EPB盾构机刀盘开口模式与刀盘盘体结构耦合设计

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

242机械 设 计 与制 造Machinery Design & Manufacture第 10期2013年 10月EPB盾构机刀盘开口模式与刀盘盘体结构耦合设计虞诗强，霍军周，吴承原，孙 伟(大连理工大学 机械工程学院，辽宁 大连 116024)摘 要：以某地铁标段施工盾构为研究对象，针对 EPB盾构机的刀盘的开口模式与盘体结构设计之间相互影响、耦合的特点，首先建立根据边界条件与三轴实验获得的岩土颗粒微观参数构建盾构刀盘与岩土相互作用的刀盘系统离散元数值模型，研究盾构刀盘开口率对刀盘挖掘过程的影响规律。在此基础上，建立基于渣土流动性的刀盘结构参数优化设计模型，在 AWE下对刀盘的整体结构进行优化设计。研究结果表明：在某地质条件下，开口率为 35％，中心开口占45％的刀盘挖掘效率较高且满足螺旋输送系统工作条件。

关键词：EPB盾构机；盾构刀盘；开口率；离散元；有限元；耦合设计中图分类号：TH16；TU621 文献标识码：A 文章编号：1001—3997(2013)lO一0242—04Coupling Design of EPB—TBM Cuting Wheel Opening Modeland Cutting Wheel Body StructureYU Shi-qiang，HUO Jun-zhou，WU Cheng—yuan，SUN Wei(School ofMechanical Engineering，Dalian University ofTechnology，Liaoning Dalian 116024，China)Abstract：Taking the shield machine tunneling in a certain subway construction椰the research object．the research aims toresolve the mutually influential and coupling issue ofboth opening mode and structural design ofcuting wbeel in earth pressurebalance shield machine(EPB BM)．The discrete element numericol model ofthe cutting wheel system is estdblished，based onthe boundary conditions and geotechnical microscopic parameters stemmed from triaxial test，and the research about howdifferent ope ning ratios of cuting wheel afect the tunneling is also conducted．Taking this as a foundation，remainingresearch，which is required to establish the structural parameter optimal design model of cuting wheel on the basis of muckliquidity，strives for the optimization of the overall structure of cuting wheel in the environment of ANSYS Workbench．Theresearch resuhs demonstrate that in the certain geological conditions．the cuting wheel with opening ratio of 35％ whichaccounted foT 45％ in central part excavates e~ciently and meets the demands如T nominal operating conditions of screwconveyon Additionally，the optimization resultsfrom AWE meet the requirement ofstrength and stifness，with weight loss of8．89％．realizing the lightweight purpose.

Key W ords：EPB-TBM ；Cutting W heel；Aperture Opening Ratio；Discrete Element；Finite Element；Coupling Design1引言土压平衡盾构机具有快速高效、安全可靠、施工质量好 、对地面建筑物影响小等优点，因此在我国的市政建设、国防建设等方面具有非常大的市场需求。刀盘作为土压平衡盾构机的核心部件之一，其设计就是掘进机设计中的一个核心问题。

在盾构机掘进过程中 刀盘开13模式及开口率大小直接影响渣土流动性 、刀盘刀具发热 、磨损、切削效率和可靠性，而刀盘开13模式与盘体结构的相互耦合性更增大了刀盘设计的难度，即使是相同地质条件下，每个工程的设计出来的掘进机刀盘都不可能完全相同Il。由于国外技术封锁的原因，鲜有能检索到的关于盾构开口率的文献，国内近年出现了少量研究成果。文献日研究了刀盘开口率对土舱压力变化的影响，研究结果说明开I21率越大，压力差越小，且在砂土中最明显。文献13也研究了砂土地层中不同刀盘开口率及埋深下，刀盘推力扭矩的变化规律 ，该研究认为刀盘的开13率大小是施土中的一个重要影响参数 ，其值的变化直接到影响密封舱压力、孔隙水压力、千斤顶推力、刀盘扭矩以及推进速度等参数的大小。文献H建立包括渣土、刀盘 、密封舱和螺旋输送机在内的 CFD模型刀盘，模拟得到开口分布特征与刀盘前后渣土压力之间的映射关系。文献嗵 过离散元方法分析了密封舱压力，该研究表明刀盘开口率与压力传递系数近似为二次曲线函数关系，与地层埋深无关。文献 进行了盾构机刀盘研制，通过对刀盘开口方式和开口率大小的研究，试制出了具有一定地址适应性来稿日期：2012—12—17基金项目：国家青年自然科学基金项目(51005033)；973项目(2013CB035400)；辽宁省科技攻关项目(2011220031)；中央高校基本科研业务费专项项 目(DUT13I KI4)作者简介：虞诗强，(1987一)，男，云南人，学士，在读硕士研究生，主要研究方向：机械系统CAD／CAE应用技术第 l0期 虞诗强等：EPB盾构机刀盘开口模式与刀盘盘体结构耦合设计 243的盾构机刀盘。文献I 针对成都砂卵石地层采用的复合盾构出现的刀盘磨损严重的问题，通过刈‘刀盘中心刀具的改进 ，间接地增加了刀盘中心开口率，起到了较好的效果。

