专利名称：一种土压平衡式盾构机幅条式刀盘结构强度验算方法
技术领域：
本发明涉及工程机械技 术领域，特别是涉及ー种土压平衡式盾构机幅条式刀盘结构强度验算方法。
背景技术：
盾构机系统给予配备了全套刀具的刀盘足够的推力和旋钻カ才得以在地层中掘进；反过来，刀盘结构必须有足够的强度来承受和传递这些力。如果在掘进过程中发生刀盘结构因強度不足而损坏时，其直接造成的经济损失是难以估量的。盾构刀盘设计涉及岩土、机械、力学等多个学科，因此在设计理论和方法等方面一直都是ー个比较复杂和困难的课题。而刀盘结构强度验算是ー项直接关系到整个盾构机是否能够安全工作的重大技术步骤。

发明内容
本发明提供一种土压平衡式盾构机幅条式刀盘结构強度验算方法，用以验算刀盘的结构强度。为达上述目的，本发明提供一种土压平衡式盾构机幅条式刀盘结构強度验算方法，所述方法包括如下步骤步骤I :验算内圈梁的传カ能力；步骤2 :验算长幅条的抗推力强度；步骤3 :短幅条抗推力エ况分析；步骤4 :验算幅条抗扭矩强度；步骤5 幅条抗扭矩与抗推力复合强度验算。进ー步，所述步骤I中验算内圈梁的传カ能力吋，将内圈梁的弧形梁段被模拟成为两端固定、中间简支的两跨超静定连续梁，其上荷载q为；其中，T。为刀盘推力的给定值，Φ1为内圈梁中线圆周直径。进ー步，所述步骤2中验算长幅条的抗推力强度时，推力，η为内圈梁与长、短幅条的交点总数；τ。刀盘推力的给定值；岩土反推力作用，(K为刀盘外圈直径，也等于ー根长幅条长度；将长幅条抗推力强度的验算模拟成为两端带伸臂的简支梁结构，q看做均布外载荷，长辐条与内圈梁的两个交点看做简支伸臂梁的支点。4、如权利要求I所述的土压平衡式盾构机幅条式刀盘结构強度验算方法，其特征在干，所述步骤3中，短幅条不承担盾构推力，该推力已在短幅条与内圈梁的交点处直接传至掌子面地层中。进ー步，所述步骤4中，具体包括步骤41，验算长幅条的抗扭矩强度的计算模型为一段固定的两跨连续梁，长幅条半跨的固端O为长幅条承受扭矩的反弯点，简支点B为长幅条与外圍板的交点，简支点D为长幅条与内圈梁的交点，外荷载Ni为掌子面岩土受长幅条旋转力作用下的反作用力；步骤42，验算短幅条的抗扭矩强度的计算模型为ー对对称却又各自独立的简支梁EF与GH ;支点E、H为短幅条与外圍板的交点，支点F、G为短幅条与内圈梁的交点；外荷载为掌子面岩土受短幅条旋转力作用下的反作用力；步骤43，验算外圍板压杆稳定性，其上压カX1的大小等于以上步骤41中所述B点反力X1。进ー步，长幅条的斜弯曲应カ 为··<7, = ^l,2 + σ,,2 _σ π为长幅条绕刀盘平面外的弯曲应力，O π为长幅条在刀盘平面内的弯曲应力。本发明有益效果如下
本发明对土压平衡式盾构机刀盘结构的作用机理采用了经典力学方法进行分析，并采用逆向思维逻辑，提出了ー套简单实用、安全可靠的关于刀盘结构强度验算的新方法，通过采用较为简单的方法，解决较为复杂的问题。


图Ia为本发明实施例土压平衡式盾构机幅条式刀盘结构的主视图；图Ib为图Ia的A-A剖视图(盾构机盾体内部设置图)；图Ic为本发明实施例一种土压平衡式盾构机幅条式刀盘结构強度验算方法的流程图；图2为本发明实施例内圈梁截面组成參考图；图3为本发明实施例内圈梁的结构计算模型图；图4为本发明实施例内圈梁弯矩5为本发明实施例内圈梁剪カ6为本发明实施例长幅条抗推力计算模型图；图7为本发明实施例长幅条抗推力弯矩8为本发明实施例长幅条抗扭矩计算原理图；图9为本发明实施例短幅条抗扭矩计算原理图；图10为本发明实施例长幅条(半跨)抗扭矩计算模型；图11为本发明实施例长幅条(半跨)基本结构单位力弯矩图胃;图12为本发明实施例长幅条(半跨)基本结构单位力弯矩图胃；图13为本发明实施例长幅条(半跨)基本结构荷载弯矩图Mp图14为本发明实施例长幅条抗扭矩总弯矩图；图15为本发明实施例短幅条抗扭矩弯矩图；图16为本发明实施例刀盘开ロ处之外圍板段压杆稳定性计算模型图。
具体实施例方式以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一歩详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。本发明所提供一种土压平衡式盾构机幅条式刀盘结构强度验算方法的简捷方法的原理及技术方案是如图I所示，土压平衡式盾构主要由刀盘、盾体(含压力土仓)、螺旋输送机、管片拼装机、同步灌浆机构、推进油缸、旋转电机等组成。关键部位是在刀盘的后背设置了一道厚度很大的圆形密封隔板，围绕隔板的周边立起了一道封闭的围板(前盾壳的延伸)，使两者共同形成了一个大盘，大盘内包含着刀盘，大盘叩在掌子面上与土层之间形成了一个封闭的泥土舱。舱底板就是那块圆形的厚隔板，螺旋输送机与该隔板有密闭通道连通。被刀盘切削下来的泥土系通过螺旋输送机输送出去。盾构掘进过程中，被切削下来的泥土可暂时贮存在土舱中，并用以平衡掌子面土层的水土压カ(塌落力)使之土层保持平稳不塌方。可以通过调节盾构推进速度或螺旋输送机的排土流量来控制掌子面的泥土开挖量，使开挖量与排土量之间保持相对平衡，从而防止掌子面土层的过度扰动而坍落。这就是土压平衡式盾构的基本工作原理。反之，就很容易推导出刀盘结构与掌子面岩土地质界面间的相互作用原理。I.作用在刀盘结构上的最大推力它等于盾构设计总推力减去盾体外表面与土 层之间可能发生的各种摩擦阻力之后的净推力，就是这ー净推力，才把刀盘结构整体强迫推入掌子面地层中(切入)。反过来，地层就会给予刀盘ー个大小相等的反作用力，这一反作用力就是验算刀盘强度的外力。等到刀盘向前推进到一定深度，土舱已填满，隔板成为土层的一道挡板时，土层对刀盘结构的反作用力就会相应减小，此时刀盘结构所受外力并非最不利状态，不能用作验算强度之用。至于盾构设计总推力的具体计算方法，目前已有一整套成熟的经验公式在流行使用(刀盘扭矩计算亦然)，它主要包括①盾构推进时正面推进阻力F1 盾构外壳与周围地层摩擦阻力F2 刀具切削土体引起的轴向阻力F3 刀盘开ロ处轴向阻力F4等。而盾构设计总推力应不小于以上各力之和并乘以保证系数K= I. 5 2. O,即。综上所述，用来验算刀盘强度的最大推力基本上等于Ttl = