谢振国/XIE Zhenguo

（中铁隧道局集团有限公司设备分公司，河南 洛阳 471009）

目前我国城市轨道交通建设正处于高速发展阶段，全国已有40 多个城市建设或规划了轨道交通项目，而盾构法施工在轨道交通建设中有着不可替代的作用[1]。

刀盘是盾构隧道掘进施工的关键工序部件，其设计是否合理是盾构能否快速掘进的关键。而刀盘开口率作为盾构刀盘适应地层选型时的重要参数，直接影响到掌子面稳定、出渣效果和掘进效率[2]。

刀盘的开口率根据其结构形式和刀具配置而确定，若进一步增大刀盘开口率，一般需要更换不同结构形式的刀盘。但在某些相似地质情况下，为更好满足实际使用效果，对原刀盘结构进行局部的设计变动，用较少的费用投入提高刀盘的适应性，达到提高盾构掘进效率、降低施工成本的目的，已经越来越符合项目“节能环保、降本增效”的实际要求。

近年来大量学者对盾构刀盘开口率进行了研究[3-4]，但目前在针对盾构刀盘整体开口率现场改造技术的研究较少。本文以沈阳地铁工程某盾构为例，针对刀盘开口率偏小易造成土仓渣土进渣不畅的实际情况，通过强度、刚度计算确认，对刀盘结构开口进行了改造设计，取得了良好的施工效果，同时为今后盾构刀盘开口率改造设计提供参考和借鉴。

1 工程项目概况

沈阳市轨道交通某标段区间正线隧道采用土压平衡盾构施工。区间总长约1 189m 双线米，左、右线各设置2 处平曲线，曲线半径均为450m，线间距13.00～17.00m，最大坡度为20‰，线路最小埋深约10.1m、最大埋深约18.9m。

盾构隧道管片外径为∅6 200mm，隧道洞身穿越地层主要为粉质黏土、砾砂、中粗砂，区间施工示意如图1 所示。

图1 盾构区间施工示意图

原盾构在相邻区间掘进过程中发现存在土仓进渣不畅的问题，现计划利用原盾构刀盘进行改造设计，增大开口率以更好地满足后续隧道区间施工任务要求。

2 盾构刀盘开口率改造设计方案简介

2.1 原盾构刀盘简介

某常规盾构为国产土压平衡盾构，适用于沈阳地铁隧道掘进施工。其刀盘结构型式为辐条式软土刀盘，开挖直径∅6 410mm，开口率约为43%，外表面采取耐磨设计。原盾构刀盘结构如图2 所示。

图2 原盾构刀盘结构示意及现场图

2.2 刀盘开口率改造设计方案

为更好地服务于沈阳地铁新建轨道交通线路盾构区间隧道的施工任务要求，本着“技术成熟、结构简单、经济实用、安全可靠”的原则，提出原盾构刀盘开口率改造方案如下。

1）结合原机刀盘情况，前期理论设计刀盘开口率改造方案及操作要点，作为后续改造的依据；刀盘改造前后，刀盘结构型式如图3 所示。

图3 开口率改造前后刀盘结构示意图

2）在刀盘与主驱动分离前作业或吊出接收井后放置固定于相应支撑工装上作业，利用割枪将原6 组小面板分别与大圆环和内圆环分离，并在圆环与面板焊接处重新切割坡口、打磨平整（图4）。

图4 刀盘改造现场图

3）按照刀盘开口率改造设计方案，采用Q355B 钢材新制6 组刀盘小面板结构并重新定位焊接，然后按照相关设计要求焊接筋板进行加固。

4）新制面板焊接完成后，按照方案设计进行刀具的定位焊接；刀具焊接完成后，在6 组新制面板上堆焊60×60mm 耐磨网格，网条宽度5mm，高度5mm（图5）。对改造完成后的刀盘整体结构进行焊缝探伤，确保后续项目使用要求。

图5 刀盘改造示意图

开口率改造后的刀盘开口率约为50%，改造减少重量约0.5t，改造后的总重约34.5t。改造前后刀盘主要参数对比如表1 所示。改造后刀盘结构如图6 所示。

表1 刀盘改造前后参数对比表

图6 改造后刀盘结构图

3 盾构刀盘改造静力学分析

3.1 模型的简化与说明

刀盘结构整体所采用的材料为Q355B，密度为7.85×103kg/m3，弹性模量为200GPa，泊松比为0.28。为验证刀盘开口率改造方案的可靠性，利用Ansys workbench 有限元软件对其进行静力学仿真分析，校核改造后刀盘结构的强度和刚度。

首先对改造后的刀盘模型进行了合理的简化假设，并采用自动网格划分生成器，最大尺寸为60mm，同时进行几何曲率（Curvature）控制，在曲率大的位置进行加密以正确地离散出模型的实际结构形状，示意如图7 所示。

图7 刀盘模型网格划分示意图

3.2 约束及载荷设置

模拟刀盘掘进过程，在对盾构刀盘进行受力分析时，其所受载荷主要有刀盘驱动扭矩T、岩土对刀盘的阻力F以及刀盘自重。

结合区间地质情况，盾构掘进主要穿越为粉质黏土、砾砂、中粗砂地层，故在对改造后的刀盘进行仿真分析时，主要考虑施工过程中刀盘受到前方土层阻力导致刀盘停转，处于脱困推进的极限工况。

