机械毕业设计（论文）-盾构刀盘的结构设计与仿真分析.doc

长沙学院 CHANGSHA UNIVERSITY本科生毕业设计设 计 题 目： 盾 构 刀 盘 的 结构设计与仿真分析 系部： 机 电 工 程 系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 班 级： 1班 学号 2010011112 指导教师姓名：长沙学院教务处 二一三年六月制（2014届）本科生毕业设计说明书盾构刀盘的结构设计与仿真分析系部： 机 电 工 程 系 专 业： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 贺 志 波 班 级： 1班 学号 2010011112 指导教师姓名： 张干清 职称 讲师 最终评定成绩 2014年6月 长沙学院毕业设计 摘 要盾构刀盘在城市地下空间建设起到了越来越明显的作用，大部分城市地铁轨道建设都是通过盾构施工完成了，因此盾构在地铁工程中起到了一个非常重要的角色。由于我国盾构施工起步较晚，关于盾构的技术也一直在向国际靠拢，因此我国的盾构需要不断的研究和开发，以更好的投入到城市地下空间建设。本文通过了解各大城市地铁建设的情况，所遇到的问题和经验总结，对盾构机的刀盘的结构从以下方面进行了设计：刀盘选型，主要对现有盾构刀盘及其所使用的环境进行分析，通过地质层，刀盘形式和刀具进行选择；受力分析，通过总分析施工地质环境和各种工况来对刀盘结构进行受力分析；刀盘设计，经过以上步骤，再结合长沙市地铁施工对盾构刀盘的结构进行设计。关键词：盾构，刀盘结构，结构设计，ABSTRACT（小四号Times New Roman，行距20磅，首行缩进2字符）.Keywords：，（4号Times New Roman）目 录 摘 要IABSTRACTII第1章 绪论- 1 -1.1 研究背景- 1 -1.2研究意义- 1 -1.3国内外的研究现状- 2 -第2章工程概况及盾构刀盘选型- 4 -2.1工程概况- 4 -2.2工程地质与水文地质条件- 5 -2.2.1区间地质概况- 5 -2.2.2盾构区间主体穿越的地层及地质评价- 7 -2.2.3水文地质情况- 8 -2.2.4对工程影响较大的特殊地质- 8 -2.3区间盾构机选型- 9 -2.3.1盾构选型的依据- 9 -2.3.2 土压和泥水盾构机的工程适宜性- 9 -2.4刀盘形式- 10 -2.5刀具类型- 11 -2.6盾构刀具布置方案- 12 -2.7刀具、刀盘的布局特点对地质的适应性- 14 -2.8本章小结- 14 -第3章 受力分析- 15 -3.1 基本参数确定- 15 -3.1.1 刀盘开口率的确定- 15 -3.1.2 刀盘扭矩计算- 15 -3.1.3 盾构推进力的计算- 16 -3.2 动力传递过程和刀盘受力分解- 17 -3.3 刀盘的工况和受力分析- 18 -3.3.1 三分之一堵转工况- 18 -3.3.2 3000吨推挤工况- 20 -3.3.3 软土加固土层堵转- 20 -3.3.4 软土1米处堵转- 22 -3.3.5 静启动脱困工况- 23 -第4章 盾构刀盘方案设计- 25 -4.1 刀型设计- 25 -4.2 刀盘结构形式对刀盘扭矩影响- 26 -4.2.1 扭矩影响因素分析- 27 -4.2.2 刀具配置对扭矩的影响- 27 -4.2.3 开口率对刀盘扭矩影响及刀盘扭矩模型建立- 30 -4.2.4 刀盘宽度及地层摩擦系数对扭矩的影响分析- 30 -4.3 刀盘结构形式及刀具配置对刀具磨损的影响分析- 31 -4.4 刀盘开口率对刀具磨损的影响- 35 -4.6 刀盘刀具选型配置原则- 37 -第五章 盾构刀盘有限元分析- 38 -5.1建立模型- 38 -5.2定义模型材料- 38 -5.3划分网格- 39 -5.4施加载荷- 39 -5.5结果分析- 39 -5.6本章小结- 40 -参考文献- 44 -附 录- 45 -致 谢- 46 -IV 长沙学院毕业设计 第1章 绪论1.1 研究背景21世纪是城市隧道以及地下空间掘进工程大开发的崭新时代。就目前，我国中大型城市的轨道交通建设已经步入了快速发展壮大的阶段，而盾构法由于有对周围环境的影响较小、施工速度较快、优良的工程质量、安全环保的施工以及能够大范围施工等优势，在城市地下隧道中显得举足轻重。我国长沙、沈阳、南京、天津、北京、上海、广州、深圳等中大型城市通过釆用盾构法技术成功地修建了大量的地铁工程，而部分城市在已经开通运营的多条地铁线的基础上仍继续以每年4050km近百亿元的投资价速度推进。