)盾構(gòu)刀具最長(zhǎng)掘進(jìn)長(zhǎng)度，計(jì)劃換刀時(shí)機(jī)，從而有利于盾構(gòu)的施工管理和提高掘進(jìn)效率。切刀均安裝在開口槽的兩側(cè)，覆蓋了整個(gè)進(jìn)碴口的長(zhǎng)度，刮刀安裝在刀盤邊緣。刀具安裝采用螺栓固定，便于更換。
2． 5 異型刀盤的扭矩計(jì)算
正確的刀盤扭矩計(jì)算是盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)的關(guān)鍵 ，在刀盤的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，刀盤與土體之間產(chǎn)生摩擦，從而產(chǎn)生多種阻力矩，具體扭矩計(jì)算為:
T=T1+T2+T3+T4+T5 (6)
式（6）中：T為主刀盤的總扭矩；T1為主刀盤正面與土體的摩擦阻力距；T2為主刀盤側(cè)面與土體的摩擦阻力距；T3為主刀盤切削地層時(shí)抗力扭矩；T4位土倉(cāng)內(nèi)土體與主刀盤的摩擦阻力距；T為攪拌扭矩。
2． 5． 1 主刀盤正面與土體的摩擦阻力矩
T1是主刀盤旋轉(zhuǎn)過(guò)程中刀盤前表面與掘削土體的摩擦產(chǎn)生的扭矩，單一地質(zhì)情況下:
2． 5． 2 主刀盤側(cè)面與土體的摩擦阻力矩
不考慮盾構(gòu)刀盤自重，刀盤所受側(cè)向土壓力和垂直土壓力上下對(duì)稱、左右對(duì)稱。因此，在計(jì)算垂直和側(cè)向土壓力時(shí)，只需計(jì)算第一象限的力的分布情況; 然后，利用其對(duì)稱性，即可求得刀盤的整個(gè)圓周方向的垂直和側(cè)向土壓力。工程段雖為軟土地層，仍存在不同的地質(zhì)情況，由于該地質(zhì)之間的力學(xué)性能差異很小，所以，以下計(jì)算則采用土體性能指標(biāo)的平均值。
2． 5． 3 主刀盤切削地層時(shí)地層的抗力扭矩
地層抗力扭矩，是主刀盤切入地層旋轉(zhuǎn)時(shí)克服土體的剪切力所產(chǎn)生的扭矩，其計(jì)算公式為:
5． 4 主刀盤背面與土體的摩擦阻力矩
輻條式刀盤，由于其開口較大，刀盤前端與土倉(cāng)之間沒(méi)有壓力差或壓力差較小，可忽略不計(jì)。因此，刀盤背面與土體的摩擦阻力矩，和刀盤正面與土體的摩擦阻力矩相等，即：
2． 6 輔助刀盤的扭矩計(jì)算
由于輔助刀盤所需驅(qū)動(dòng)扭矩較小，可以采用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算。目前，對(duì)刀盤的扭矩可按照盾構(gòu)的外徑，來(lái)進(jìn)行所需扭矩的簡(jiǎn)易計(jì)算。
3 、密封艙土體與矩形刀盤的流固耦合分析
基于流固耦合力學(xué)，本文對(duì)矩形刀盤作流固耦合分析，以得到優(yōu)于其他研究方法的結(jié)果。
3． 1 方案介紹
盾構(gòu)機(jī)向前掘進(jìn)，通過(guò)刀盤旋轉(zhuǎn)切下前方土體，土體進(jìn)入并充滿密封艙，經(jīng)螺旋出土機(jī)流出。在數(shù)值模型中，假定密封艙靜止，切下來(lái)的土體為均勻流體，進(jìn)入密封艙，流體的速度為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度，由于盾構(gòu)掘進(jìn)速度緩慢，這樣的簡(jiǎn)化并不改變密封艙內(nèi)流場(chǎng)分布情況。
在施工操作中，通過(guò)改變螺旋出土機(jī)的轉(zhuǎn)速，來(lái)控制土體流出密封艙的速度，以此來(lái)維持艙內(nèi)土體壓力穩(wěn)定。數(shù)值模擬省去了這一傳遞過(guò)程，直接通過(guò)設(shè)置出口壓力邊界條件來(lái)控制壓力穩(wěn)定。
組合式刀盤與密封艙耦合系統(tǒng)的模擬過(guò)程如下:
( 1) 構(gòu)建組合式刀盤模型和密封艙內(nèi)流場(chǎng)的有限元模型，并設(shè)置流固耦合計(jì)算模式;
( 2) 添加密封艙進(jìn)出口邊界條件并對(duì)密封艙內(nèi)流場(chǎng)施加重力，重復(fù)計(jì)算直至密封艙內(nèi)流場(chǎng)流動(dòng)穩(wěn)定;
( 3) 對(duì)刀盤施加轉(zhuǎn)動(dòng)載荷，當(dāng)流場(chǎng)流動(dòng)狀態(tài)呈周期性穩(wěn)定分布時(shí)，記錄刀盤的計(jì)算結(jié)果。
3． 2 結(jié)構(gòu)模型