从现有研究结果来看，鲜见不同盾构刀盘整体开口及中心开口方案下对渣土流动性影响的对比研究。在刀盘盘体结构研究方面，国内外学者主要从现场掘进刀盘盘体结构维修及刀盘结构强刚度分析等方面进行研究，缺少对复杂工况下刀盘开口模式与盘体结构耦合设计问题的研究。凶此利用离散元颗粒流仿真软件及有限元分析软件，通过并行方法研究刀盘开口模式的选取方法，为实现刀盘系统设计提供理论方法与技术支撑。

2 EPB盾构刀盘开口率设计2．1盾构刀盘挖掘系统离散元仿真模型以某地铁标段施 丁盾构作为研究基础，建立盾构刀盘挖掘系统离散元仿真的几何模型和边界条件。

2．1．1建立盾构刀盘几何模型土压平衡盾构机结构 ，如 1(a)所示。在 PFC巾机械结构的几何边界主要通过“墙体”单元建立， 此这里可以直接用墙建立盾构刀盘的外嗣轮廓。根据仿真需要，建立的几何模型包括密封舱子系统和螺旋输送子系统两个部分，得到密封舱土压力系统的离散元数值模型，如图 1(b)所示。

13锰(a)EPB盾掏机结构简图(b)PFC3D中建立的盾构刀盘的离散元模型图 1盾构7j盘几何模型Fig．1 The Model of EPB-TBM刀盘初始设计中包括四种不同开口率方案，分别为 20％、35％、50％和 70％。由于刀盘的辐条主要作用是支撑刀盘所受的外界压力，并且刀盘的辐板占有大部分刀盘面积，因此通过调节辐板的面积来改变刀盘的开口率。离散元软件PFC中建立的四种不同开口率的刀盘模型，如图 2所示。

(a)开口率为20％的刀盘模型 (b)开【J牢 35％的刀盘模型(c)开E1率 50％的刀盘模型 (d)开口率70％的刀盘模，Il』图2四种不同开口率刀蕊模型(PFC31)中建立 )Fig．2 The Cuterhead Models with Four Diferent Opening Rali~2．1．2仿真模型边界条件盾构刀盘的边界条件按照盾构机稳定 I 作1_ 进行设 ，包括在刀盘的正面生成一定数量和适当直径的颗粒，以此模拟挖掘时的地层条件，即在刀盘前方的长 0．5m的 柱体封闭区域，间内填充颗粒单元。同时在模拟过程中，掘进界面与螺旋输送机l叶J口之间的封闭空 中充满颗粒，形成盾构刀盘挖掘系统待挖砂土模型。根据实际掘进1 作条件，设定刀盘旋转速度是 1 r／rain．向前推进速度为20mm／min，盾构埋深为 10m。