伴随着我国工程建设领域方面法制和法规的完善、开始对工程建设项目效益的要求以及环保意识的提高，慢慢对施工技术和管理的要求提高。伴随着近年我国盾构施工技术水平以及盾构国产化率的提高，使用盾构法施工显示出了他的的优势，应用越来越多。用盾构法施工虽然有对地层适应性广、安全施工系数高等优点，但也因地质情况的多变、施工环境的错综复杂性，因此在施工中仍然存在盾构适用性以及施工方法、措施的调整。长沙市的轨道交通2号线第一期工程西起于汽车西站，东到终点站光达站，总共有19个区间，中间16个区间采用了盾构法施工，其中线路正线长大约22km，而盾构区间线路总长为15.98 km。该工程于2009年开始动工，直至2012年3月9号，单线全面贯通。长沙城区基本处于湘中丘陵和洞庭湖冲积平原的过渡地带和湘浏盆地，地质的情况复杂多变，从长沙地层分布特点来看，从上至下依次是人工素填土、粉质粘土、粉砂、圆卵石、圆烁、强风化泥质粉砂岩、风化泥质粉砂岩以及微风化泥质粉砂岩。据长沙地铁2号线的地质勘察及设计资料显示，部分区间險道通过地层主要包括卵石土、碌岩、砂岩、泥质粉砂岩以及板岩，岩层条件复杂多变，软硬不均，风化严重，节理裂隙发育，透水性强。而地铁盾构掘进埋深一般在620rn，因而说长沙地铁2号线区间的部分盾构掘进将处于过这种不均勾地层，且地面多为建筑物密集的繁华地段，施工难度大。因此，这种复杂地质条件和环境条件下的盾构施工，将面临盾构掘进控制等盾构施工技术问题。1.2研究意义盾构法一般适应于比较均一的软土、软岩地层或砂层及其它地层，在比较均一的地层中采用盾构法施工隧道，其掘进方式及掘进模式相对单一、掘进参数相对稳定、因此其技术也比较简单，但在软硬不均、变化频繁、复合交互，且岩石强度差异大的复合地层中应用盾构法修建城市地铁險道就复杂得多。在软硬互层的复合地层中进行盾构法隧道施工，如何解决软硬岩的破岩、如何合理的选择掘进模式满足在复合地层中掘进时对周围环境保护的要求，又要提高掘进效率、降低施工成本，在国内盾构法施工领域是需要迫切解决的难题。地铁区间盾构掘进一般位于地下，盾构掘进的各项参数必然受到周边围岩的影响，不同围岩条件下其合理的掘进参数必然存在差异性。长沙地铁2号线所处的地层条件和目前已修建完成的其他地区地层条件显然不同，相应的施工参数等不能直接照搬套用，因此单纯借鉴其他城市已建地铁盾构施工的研究成果和施工经验具有一定的局限性，缺乏理论指导与科学依据，难以保证隧道的施工安全。与其它施工方法不同，盾构法施工对地层参数的变化极为敏感，不同地层条件下盾构机的施工掘进控制参数变化极大。长沙地铁的建设才刚刚起步，这种砂卵石、泥砂岩交汇地层共存的复合地层下盾构掘进技术目前尚未成熟。在长沙地铁2号线10标区间断面内在盾构始发后需依次砂卵石地层、强、中风化泥岩地层(该地层同一断面出现上软下硬现象)、中风化砂岩地层等复杂地质情况，在长沙地铁2号线中有其代表性意义。富水砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层，其结构松散，卵石含量高，甚至存在大漂石，地下水渗透性强，在这种地层中实施盾构法施工，容易出现刀具磨损严重等一系列问题。此外，强、中风化泥岩从工程性质上属于极软软岩，但因胶结物质和风化程度的差异，其强度的变化范围大，天然抗压强度为0. 632. 8 MPa，属典型的软硬不均岩层，施工中若盾构机的选型、盾构刀具或者盾构掘进参数的选择不当，将会严重影响盾构施工的掘进速度和掘进效率。本文针对长沙地铁2号线10标典型地质情况下盾构的掘进的一些关键性问题进行系统深入的分析研究，旨在探清在长沙地铁在复合地层下盾构掘进参数的规律，优化掘进参数，完善盾构施工工艺，期待对长沙地铁后续待建的工程施工提供一定的参考。1.3国内外的研究现状目前在国内外城市地铁的建造中广泛采用盾构法进行工，盾构法对地层适应性广，施工安全系数高。相比之下发达国家的盾构技术较为先进，全世界范围内險道工程大约采用了 3000多台盾构机施工，其中日本就设计制造了 2000多台，并且还制定了相应的规范日本盾构施工技术规范12。可以说，日本无论是新型盾构工法的 发、盾构机的制作数量、盾构法建造的險道长度承包海外盾构險道工程的数量和地区等等，均名列前茅。欧美国家在隧道建设中也广泛采用盾构施工，但其地层以软土地层为主，也有软硬不均的复合地层施工的事例但研究不多。因此在发达国家对盾构机在复合地层中施工的研究很少，国内对盾构机在复合地层中施工的研究主要集中在广州地区的地铁设计和施工中。