流固耦合模型是一個(gè)組合的模型，因此，分別構(gòu)建了刀盤和密封艙內(nèi)流場(chǎng)的有限元模型，他們之間通過(guò)流固耦合邊界 條 件 連 接在 一 起。 密封 艙 簡(jiǎn) 化 后的模型如圖 6示，考 慮 到 切刀 在 整 個(gè) 模型 中 所 占 體積較 小，對(duì) 密封 艙 內(nèi) 土 體擾動(dòng) 較 小，在數(shù)值模擬中，在不影響計(jì)算結(jié)果的前提下，為了簡(jiǎn)化計(jì)算和提高計(jì)算速度，可以將其去除。刀盤前部與待開挖土層沒(méi)有直接接觸，在它們之間設(shè)置寬度為 0． 1 m 的流動(dòng)土體。
3． 3 材料模型
3． 4 邊界條件與操作參數(shù)
由于密封艙內(nèi)土體為高粘度流體，因此，在流固耦合界面與剛性界面上均采用無(wú)滑移條件，在剛性壁上流體速度矢量等于零，即 v = 0; 在流固耦合界面上，流體速度和固體速度一致。設(shè)置掘進(jìn)界面處流體入口邊界條件，即 Vy= 0，Vz= 0，Vx大小與設(shè)定的掘進(jìn)速度相同，方向?yàn)檠?x 軸負(fù)向; 設(shè)置密封艙流場(chǎng)出口壓力邊界條件 P = 0.3 MPa。添加剛性約束，使刀盤沿中心軸線作勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。
3． 5 矩形刀盤的性能分析:
為了能夠合理地評(píng)價(jià)刀盤的性能，區(qū)分刀盤的優(yōu)劣性，本文結(jié)合刀盤的強(qiáng)度準(zhǔn)則、剛度準(zhǔn)則，對(duì)刀盤的性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。
3． 5． 1 強(qiáng)度準(zhǔn)則
刀盤的強(qiáng)度準(zhǔn)則，指的是刀盤的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足工作狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，即刀盤所受的最大應(yīng)力與安全系數(shù)的乘積，應(yīng)小于材料的屈服應(yīng)力，即σmax·k ≤［σ］ ( 13)式中: σmax為刀盤的最大應(yīng)力計(jì)算應(yīng)力; k 為安全系數(shù)，此處取 2． 0; ［σ］為材料的許用應(yīng)力;根據(jù)流固耦合分析，得出刀盤的應(yīng)力圖，如圖 7 所示?？芍?σmax= 10． 803 MPa，而刀盤材料屈服應(yīng)力［σ］ = 345MPa，可知，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度遠(yuǎn)小于材料的屈服強(qiáng)度，因此，滿足刀盤的強(qiáng)度要求。
3． 5． 2 剛度準(zhǔn)則
刀盤的剛度準(zhǔn)則是指刀盤的軸向變形必須控制在一定的安全范圍內(nèi)。刀盤的設(shè)計(jì)時(shí)，要求盾構(gòu)刀盤的變形量應(yīng)不應(yīng)超過(guò)刀盤厚度的 3%( 中鐵隧道集團(tuán)提供: 盾構(gòu)刀盤的變形量不應(yīng)超過(guò)刀盤板材材料厚度的 3% ) 即:
W ≤ 0.03 [ δ] （14）
式中：w為刀盤軸向的總變形量；δ為刀盤的整體厚度。
4 、結(jié) 論
矩形盾構(gòu)在節(jié)約地下空間的占用、減小隧道覆土厚度方面，均有較好的優(yōu)勢(shì); 同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)一些圓形隧道無(wú)法實(shí)現(xiàn)的特殊工況下的應(yīng)用，具有較好的社會(huì)效益。
本文首先闡述了目前最常見的矩形刀盤的主要結(jié)構(gòu)形式; 然后結(jié)合蘇南某地市政工程的地質(zhì)情況，創(chuàng)新提出一種符合工程段地質(zhì)情況的 矩形刀盤設(shè)計(jì)方案，對(duì)刀盤上刀具的選擇、布置及其壽命進(jìn)行了說(shuō)明，對(duì)刀盤所需扭矩進(jìn)行了計(jì)算; 最后通過(guò)密封艙土體與矩形刀盤流固耦合仿真得出矩形刀盤的性能分析，對(duì)刀盤的強(qiáng)度和剛度進(jìn)行了判斷。本文工作為矩形盾構(gòu)刀盤的設(shè)計(jì)、制造及其施工奠定了較好的基礎(chǔ)，矩形盾構(gòu)刀盤的樣機(jī)正在研制中。
來(lái)源：常州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 江蘇銀旭隧道 作者：儲(chǔ)健 沈惠平 鄧嘉鳴 張銀生 王華 華群