2．1．3土层 离散元模型在离散元法的实际] 程应用中主要分为块状离散元和颗 状离散元两种。块体元模型主要应用与岩土边坡稳定和巷道的支}，】等工程的分析计算 。而颗粒元模型则广泛应用于非连续介质现象，例如不同介质混合的分离过程。以某地铁标段施T砂土地层条件为背景，依据地质条件报告可知，此段地层大部分为中粗砂 卜j砾砂，少部分为粉质粘土，中粗砂与砾砂都属与无黏性土，且一 地层的比 较大，因此这里以中粗砂作为典型的地层条件作为研究对象。 扔抛质条件特点，采用基 于Cundall提出的颗粒流离散元方法 的软件 PFC3D体现土层的宏观挣性。中粗砂的宏观参数是重力惭17．9kN／m ；粘聚力 4kPa；内摩擦角28。；孔隙比0．665；变形懊i t．。

22．7MPa；~I松比n397。可以通过简化利J{{ 轴实验建立 一的的宏观参数与单一颗粒的微观参数的对应关系，标定 砂土的微观参数。转变成对应的微观参数得到离散模型的孔隙率n=O．4，颗粒密度p=3044．21k~m ，法向接触刚度 =1．25xl07MPa，摩擦系数为0．45。按照颗粒尺寸选取方法，颗粒直径最大不应超过几何模寸的 l／10，基于计算量和仿真思想考虑，设定颗粒的半径是0．075m2．1．4离散元仿真评价在不同开口率下的刀盘的推进速度和转速相同的情 卜，评价渣土流动性的好坏主要考虑单位时间内的刀盘进土量， 此将盾构稳定丁作下的刀盘的进土量作为主要评价标准之一。该进土量通过统计离散元仿真模型中进入密封舱的颗粒数来获取 ，包括监测每个盾构刀盘相同时间间隔下的进入川盘内的颗粒数址244 机械设计与制造No．1O0ct．201 3否相同或相近，以此确保模型稳定，并统计不同刀盘开口率下相同时间内进入密封舱里的颗粒数并以此来评价刀盘开口率的优劣。除了考虑渣土流动性，还将螺旋输送机内部压力作为判断开Ill方案优劣的条件。螺旋输送机内分布的理想状态应该是由螺旋输送机首部(与密封舱相接部分)至尾部方向逐步减小至零。由于密封舱中的螺旋输送机的承载能力有限(根据设计方案中盾构螺旋输送机的型号得知其额定压力是 49．8kPa)，因此需要监测舱内螺旋输送机的人 1：3压力是否超过额定值；同时监测螺旋输送机尾部压力是否过大，因为过大螺旋输送机尾部压力可能导致喷涌现象发生，无法保证螺旋输送机尾部排渣稳定。

2_2盾构刀盘挖掘系统仿真过程盾构刀盘挖掘工作的离散元仿真的模拟步骤包括：(1)构建盾构刀盘的离散元仿真的几何模型。(2)对系统模型施加重力，构建待挖砂土和外围提供压力的掘进面模型，并赋予离散元微观参数，系统运行至平衡。(3)开始运行刀盘子系统 ，刀盘保证一定的旋转速度，模拟挖掘过程。(4)记录每个时段(10s)刀盘挖掘量(进人到盾构中的颗粒数)。(5)改变刀盘的开口率，重复上述的(2)到(4)步；改变刀盘的中心开口率，重复上述的(2)到(4)步。

2．3刀盘挖掘系统仿真结果与分析2_3．1不同开口率方案下离散元仿真结果分析刀盘开口率是 20％、35％、50％、70％时，如图3所示。每掘进时段(1Os)的进土量情况，其中纵坐标为颗粒数量(个)，横坐标为时间(s)。图示曲线基本趋于平稳，可以看出刀盘在掘进过程中进土量波动不大，离散元仿真的挖掘过程基本稳定。