第2章 工程概况及盾构刀盘选型2.1工程概况长沙市轨道交通2号线一期工程SG-10标区间隧道位于长沙市芙蓉区。主体位于长沙市锦泰广场以南，东二环路，西紧靠长沙火车站轨道，本标段包括锦泰广场站、万家丽广场、人民东路站三站两区间两个单位工程组成。左线总长为2047. 57m，起止里程为ZDK11+048. 566ZDK13+096. 136，为锦泰广场站东端；2019. 906m，起止里程为YDK11+048. 566YDK13+068. 472。区间左、右线隧道平面曲线半径为450m，线间距13.0m15.0m，隧道埋深约在6. 25m14m。最大线路纵坡17. 630。，最小纵坡为2。，竖曲线半径为5000m。区间设联络通道及泵房一座。【锦泰广场站万家丽广场站区间】线路出东二环路站后向东下穿东二环路后进入荷花路，沿荷花路直行进入万家丽广场站。【万家丽广场站站人民东路站】线路出万家丽广场站沿荷花路东行，在扬帆小区前折向东南方向下穿小区多栋6层住宅后进入古曲路，南行至人民东路站。具体盾构区间线路布置见图2-1图。图2.1 盾构区间线路布置图2.2工程地质与水文地质条件2.2.1区间地质概况该标段经勘察钻孔揭露，土岩层较为稳定，未揭露到断层、构造破碎带、岩溶、土洞、古河道、古洞穴等不良地质现象。盾构区间地形由白垩系泥质粉砂岩、泥质砂烁岩组成，丘顶圆状，丘脊呈北东或北北东向垄状延伸，或呈馒头状分布。人民东路站西东地势相对平坦。沿线覆盖层主要有第四系全新统冲洪积层，更新统残坡积、冲洪积层；基岩有元古界板溪群马底释组泥质板岩、元古界板溪群五强溪组砂质板岩、元古界冷家溪群泥质板岩。岩土层可划分为4个大层(不含亚层)，每个岩土层分别按岩土层代号、岩土名、时代成因、岩性描述如下：(1)、第四系全新统(Q4)1人工填土(Q4ml)：主要为第四系全新统人工填筑的杂填土1-1、素填土1-2。杂填土1-1：主要由粘性土或砂土混碎石、轮块等建构筑物垃圾等。素填土1-2：多呈松散状，部分稍压实，但密实度不均勻。全新统冲积层(Q4al )1 -5齡泥质粘土：软塑状态，含有机质，具高等干强度及高等朝性。1-11卵石：饱和、稍密状态，成分为石英质，亚圆形，母岩为灰岩、石英砂岩等。(2)、上更新世冲积层(Q3al)2-1粉质粘土：可塑状态，切面稍有光滑，摇震无反应，具中等干强度及中等軔性。2-5细砂：饱和、松散?稍密状态，成分为石英质，混10%?30%粘性土，分选性较差，级配良好。2-6中砂：饱和、稍密状态，成分为石英质，混10%30%粘性土，分选性较差，级配良好。2-8碌砂：饱和、稍密状态，成分为石英质，混10%30%粘性土，分选性较差，级配良好。2-9圆烁：饱和、稍密?中密状态，成分为石英质，亚圆形，混10%30%粘性土及10%20%的中粗砂，分选性较差。级配良好。2-10卵石：饱和、稍密?中密状态，石英质，亚圆形，母岩为灰岩、石英砂岩等。(3)、第四系残积层(Qel)4-3粉质粘土：系泥质粉砂岩或粉砂质泥岩风化残积而成，呈硬塑、局部坚硬状态，遇水易软化。(4)、基岩基岩主要为白垩系神皇山组(KS)紫红色泥质粉砂岩、偶夹粉砂质泥岩，陆源碎屑结构，中厚层状构造，泥质胶结为主，局部韩质胶结，勘察范围内发育的岩层为强风化和中风化二带，现分述如下：强风化带粉砂质泥岩(KS)：泥质粉粒结构，薄中层状构造，泥质胶结，岩肩成分主要为粉细砂。地层状况与岩性见表2-1表2-1区间地层状况及岩性表底层编号岩层名称底层描述杂填土主要有粘性土或沙土混碎石等建筑物垃圾，杂色，硬质物主要为砖块、碎石，含量达30%左右。素填土褐色、松散，可塑状，粘性土为主局部含有淤泥质土，含细砂和砾石、碎石，杂物含量2535%。局部泥有机质。淤泥质粘土灰色，湿-很湿。软塑-可塑性，具有异味。粉质粘土褐黄色，加灰白色，硬塑状。含有黑色铁锰质氧化物，无摇震反应，干强度中等，韧性中等，有光泽。粉土褐黄色，褐灰色，湿，可塑-硬塑状，含粉细砂为主和云母片。细砂褐黄色，湿，稍密状-中密状，级配一般，成分多为石英质，含有云母，泥质填充。圆砾褐黄色，很湿-饱和，中密-密实状，混卵石。砾石含量达56%，成分为石英质，亚圆形，耐磨度较好，分选性差，一般粒径1-2mm，砂填充，含粘土。卵石褐黄色，很湿-饱和，中密-密实状，卵石含量约56%，石英质，亚圆形，磨圆度较好。最大粒径达到了7cm，一般粒径20-40mm，砂质填充。粉质粘土褐黄色，黄红色，硬塑状，含有黑色锰铁质氧化物，无摇震反应，稀有光滑，韧性中等，干强度中等。其原岩为泥质粉砂岩。全风化泥质粉砂岩褐红色，黄红色，硬塑状。其原岩泥质粉砂岩。强风化泥质粉砂岩褐红色，泥质粉砂结构，泥质胶结差，极软岩。