研究生论文发表复合地层条件下刀盘结构适应性研究

　　在很多地质施工中都会用到盾构机，根据施工环境的不同，盾构机的的工作原理也不同。盾构机刀盘是盾构机工作中不可缺少的一个部件，本文就针对复合地层条件下刀盘结构适应性进行了一些研究，文章是一篇研究生论文发表范文。
　　【摘要】本文通过分析盾构机刀盘的结构和受力，根据力学分析结果对刀盘进行结构优化设计，满足在全断面掘进过程中的应用。本文的分析过程为其他工程项目的刀盘扭矩及盾体推力的力学分析，和结构优化打下基础。

　　【关键词】盾构机刀盘,三维建模,有限元分析

　　前言

　　地质条件是影响盾构施工的一个十分重要的因素。影响盾构施工的地质参数包括：N值、透水性、含水率、重度、粒度、抗压强度、强度特性(摩擦角、内聚力)等。本文就针对广州地铁4#南延线复合地层条件下对刀盘结构的影响进行研究。

　　1、复合地层分析

　　广州地铁4#线【塘坑站～资讯园站】区间。

　　塘坑站～资讯园站区间左线全长：2074.2米，最小曲线半径为400m，隧道穿越地层主要为全断面硬塑状砂质性土、强风化岩、中风化岩以及部分微风化岩。中风化岩强度均值为47.3MPa，微风化强度为80MPa，最高106MPa。

　　本标段重难点问题有： 1)上软下硬地层含块状碴土，流塑性差，摩擦阻力大，碴土改良的效果较差，需要的刀盘搅拌力矩大;如果欠压掘进或降低推进速度可降低刀盘扭矩，但会导致地表沉降超限。在此地层由于偏载，盾构掘进时易发生偏转，地层软硬不均会造成刀具的冲击损坏和偏磨。2)长距离掘进的刀盘耐磨设计。

　　2、复合刀盘结构配置

　　刀盘结构设计需满足上述地质掘进要求。本项目刀盘配置见图1：1)整体为十字主梁结构，刀盘材质为Q345B;2)在配置足够数量刀具前提下，刀盘开口率仍达33%。刀盘中心部位到周边的开口贯通，碴土流动顺畅，避免在砂质粘性土和全、强风化岩中掘进产生泥饼;3)碴土改良：5个泡沫口，2 个膨润土口，单管单泵，保证各口的通畅;4)中心刀间距100mm，正滚刀的刀间距90mm，边滚刀间距75mm，较小刀间距破岩能力强。配置单刃滚刀23把，双刃中心滚刀8把，边缘刮刀36把，正面刮刀62把，磨损检测刀1把，圆周保护刀18把，刀箱保护刀20把(含4内圆保护刀)。

　　3、复合刀盘有限元分析

　　3.1 受力分析

　　1)刀盘扭矩：M=aD3

　　国外大量工程实践给出扭矩系数a值大都在8～23范围内。在同样或类似地质条件条件情况下，小直径盾构取大值，大直径盾构取小值。广州的工程实践(盾构直径在3.33 ～ 10.22m之间)证明a值应在18～25之间。

　　本项目配置的刀盘工作扭矩为5440kNm，脱困扭矩6528 kNm。(图2)，综上本项目配置的刀盘a值为22.2。

　　2)推力：T=βD2

　　国内外的经验表明：推力β值一般在500 kN/m2～1200kN/m2之间，在同样或类似地质条件和隧道条件情况下，小直径盾构β取大值，大直径盾构β取小值。

　　广州的工程实践证明：β值应在900kN/m2～1200kN/m2之间。用于复合地层应取大值。我们配置的盾构推理为36000kN 。综上分析，因此本项目配置的盾体总推力β值为918.7kN/m2。

　　3.2 有限元分析前提条件

　　1)UG建模：需进行整体模型建立，网格划分、约束添加、加载载荷;2)输入条件：刀盘所用材料为Q345B钢板，有限元模型采用的材料参数如下：弹性模量2.0e11Pa;泊松比0.3;密度7850kg/m3;线膨胀系数1.2e-5;3)受力简化。

　　工况一：计算时施加的扭矩为6528kNm，经计算推力主要来自于取总推力1037T，并且约束刀盘法兰连接面的全部自由度作为位移边界条件。有限元受力分析分析结果如下：

　　根据有限元分析结果，刀盘最大应力出现在牛腿和刀盘接触处，最大165.42MPa，刀盘绝大部分区域的等效应力小于130 MPa ，刀盘的等效应力分布云图如图3、4所示。刀盘结构最大变形发生在刀盘外缘边滚刀安装处为2.48mm。刀盘的综合位移分布云图如图5、6所示。刀盘设计所用材料为Q345B，该材料的许用应力为295MPa。因此该刀盘的结构设计满足强度要求。

　　4、结语

　　通过对广州地铁4#南延线地铁工程的分析，得到在盾构机在均衡受力情况下的刀盘，满足项目在全断面掘进过程中的应用。

　　参考文献

　　[1]刘义，李济顺，陈定国，薛玉君.盾构刀盘的有限元仿真分析研究[J].矿山机械， 2008.17期.

　　[2] 韩伟峰，李凤远，周建军.盾构刀盘有限元分析优化研究[J].工程机械， 2014. 03期.

　　[3]仝哲.盾构刀盘的受力分析及结构优化[D].郑州大学， 2012.
　　工程师论文发表期刊推荐《建筑机械化》创刊于1980年，由中国建筑科学研究院建筑机械化分院主办，是中国质协用户委员会建设机械设备委员会会刊，国内外公开发行，是介绍工程机械、机械化施工及行业动态的综合性科技期刊，在国内同类刊物中创刊时间早、发行范围广、实用性强。主要读者是工程机械设备使用、管理、维修人士和生产厂家、租赁商及代理商。