／， ∥ ’ _／ 。

．
．
，二，0 10 2O 30 40 5O 6O 70时间 t(s)— — 开口率20％? - - 开口率 35％— — 开口率50％? 开口率70％图 3不同开口率下刀盘进土量情况Fig．3 The Excavating Situation in Different Opening Ratios表 1不同开口率的进入刀盘中颗粒数Tab．1 The Number of Bals in Diferent Opening Ratios通过提取整理仿真数据得到不同开口率下刀盘的进土量，如表 1所示。由此可知随着刀盘开口率的增大，进入到刀盘内的颗粒越多，渣土流动性越好，刀盘的挖掘效率越高。根据 2．1．4中的离散元仿真判断条件，需要同时监测螺旋输送机内部压力，监测点设置分别布置在螺旋输送机首部与尾部，如图4所示。不同开口率下螺旋输送机内各监测点压力变化曲线，如图5所示。由此可知当开1：3率为70％时，螺旋输送机的入I：1压力最大值大于螺旋输送机的额定值 49．8kPa，当开口率为 50％时，螺旋输送机人口出现的最大压力达48．67，已接近额定值。可见在中粗砂的土层条件下盾构机刀盘开口率不应大于50％。另外，开口率为20％ 与 35％的设计方案中螺旋输送机尾部压力较小，控制在(0-6)kPa以内，而开口率为50％和70％ 时螺旋输送机尾部压力均在8kPa以上，相对较大，不利于排渣过程的稳定。综合刀盘挖掘效率及螺旋输送机稳定工作的判断条件，在四种开口率初始设计中，开1：3率为 35％的方案满足螺旋输送机稳定工作条件且挖掘效率较高，较为理想。

2图4螺旋输送机监测点示意图Fig．4 The Position of Different Monitoring Point时间间隔／10s(a)监测点 1压力变化曲线，
一x、 ‘ ，／ ’＼ ／ ^ ／I _ 一— r 一 、 t _卜 — ◆ 一一’ ●—— r／+ 开口率 20％t 开口率 35％十 开口率 50％_*-开口率70％_◆-开明率20％十 开口率35％+ 开口率 50％* 开口率 70％l 2 3 4 5 6 7时间间隔／10s(b)监测点 2压力变化曲线图5不同开口率下螺旋输送机内部压力变化曲线Fig．5 The Curve of Pressure in Diferent Opening Ratio2．3．2刀盘中心开口率对挖掘效率的影响刀盘的中心开口率主要是指刀盘中心区域的开口率 ，中心开口率对于盾构刀盘挖掘效率影响较大l】Ol。因此有必要探究相同开口率刀盘在不同中心开口率条件下的挖掘效率影响。根据上述开口率为35％的方案，通过调整幅板的径向宽度来改变刀盘的中心开口率以建立了中心开El率为 25％、35％、45％、55％四种不同中心开口率的刀盘模型进行离散元仿真。仿真过程中选取的边界条件与上述仿真完全相同。不同中心开口率下进土量曲线可知四种不同中心开口设计方案下盾构掘进仿真过程基本稳定，如图 6所示∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞∞ ∞ ∞ 如 加 m 0一 R坦∞ ∞∞ ∞∞ ∞∞∞∞∞8 6 4 2 0 8 6 4 2 O一 R出咖 咖 彻 彻 枷 0一七一蜘爨梨No．10Oct．2013 机械设计与制造 245900800700— 60050o羹伽糜30020010001}，．
.

．
，?’，．
，／． ． ． ． ． ． .

O 10 20 3O 40 50 60 70时间 ‘(s)一 中心开口率 25％? 一 中心开口率 35％— — 中心开口率 45％? ．冲 心开口率 55％图6不同中心开口率下刀盘进土量情况Fig．6 Excavating Situation in Diferent Central Opening Ratios通过提取整理仿真数据得到不同中心开口率下进入刀盘的颗粒数量统计，如表2所示。螺旋输送机内部压力变化曲线，如图7所示。监测点布置方案同上。由图表可知随着刀盘中心开口率的增大，单位时间内进入刀盘内的颗粒增多，渣土流动性上升。中心开口率为55％时，螺旋输送机入口压力大于额定值49．8kPa，故在此施工标段的中心开口部分所占比率应小于55％。中心开口率为 45％时螺旋输送机首、尾部压力均满足评价条件且挖掘效率相对较高，因此该设计较为合理。