岩芯碎块状，短柱状，少量长柱状，沿线具有分布，极软岩。本层中遇到全风化夹层5-1a和中风化夹层5-1b。中风化泥质粉砂岩紫红色，粉细粒结构，中厚层状结构，泥质胶结，岩屑成分主要粉细砂，岩石组织结构部分破坏，少部分矿物风化变质，节理缝隙发育且密闭，多为钙质或泥质物填充，裂隙面见褐色铁锰质浸染，局部岩芯上见溶蚀小孔，岩芯较完整，多呈柱状，偶呈扁块。2.2.2盾构区间主体穿越的地层及地质评价该盾构区间工程主体穿越的地层及地质评价见表2-2。表2-2 工程主体穿越的地层及地质评价单位工程工程穿越的底层总体地质评价锦万区间隧道通过围岩主要有：强风化泥质粉砂岩中风化泥质粉砂岩卵石粉质粘土隧道位于强风化中风化泥质粉砂岩内。隧道围岩类别为类。隧道上部第四系底层厚8.511.5m，岩层薄，隧道部分线路穿越卵石层，盾构面上软下硬。万人区间隧道通过围岩主要有：强风化泥质粉砂岩中风化泥质粉砂岩隧道位于强风化中风化泥质砂岩内。隧道围岩类别为类，隧道上部第四系底层厚9.310.6m，岩层厚4.88.0m。锦万区间各地层所占比例见图2-3图2.2 锦万区间各地层所占比例图2.2.3水文地质情况盾构区间区域地下水按赋存方式主要分为第四系松散层和全风化带中的孔隙潜水、强?中风化基岩裂隙水、构造破碎带的裂隙水，局部分布赋存于人工填土、粘性土中的上层滞水。锦万区间險道勘察场地地下水按赋存方式主要为第四系松散层和全风化带中的孔隙水、强?中风化基岩裂隙水、构造破碎带的裂隙水，局部分布赋存于人工填土、粘性土中的上层滞水。场地水的环境类型为II类，孔隙水对混凝土结构、对混凝土结构中的钢筋无腐烛性、对钢结构具弱腐烛性；基岩裂隙水对混凝土结构钢筋混凝土结构中的钢筋无腐烛性、对钢结构具弱腐烛性。2.2.4对工程影响较大的特殊地质锦万区间隧道在始发及到达段因埋深较浅，须穿越一段卵、碌石层，地层透水性好，该段地下水位较高，为微承压水，对險道施工有一定影响，易造成喷涌及地表沉降。盾构下坡段及调坡段经过的地层为强、中风化粉质泥岩交汇地层，该地层段主要特点是隧道断面上部为强风化粉质泥岩，下部为中风化粉质泥岩，其强度差异性比较大，盾构掘进控制比较困难，姿态调整难度大。2.3区间盾构机选型2.3.1盾构选型的依据盾构根据不同的地质类型其适用范围是不同的，所以对与不同的地质特点，要选择与之相适应的盾构类型，以保证工程施工的顺利进行。盾构选型主要依据有区间險道设计及施工条件、工程及水文地质以及施工规范及相关标准等几个方面，再结合项目工程自身的特点对盾构类型、主要参数、辅设配置等进行分析，从施工的适用性、可靠性、安全性、先进性、经济性等几个方面综合考察来进行盾构的选型。长沙地铁2号线10标段盾构区间主要穿越的地层主要为泥质砂烁地层、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩、微风化泥质粉砂岩。区间段地下水位较高，地层透水性好，因此不宜使用半机械式或敞开式盾构掘进，而宜使用的盾构类型为密闭型的土压平衡盾构或泥水加压平衡盾构。2.3.2 土压和泥水盾构机的工程适宜性(1)土压盾构工程适宜性土压平衡盾构机的工作原理是：盾构 挖下的泥土在土舱内对开挖面土层形成支护作用，从而使 挖面稳定。因此土压盾构在某些方面既具有泥水盾构的优良特性，又避免了其复杂的泥水分离处理等工序，土压平衡盾构在險道施工中受到工程界的普遍重视。土压平衡盾构使用范围广泛，可根据地质条件的不同，对其类型进行设计，从松软粘性土到砂烁土层范围内土层都有其适用性。1)普通型土压平衡盾构工作原理是由刀盘切削下的泥土进入土船，再通过螺旋输送机将澄土向后排出，通过澄车运送处隧道。泥土被切削后受扰动塑流性增加，使泥土船内的土压向前均匀传递，因而通过调节螺旋机机转速或盾构推进速度，使得土舱土压与开挖面静止土压接近，从而保持开挖面土层的稳定，其适用范围主要是松软粘性土地层。2)加泥型土压平衡盾构与普通土压平衡盾构的区别在于其装备有注入添加材料以促进开挖土砂流动性的机构。在含砂量、含水量较大的土层中施工，根据土质不同，选用膨润土、高吸水树脂、泡沫、polymer等添加材料，通过盾构机的加泥装置将其注入开挖面和泥土仓，并通过搅拌机构将添加材料与渣土强力搅拌，改良渣土的可塑性、流动性、防渗性，使之符合土压平衡盾构施工要求。3)加泥衆型土压平衡盾构主要适用于土质松软、易于崩塌、透水性好的积水砂碌层，或被土较浅、泥水易喷出地面和易产生地表变形的极差地层的施工。4)加水型土压平衡盾构主要适应于砂层、砂烁层透水性较大的土层施工。