在很多地質(zhì)施工中都會用到盾構(gòu)機，根據(jù)施工環(huán)境的不同，盾構(gòu)機的的工作原理也不同。盾構(gòu)機刀盤是盾構(gòu)機工作中不可缺少的一個部件，本文就針對復(fù)合地層條件下刀盤結(jié)構(gòu)適應(yīng)性進行了一些研究，文章是一篇研究生論文發(fā)表范文。
　　【摘 要】本文通過分析盾構(gòu)機刀盤的結(jié)構(gòu)和受力，根據(jù)力學(xué)分析結(jié)果對刀盤進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，滿足在全斷面掘進過程中的應(yīng)用。本文的分析過程為其他工程項目的刀盤扭矩及盾體推力的力學(xué)分析，和結(jié)構(gòu)優(yōu)化打下基礎(chǔ)。

　　【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)機刀盤,三維建模,有限元分析

　　前言

　　地質(zhì)條件是影響盾構(gòu)施工的一個十分重要的因素。影響盾構(gòu)施工的地質(zhì)參數(shù)包括：N值、透水性、含水率、重度、粒度、抗壓強度、強度特性(摩擦角、內(nèi)聚力)等。本文就針對廣州地鐵4#南延線復(fù)合地層條件下對刀盤結(jié)構(gòu)的影響進行研究。

　　1、復(fù)合地層分析

　　廣州地鐵4#線【塘坑站～資訊園站】區(qū)間。

　　塘坑站～資訊園站區(qū)間左線全長：2074.2米，最小曲線半徑為400m，隧道穿越地層主要為全斷面硬塑狀砂質(zhì)性土、強風(fēng)化巖、中風(fēng)化巖以及部分微風(fēng)化巖。中風(fēng)化巖強度均值為47.3MPa，微風(fēng)化強度為80MPa，最高106MPa。

　　本標(biāo)段重難點問題有： 1)上軟下硬地層含塊狀碴土，流塑性差，摩擦阻力大，碴土改良的效果較差，需要的刀盤攪拌力矩大;如果欠壓掘進或降低推進速度可降低刀盤扭矩，但會導(dǎo)致地表沉降超限。在此地層由于偏載，盾構(gòu)掘進時易發(fā)生偏轉(zhuǎn)，地層軟硬不均會造成刀具的沖擊損壞和偏磨。2)長距離掘進的刀盤耐磨設(shè)計。

　　2、復(fù)合刀盤結(jié)構(gòu)配置

　　刀盤結(jié)構(gòu)設(shè)計需滿足上述地質(zhì)掘進要求。本項目刀盤配置見圖1：1)整體為十字主梁結(jié)構(gòu)，刀盤材質(zhì)為Q345B;2)在配置足夠數(shù)量刀具前提下，刀盤開口率仍達(dá)33%。刀盤中心部位到周邊的開口貫通，碴土流動順暢，避免在砂質(zhì)粘性土和全、強風(fēng)化巖中掘進產(chǎn)生泥餅;3)碴土改良：5個泡沫口，2 個膨潤土口，單管單泵，保證各口的通暢;4)中心刀間距100mm，正滾刀的刀間距90mm，邊滾刀間距75mm，較小刀間距破巖能力強。配置單刃滾刀23把，雙刃中心滾刀8把，邊緣刮刀36把，正面刮刀62把，磨損檢測刀1把，圓周保護刀18把，刀箱保護刀20把(含4內(nèi)圓保護刀)。

　　3、復(fù)合刀盤有限元分析

　　3.1 受力分析

　　1)刀盤扭矩：M=aD3

　　國外大量工程實踐給出扭矩系數(shù)a值大都在8～23范圍內(nèi)。在同樣或類似地質(zhì)條件條件情況下，小直徑盾構(gòu) 取大值，大直徑盾構(gòu) 取小值。廣州的工程實踐(盾構(gòu)直徑在3.33 ～ 10.22m之間)證明a值應(yīng)在18～25之間。

　　本項目配置的刀盤工作扭矩為5440kNm，脫困扭矩6528 kNm。(圖2)，綜上本項目配置的刀盤a值為22.2。

　　2)推力：T=βD2

　　國內(nèi)外的經(jīng)驗表明：推力β值一般在500 kN/m2～1200kN/m2之間，在同樣或類似地質(zhì)條件和隧道條件情況下，小直徑盾構(gòu)β取大值，大直徑盾構(gòu)β取小值。

　　廣州的工程實踐證明：β值應(yīng)在900kN/m2～1200kN/m2之間。用于復(fù)合地層應(yīng)取大值。我們配置的盾構(gòu)推理為36000kN 。綜上分析，因此本項目配置的盾體總推力β值為918.7kN/m2。

　　3.2 有限元分析前提條件

　　1)UG建模：需進行整體模型建立，網(wǎng)格劃分、約束添加、加載載荷;2)輸入條件：刀盤所用材料為Q345B鋼板，有限元模型采用的材料參數(shù)如下：彈性模量2.0e11Pa;泊松比0.3;密度7850kg/m3;線膨脹系數(shù)1.2e-5;3)受力簡化。

　　工況一：計算時施加的扭矩為6528kNm，經(jīng)計算推力主要來自于取總推力1037T，并且約束刀盤法蘭連接面的全部自由度作為位移邊界條件。有限元受力分析分析結(jié)果如下：

　　根據(jù)有限元分析結(jié)果，刀盤最大應(yīng)力出現(xiàn)在牛腿和刀盤接觸處，最大165.42MPa，刀盤絕大部分區(qū)域的等效應(yīng)力小于130 MPa ，刀盤的等效應(yīng)力分布云圖如圖3、4所示。刀盤結(jié)構(gòu)最大變形發(fā)生在刀盤外緣邊滾刀安裝處為2.48mm。刀盤的綜合位移分布云圖如圖5、6所示。刀盤設(shè)計所用材料為Q345B，該材料的許用應(yīng)力為295MPa。因此該刀盤的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足強度要求。

　　4、結(jié)語

　　通過對廣州地鐵4#南延線地鐵工程的分析，得到在盾構(gòu)機在均衡受力情況下的刀盤，滿足項目在全斷面掘進過程中的應(yīng)用。

　　參考文獻

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　　工程師論文發(fā)表期刊推薦《建筑機械化》創(chuàng)刊于1980年，由中國建筑科學(xué)研究院建筑機械化分院主辦，是中國質(zhì)協(xié)用戶委員會建設(shè)機械設(shè)備委員會會刊， 國內(nèi)外公開發(fā)行，是介紹工程機械、機械化施工及行業(yè)動態(tài)的綜合性科技期刊，在國內(nèi)同類刊物中創(chuàng)刊時間早、發(fā)行 范圍廣、實用性強。主要讀者是工程機械設(shè)備使用、管理、維修人士和生產(chǎn)廠家、租賃商及代理商。

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