表 2不同中心开口率下进入刀盘的颗粒数Tab．2 The Number of Bals in DiferentCentral Opening Ratios60 0o50．0040．0o30．0020．0010．ooO．0ol2．0o1O．0o一 8．o06．0o4．002．0oO．00二L ＼ <． 一 ． Y ／’、、 r 一 1 2 3 4 5 6 7时间间隔(10s)(a)监测点 1压力变化曲线． ． ×— J — ▲ rJ — 一 1 — ●一中心开口率25％十 中心开口率 35％十 中心开口率 45％—*一中心开口率 55％+ 中心开口率 25％- '41-中心开口率 35％叫卜 中心开口率45％* 中心开口率 55％时间间隔(10s)(b)监测点 2压力变化曲线图7不同中心开口率下螺旋输送机内部压力变化曲线Fig．7 The Curve of Pressure in Different Central Opening Ratios综合上述结论，选定开口率为35％，中心开口占有率为45％的刀盘设计方案，进行下一步刀盘盘体结构优化的研究。

3结论(1)在这里选取的某标段地质条件和刀盘设计方案下，结果表明：开口率越大，盾构的挖掘效率越高，当开口率增至约 50％时螺旋输送机的人口压力大于额定值。(2)中心开口率越大，盾构的挖掘效率越高，当中心开口率大于55％时密封舱中螺旋输送机的人口压力大于额定值。(3)盾构刀盘系统离散元分析模型针对中粗砂为主的地层条件，因此研究成果只适用于砂性土地层。

参考文献l 1 j Rostami J．Hard Rock TBM Cuterhead Modeling for Design andPerformance Prediction．2008，DOI：10．1002／geot．200800002.

[2]杨洪杰，傅德明，葛修润．盾构周围土压力的试验研究与数值模拟[J]_岩石力学与土程学报，2006，25(8)：1652—1657.

(Yang Hens qie，Fu De—ming，Ge Xiu—run．Experimental study andnumerical simulation of eaah pressure around shield machine【J J.

Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006．25(8】：1652—1657．)[3]徐前卫，朱合华，廖少明．砂土地层盾构法施工的地层适应性模型试验研究[J]．岩石力学与土程学报，2006，25(增 1)：2902—2909.

(Xu Qian-wei，Zhu He-hua，Liao Shao—ming．Model experimental studyon stratum adaptability of tunnel excavation with EPB shield machine insandy stratum [J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2006(25)：2902—2909．)[4]郭伟，胡竞 ，王磊．基于CFD的土压平衡盾构刀盘开口分布特征研究[J]．机械工程学报，2012，48(17)：144—151.

(GuoWei，Hu Jing，WangLei．Study ontheopeningdistribution characte—ristics of earth pressure balance shield cuter head based on CFD[J]_Journal ofMechanical Engineering，2012，48(17)：144—151．)[5]武力，屈福政，孙伟．基于离散元的土压平衡盾构密封舱压力分析[JJ_岩土工程学报，2010，32(1)：8—23.

(WuLi，QuFu—zheng，SunWei．Discretenumericalmodelforanalysisofchamber pressure of earth pressure balance shield machine J J．ChineseJournal ofGeotechnicalEngineering，2010，32(1)：18—23．)[6]李建斌，何於琏．盾构掘进机刀盘研制实例[J]．隧道建设，2005，25(6)：53—56.

(Li Jian—bin．He Yu—lian．Shield tunneling machine cuter headdevelopedinstance[J]．TunelConstruction，2005，25(6)：53—56．)[7]郭家庆．成都砂卵石地层盾构刀盘与刀具选择[J]．建筑机械化，2009(2)：56—58.

(Guo Jia-qing．Selection of shield cuterhead and tool for Chengdu sand—pebble layer[J]．Construction Mechanization，2009(2)：56-58．)[8]朱焕春，吴海斌，石安池．论三峡永久船闸中隔墩北倾变形机制[J]．岩石力学与工程学报，2005，24(23)：4289-4296.

(Zhu Huan~chan，Wu Hai—bin，Shi An—ehi．Study on northwarddeform ation mechanism of central pier of perm anent shiplock of threegorges project[J]．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2005，24(23)：4289-4296．)[9]CUNDALL P A．BALL—A Program to model granular media using thedistinct element method[R]．London：Dames＆Moore Advanced Techno—logy Group，1978.

[10]何於琏．一种新型的盾构开口率调节装置设计[J]．试验研究，2006，(3)：16—19.

(He Yu—lian．Design of a new type of cuter opening ratio adjustingdevice ofshield[J]．Construction Machinery and Equipment，2006，(3)：16—19．)一