(2)泥水盾构工程适宜性泥水平衡式盾构机工作原理是：盾构刀盘切削土体后，土体进入泥装室中，同时将泥楽送入泥楽室内，使泥衆在开挖面处形成不透水的泥膜，通过该泥膜保持水压力，以对抗作用于 挖面的土压力和水压力，同时泥菜中细微粘粒在极短时间内渗人土层，有利于增强土层自立能力。开挖的渣土以泥楽形式输送到地面，通过处理设备离析为土粒和泥水，分离后的泥水进行质量调整，再输送到开挖面。泥水盾构适用土层范围很广，从软弱粘土、砂土到砂碌层都可适用。对一些特定条件的工程，如大量含水砂碌，无粘聚力、极不稳定土层和覆土浅的工程，尤其是超大直径地表变形要求高的工程都能显示其优越性。另外对有些场地较宽、有丰富水源和较好排放或泥楽仅需作简单沉淀处理排放的工程，可较大降低施工成本。而且采用泥水加压盾构施工，不需辅以其它(气压、降水)工艺来稳定 挖面土层，其施工质量好、效率高、安全可靠。但是而它需要一套技术较复杂的泥水分离处理设备，投资较高，占地面积大，尤其是在城市施工困难较大。2.4刀盘形式刀盘标称直径6430mm，刀盘厚度450mm，从法兰盘底面到刀盘面板高1410mm，刀盘总重约57t。整个刀盘为 接结构，在刀盘上 接了安装各种刀具的刀座。刀盘和主驱动通过一个很厚的法兰盘连接，刀盘背面和法兰盘通过四根O600mm，壁厚100mm的钢管掉接在一起，以传递足够的扭矩和推力。刀盘可以双向旋转。图2.3 刀盘形式和刀具布置方式2.5刀具类型盾构刀具是根据地层岩石的不同强度和地质特点来进行设计选择的，在刀盘设计时，可以根据不同地层的特点在刀盘上安装不同类型的刀具以适应刀盘的挖lisi。目前刀盘设计的主要刀具类型包括：单刃滚刀、双刃滚刀、中心滚刀、齿刀、切刀、刮刀和仿形刀。刀具形式如下表2-3所示。表2-3 刀具形式双刃中心刀用于软、硬岩掘进，在软岩中可以换装齿刀单刃滚刀用于软、硬岩掘进，刀刃距刀到盘面165mm，撑子面与刀盘面碴土空间大，利于流动，可换装齿刀。用于软土、软岩掘进。其结构形式有利于碴土流动进土仓软土刀具，图示斜面结构利于软土切削中的导渣作用。同时可用做岩层掘进中的刮渣用于局部扩大隧道断面2.6盾构刀具布置方案(1)区间左右线均存在由于盾构进、出洞段洞顶埋深相对较浅，存在砂卵石地层，具有地层松散，透水性强的特点，且卵石单轴极限抗压强度为90.991.7MPa，漂石单轴极限抗压强度为88.695.3MPa。在富水砂卵石地层，地层对卵石缺少约束力，且由于卵石的抗压强度较高，滚刀只能部分破碎卵石，不能对卵石进行有效破碎，因而全部采用滚刀在砂卵石地层中施工时不适宜的，极易发生部分滚刀被松散的卵石卡主，从而使滚刀片不能产生自转而严重偏磨。如采用滚刀与其他刀具组合，对滚刀采取保护措施，可发挥滚刀破碎大粒径卵石的作用。(2)本区间下坡段岩层为强风化岩过渡至中风化岩层，由于多种岩层构成的交互层结构，掌子面呈上软下硬的布局，天然抗压强度为0.632.8 MPa。掌子面抗压强度变化范围较大。盾构机滚压破岩采用单刃滚刀还是双刃滚刀，主要取决于地层情况和隧道断面的大小。特别是对于软硬复合且变化频繁的地层，要满足开口率和多种道具要求，由于受刀间距的限制，宜选用双刃滚刀。综上分析，由于区间内存在不同的典型地层，即有富水砂卵石地层，又有软硬不均的交汇地层，其破岩机理略有不同，因此刀具的选择和布置形式应采用单刃、双刃滚刀组合切刀和刮刀等其他类型的刀具，这样更有利于降低刀具磨损，提局掘进效率。本区间盾构刀盘采用的刀具布置方案见表2-4。表2-4 刀具布置方案刀盘的开口率刀盘的开口率为刀间距的布置中心刀（双刃中心滚刀）轨迹间距：88mm；单刃滚刀轨迹间距：87.5mm；正齿刀与滚刀间距相同。弧形刮刀在圆周方向按900间隔对称布置。方齿刀的间距：240mm中心刀的类型根据实际地址情况考虑开口率要求配置4把中心刀，这样的设计完全可以满足根据工程的需要滚刀数量及轴向转动力矩4把双刃滚刀，34把单刃滚刀转动力矩2050Nm切刀/刮刀数量16把边刮刀和40把切刀各种刀具的高度差滚到刀刃距离刀盘面板的高度为165mm，刮刀、切刀距离刀盘面的高度为120，滚刀高出刮刀和切刀45mm滚刀轨迹图见图2.4图2.4 滚刀轨迹刀具可以根据地质的软硬不同按两种不同方式来组合使用，刀盘上布局了23把单刃滚刀，每把刀可以承受25t的推力，在岩层中掘进时刀盘需安装单刃滚刀、中心刀，在软岩中掘进时可以根据需要把单刃滚刀、中心刀更换为对应形式的齿刀。当刀盘安装滚刀时，刀盘的 口率约31%，当滚刀全部换为齿刀时，刀盘的开口率可以达到34%，特别是中心滚刀更换为中心齿刀后在刀盘的中心部位 口率增加，这样的设计形式有利于刀盘在软岩中的掘进，特别是有利于防止刀盘中心泥饼的形成。