1）根据GB 34651-2017《全断面隧道掘进机土压平衡盾构》附录A中刀盘装备扭矩计算公式[5-6]，按照经验计算法，刀盘装备扭矩为

式中β——扭矩系数，不宜小于18；

Dk——刀盘开挖直径，为6.41m。

代入计算可得T=4740kNm，而现盾构主机参数脱困扭矩为6 862kNm。

2）掘进过程中岩土对刀盘的阻力，根据GB 34651-2017《全断面隧道掘进机 土压平衡盾构》附录B 装备推力公式中刀盘推力FS为

式中PS——实际掘进土压，该盾构最大工作压力为3bar；

D——刀盘开挖直径，为6.41m。

代入计算可得FS=9690kN，根据实际施工经验，盾构推力最大能达到2 600t，由于实际地层工况复杂，取掘进过程中动载系数1.5[7]，综合考虑刀盘开口率等因素取刀盘所受推力FS=11000kN。

仿真模拟改造后的刀盘在极限工况脱困状态，对刀盘法兰进行固定约束，并施加相应推力、扭矩及加速度载荷。参数如表2 所示，约束及载荷示意如图8 所示。

表2 约束及载荷表

图8 刀盘约束及载荷示意图

3.3 分析结果

刀盘改造过程中所采用的材料为Q355B，根据国家标准GB 1591-2018《低合金高强度结构钢》和GB 50017-2017《钢结构设计规范》，对于按承载能力极限状态计算的钢结构，可变荷载的安全系数[8]γ=0.9×1.4=1.26；钢结构的重要性系数[9]γ0=0.95。

故对于刀盘结构不同厚度钢板，其屈服强度许用应力值如表3 所示。

表3 刀盘不同厚度钢板屈服强度许用应力表

经Ansys 软件求解计算，脱困状态下改造后的刀盘整体最大等效应力为256.51MPa，出现在刀盘辐条背部与扭腿焊接处，属于应力集中点；刀盘改造面板结构部分，最大等效应力为200.57MPa，出现在加焊筋板与内圆环焊接处，属于应力集中点；刀盘变形均匀，最大变形量为3.9731mm，出现在新制面板边缘表面，如图9、图10 所示。

图9 刀盘等效应力云图（单位：MPa）

图10 刀盘变形云图（单位：mm）

综上所述，改造后的刀盘最大等效应力小于其许用应力，具有足够安全系数，故其强度满足使用要求。通常刀盘受力变形需控制在刀盘直径的1‰以内[10]，故改造后的刀盘允许最大变形量约为6.3mm，经仿真分析计算，改造后的刀盘最大变形量约为3.9mm，低于刚度设计允许值，故其刚度满足使用要求。

4 盾构刀盘改造设计要点

1）在刀盘开口率改造设计前期，需根据项目工程地质情况，编写刀盘改造设计方案。

2）在刀盘开口率改造设计过程中，若发现刀盘面板与圆环焊接处应力过大或结构强度不足等问题，可通过增加结构厚度、设置加强筋等方法来提高结构强度。加强筋设置参考如图11 所示。

图11 加强筋优化设计参考图

3）在刀盘正常设计和实际施工过程中，刀盘面板与圆环连接处、刀盘法兰与扭腿连接处由于需要传递驱动扭矩且焊缝较多，极易发生应力集中，影响结构强度；故刀盘改造前后，在整体焊缝质量检测的同时，需重点关注此处焊缝质量。

5 结论与讨论

本文针对某常规土压平衡盾构刀盘进行了开口率改造设计，开口率由原43%增大至50%，通过Solidworks 建立改造后的刀盘模型，并利用Ansys workbench 软件对改造后的刀盘结构进行静力学仿真分析验证，得出主要结论如下。

1）通过静力学仿真分析可知，改造后的盾构软土刀盘在极限工况脱困状态下，刀盘整体最大等效应力为256.51MPa，出现在刀盘辐条背部与扭腿连接处；刀盘改造新制的面板结构最大等效应力为200.57MPa，出现在加焊筋板与内圆环焊接处；刀盘最大变形为3.9731mm，出现在刀盘新制小面板边缘。改造后的刀盘结构强度及刚度均在设计误差允许范围内，故满足工程力学要求。

2）通过经济性分析，经开口率增大改造设计的盾构刀盘较新制同规格开口率的盾构刀盘，能够节约80%以上的原材料，直接节约制造成本80%以上，经济效益极其显著。目前开口率改造后的刀盘已完成既定工程区间掘进施工任务，后续将继续在沈阳地铁建设中发挥作用，实物图如图12所示。

图12 改造后刀盘实物图

某常规土压平衡盾构开口率改造后能够更好地满足沈阳城市轨道交通建设施工要求，从而避免了新制较大开口率的刀盘，合理延续了原刀盘的剩余使用寿命，是一次比较成功的探索和实践，同时可为同类型的盾构改造与应用提供借鉴和参考。