不同粒径的卵石的处理方式有：粒径低于300mm的卵石可通过刀盘开口直接进入土仓并通过螺旋输送机输出；粒径大于300mm的卵石破碎。对较小的卵石，滚刀破碎过程是以其通过线为起点，逐渐产生拉伸力，最终实现卵石破碎。对大直径卵石则从表面出现细小的剥落开始，然后逐渐累积，根据切割连带效果和滚刀的连续运转带来的冲击，以刀尖为起点开始出现裂痕，最后实现破碎。2.7刀具、刀盘的布局特点对地质的适应性(1)对长距离较完整的全断面砂卵石地层及硬岩的适应性刀具设计的最大岩层开挖强度为200MPa。而在区间内的岩石单轴抗压强度大部分在lOOMPa以下，所以刀盘刀具对于区间的硬岩是完全适应的。刀盘上 接的耐磨条及耐磨傳层是刀盘在砂卵石地层中掘进时的重要保证措施。所有的刀具都可以在刀盘背后换装，从而保证安全、高效地更换刀具。盾构在岩层中的设计掘进速度为20-40mm/min，能够满足区间的施工要求。(2)对软硬交互地层的适应性本工程使用的盾构机刀盘的设计能够适应软硬不均的地层施工。当通过软硬不均的地层时，可以根据地层的实际情况将刀盘上的滚刀和齿刀混装，配合碴土改良系统，调整刀盘的推力和扭矩参数，在掘进的过程中注意随时调整盾构的姿2.8本章小结本章在对长沙地铁2号线10标盾构区间的具体工程概况、地质参数进行充分分析的基础上，对区间盾构机及刀具选型进行了研究，得出如下主要结论：(1)比较了土压平衡盾构和泥水盾构各自的工程适应性，分析了盾构选型的依据和方法。针对长沙地铁2号线10标盾构区间具体地质条件，通过地层渗透系、颗粒级配数、地层类别、澄土处理和经济效益等多方面的比较，确定长沙地铁施更适宜采用土压平衡盾构机进行施工。(2)根据长沙地铁地质特点及地层岩性的不同分析了盾构刀盘设计、刀具选型以及刀具的布置方案，确定了长沙地铁10标区间盾构具体的和刀具类型。刀盘组合及刀具布置能够适应软硬交错地层及长距离较完整的全断面硬岩的盾构施工，当通过软硬交错的地层时，可以根据地层的实际情况将刀盘上的滚刀和齿刀混装进行掘进施工。第3章 受力分析刀盘受力分析的目的是：找出刀盘在掘进过程中的恶劣工况，并分析计算在恶劣工况条件下，刀盘及驱动结构所受力的状况；计算出各外力的大小，为以后刀盘的设计和优化提供依据。 刀盘的受力状况依据刀盘的形式不同而不同。刀盘的一般结构形式有面板式和辐条式两种。本掘进刀盘是复合刀盘，显然为了安装滚刀，刀盘必须采用面板式的。虽然是设计新型刀盘，但一些基本原理还是必须遵照成熟的理论和以往施工的经验。3.1 基本参数确定设计刀盘时首先要确定刀盘的扭矩、工作时所受推力以及应该设计的开口率大小等因素。刀盘的扭矩推力决定了刀盘工作时的负载，而开口率则影响着刀盘的结构。3.1.1 刀盘开口率的确定刀盘开口率是刀盘面板开口部分的面积与刀盘面积的比值，刀盘切削下来的碴土通过刀盘的开口槽流往土仓。刀盘的开口必须根据地质条件、开挖面的稳定性和挖掘效率来决定其形状、尺寸、配置。土压平衡盾构的开口率范围较宽，一般取 1030左右。刀盘开口位置应尽量靠近刀盘中心，以防止碴土在刀盘的中心部位流动不畅而形成泥饼。同时，由于刀盘中心部位的线速度较低，粘土、粉土、膨润土等粘稠土体在中心部位的流动性较差，粘性土容易在中心部位沉积，因此应适当加大中心部位开口率。为了适应多种地层，本刀盘采用尽可能多的刀盘开口率设计原则。3.1.2 刀盘扭矩计算盾构刀盘所需总扭矩 T 与围岩条件、盾构形式、盾构构造和盾构直径等因素确定，一般由一下几部分组成：(1) 因土壤切削所需扭矩(T1)； (2) 刀具刀盘与土体摩擦产生的扭矩(T2)； (3) 因搅拌土壤产生阻力所需的扭矩(T3)； (4) 轴承阻力所引起的扭矩(T4) (5) 密封摩擦阻力所产生的扭矩(T5)； (6) 传动减速机构机械效率损失阻力所产生的扭矩(T6)。 则刀盘扭矩可表示为：T T = T1 + T2 + T3 + T4 + T5 +T6(3.1) 通常为了计算简便，可以用下式计算扭矩。 T = k D3(3.2) 式中 k 为扭矩系数，D 为盾构直径（单位：m），T 取单位吨米。虽然扭矩系数与盾构形式、地质状况等有关系，但对于土压平衡盾构来说，通常 k 取值范围为 1.42.3。本盾构直径 D 为 5.72 米，取 k 值为 1.9，得切削扭矩为：T =1.95.723350Nm(3.3)刀盘采用变频电机驱动方式，选择电机后，查得最大扭矩为 500 吨米。3.1.3 盾构推进力的计算盾构推进力的设计原则是总推进力必须大于各种推进阻力的总和。盾构的推进阻力由以下力组成：(1) 盾构四周与土壤间的摩擦阻力或粘结阻力(F1)； (2) 推进时，在刃脚前端产生的贯入阻力(F2)； (3) 作用在切削刀盘上的推进阻力(F3)； (4) 变向阻力(曲线段施工、修正蛇行、对稳定翼及阀门的阻力等)( F4) (5) 在盾构内的衬砌与盾尾板问的摩擦阻力(F5)； (6) 后方台车的牵引阻力(F6)。这样总推力可以表示为： F推F = F1 + F2 + F3 + F4 + F5 +F6(3.4)个阻力的大小分别与盾构直径、长度、重量，地质土壤性质、各接触面的摩擦系数等因素有关，但实际计算时可以根据盾构的直径做快速估算。对于土压平衡盾构，一般每平方米盾构的推力 P 为 100130 吨力。本盾构直径 D5.72 米，可取P 为 120Tf/m2，则：(3.5)3.2 动力传递过程和刀盘受力分解盾构在掘进过程中有两个主要动力来源：一是提供盾构前进动力的液压油缸，二是驱动刀盘旋转的马达。这些结构不可能直接安装在刀盘上，而是通过驱动系统将力逐级传递到刀盘。如图 11 所示，盾构最外围是壳体切口环，动力箱 2 法兰边与切口环焊接在一起，动力箱 1 与箱 2 用螺栓连接在一起。为增加稳定性，动力箱 2 通过挡块与切口环连接。大齿轮（大轴承外圈）与动力箱 1、2 配合安装并用螺栓与动力箱 2 连接。传力环传递与大齿轮（大轴承内圈）用螺栓连接，传递力矩到牛腿上。牛腿两端分别与刀盘和传力环连接。 盾构在掘进中，马达提供的扭矩经传力环、牛腿等传递到刀盘，使刀盘产生旋转运动，驱动结构后部还有液压推进系统推动盾构前进。这两个基本动作使得隧道掘进得以进行。本盾构是泥水平衡盾构，为了保持掘进断面压力平衡，防止地面塌陷等状况发生，在掘进过程中在泥水搅拌腔中控制 0.5MPa 压力。 因此作用于刀盘的力总结为以下四个力，如图 2.1所示：1、盾构推进使得岩土对刀盘的反作用力 F；2、岩土抵抗刀盘旋转切削产生的反扭矩 T；3、为保持水土平衡的保持压 P；4、刀盘及其它构件本身所受重力 G。以上 4 个力除了保持压强 P 和重力加速度是固定的外，其余两个都依据各个工况不同。图3.1 刀盘及其驱动系统结构简图3.3 刀盘的工况和受力分析刀盘的工况分析其实是恶劣工况分析。刀盘正常工作时，马达以正常动力输出驱动刀盘工作而刀盘本身各部分受力均匀，而在恶劣工况中往往发生马达以最大功率输出或者刀盘只是局部承受负载。根据多年工程和试验经验，盾构掘进过程中有三分之一堵转、静启动脱困、3000 吨推挤、软土加固土层和软土刀架 1 米处堵转等恶劣工况，下面分别对其分析和描述。3.3.1 三分之一堵转工况三分之一堵转通常发生在硬岩掘进过程中，产生原因是由于盾构进给过快或前方切削面坍塌等原因造成岩土在刀盘前端堆积，使得刀盘切削扭矩不足以克服摩擦阻力而停转。而通常在岩土堆积高度到达刀盘半径三分之一时，刀盘才停转，所以一般称作三分之一堵转。图3.2 三分之一半径堵转工况受力分析堵转时，刀盘的切削扭矩为额定扭矩。如图 3 所示，假设抵抗扭矩的摩擦力 f均匀分布于接触面，而接触面积为 A，各点到旋转中心的距离为 r，则(3.6)其中(3.7)则(3.8)即(3.9)上式非常难以求出。现在我们假设 f 等价于接触面的形心处所受之集中力，则问题得以解决。形心到刀盘中心的距离可以通过软件方法测量出为 2608mm。根据力矩平衡有：f L1=T=T额 (3.10)根据前文介绍，T 额350 吨米，则(3.11)又知钢与岩土的摩擦系数为0.3，则推力(3.12)3.3.2 3000吨推挤工况在盾构即将被掘穿时，盾构司机通常会让盾构停止旋转，而用加大推进系统压力至最大，用刀盘把残余岩体推倒。这时，刀盘承受最大推力，而扭矩为零。对于本项目盾构，设计的最大推进力为 3000 吨，所以我们称之为 3000 吨推挤工况。这时刀盘受力最简单。不论岩层实际能施加多少反力在刀盘上，我们都假设刀盘受的反推力为最大值，即F= 3000吨 力3.0107N，而且均匀分布于刀盘壳体表面。此时，因为刀盘停止旋转，摩擦力 f 大小为零。3.3.3 软土加固土层堵转在软土层掘进中，软土到伸出到硬岩刀盘之前掘进，一般效率较高。但有时软土层由于土质太软，所以在隧道路线上竖井壁或在隧道出入口往往要采用人工加固。当隧道掘进经过竖井时，就会遇到岩土突然变硬的情况，这就会造成刀盘堵转。由此可知此时刀盘扭矩为额定扭矩。图 4 所示为软土刀顺时针掘进时刀架的受力状况。我们假设所有的刮刀都均匀与土层接触，则土层抵抗扭矩的反力通过刮刀平均作用与单方向各条刀架上。图3.3 软土加固土层堵转工况刀盘受力分析图中 R 为刀盘半径，f 为堵转力合力，又已知刀盘输出扭矩 T 等于额定扭矩 T额，则：(3.13)所以(3.14)软土刀盘的推反力比硬岩刀盘的纯摩擦问题要复杂。如图 5 所示，刮刀在切削岩石过程中，受力基本可以分解为 FT和 FN两个方向。在岩土切削方面，关于 FT和FN的关系并没有形成统一的理论。若参考金属切削理论，FN0.40.5FT。但对于大多数岩土而言，由于各向异性和非均匀性等特点，有着与金属完全不同的特性，根据相关试验研究的结论，FN0.010.08FT。 按照这种结论，推反力 F 按下式计算为：(3.15)图3.4 刮刀在切削时的受力分析按上述方法计算出来的结果只是表示，正常切削时需要推力的大小。实际上，在刀盘堵转时，整个软土刀架正面多数已经贴上岩土表面，推反力 F 的大小并不只是纯粹刮刀切削或者摩擦，而是两者的复合状况。软土刀盘有其单独的推进油缸，为了保证切削的稳定性，为了让软土刀盘适用更宽泛性质的岩土，我们设计的推进油缸能支持软土刀架正面 1MPa 的压力。这样问题反而变得简单，推反力可按最大1MPa 反算过来，而这也是可能发生的软土刀盘最大的推反力。 实际压力按软土刀架的宽度计算。3.3.4 软土1米处堵转在软土层隧道掘进过程中，如果遇到纵向地质过渡或遭遇孤石等状况时，盾构会发生堵转。一般来说，地质过渡范围在软土刀架外端向内一米范围时堵转就会发生。这种工况应该说和硬岩刀盘三分之一堵转有些类似。相同的力在大直径处产生的抵抗扭矩更大，因此也更容易造成堵转，所以这类堵转往往发生在外围。 如图 6 所示，假设抵抗扭矩反力 f 均匀分布与单条刀架外向内 1 米处。(3.16)所以(3.17)同样正面推反力的大小根据刀盘设计的实际尺寸按 1MPa 压强计算。图3.5 软土1米处堵转工况受力状况3.3.5 静启动脱困工况前面描述的几种堵转工况，盾构司机通常都可以把盾构稍微后退，然后从新启动的办法来解决这个问题。但有时遇到一些堵转，刀盘后退遇到困难，盾构需要加大扭矩来脱困。这时，在工程师指导下，盾构司机停止盾构推进，而把刀盘扭矩加大到最大扭矩 500 吨米，从而使盾构从新启动。这种工况是扭矩最大的工况，显然作为可伸缩式刀盘，软土刀架应该已经处在后缩状态，才可以进行脱困处理。如图 7 所示，我们按照前面几种工况的分析方法，同样计算出等效反扭力 f 和反推力 F 的大小。(3.18)则(3.19)根据库仑定律，算出推反力 F(3.20)图3.6 脱困工况受力分析刀盘受力本来情况较为复杂，但通过找出恶劣工况，然后根据不同工况，对刀盘受力进行分解，问题变得较为简单。经过以上的分析，刀盘的受力状况已分析清楚，这些信息为在后面的方案设计、模型设计和优化打好了基础。第4章 盾构刀盘方案设计4.1 刀型设计长沙2号线区间隧道断面内大部分都附存粘土层、粉细砂层、中粗砂层、卵石圆砾层，其中粘土层、砂层和卵石层所占比例较均匀。工程采用中6.14m辐条式土压平衡盾构施工，刀盘开口率75.5%，结构见图4.1，刀具配置由34把单刃滚刀、40把切刀、4把双刃滚刀、8把边刮刀组成，刀具介绍如下：(l)刮刀刮刀结构见图4.1，合金截面尺寸55mmxZomm，前角15，后角10。图4.1 刮刀(2)先行刀先行刀共两种形式，见图4.1，半径较大区域布置l型，半径较小区域布置2型，先行刀比普通切削刀高出50mm。(3)盘圈贝型刀盘圈贝型刀可视为周边先行刀，结构形式与I型先行刀类似，布置于刀盘外圈，切削外径略大于盾构直径，用于保护刀盘并减小推进摩擦。(4)鱼尾刀鱼尾刀设置在刀盘中心，体型较大，长1500mm，高出面板550mm，比普通切削刀高出440mm图4.2 先行刀结构图4.3 盘圈贝型刀图4.4 鱼尾刀结构图4.5 盾构刀盘4.2 刀盘结构形式对刀盘扭矩影响刀盘结构形式主要包括刀盘开口率大小、开口形式及刀盘宽度，不同地层对刀盘结构形式的敏感度相差甚大，淤粘土、粘土、粉土及细砂地层对刀盘结构形式敏感度低，几乎可采用各种刀盘结构形式；砾砂一砂卵石地层对刀盘结构形式敏感度高，刀盘结构形式设计不良将对掘进产生严重影响，甚至造成工程事故。受刀盘结构形式影响显著的参数包括主要有刀盘扭矩及刀具磨损系数，其中，地层及渣土性质决定了其显著程度，本章主要研究刀盘结构形式、地层及渣土性质对刀盘扭矩、刀具磨损系数的影响，并进行显著性分析。4.2.1 扭矩影响因素分析刀盘扭矩T可采用以下公式进行计算：(4.1)式中：，少-一刀盘正面、侧面与地层土体的摩擦扭矩(kNm)；Tcut一刀具切削扭矩(kNm)；Tmix，一-辐条与搅拌翼的搅拌扭矩(kNm)；Tseal-机械密封及轴承等摩擦扭矩(kNm)其中：(4.2)(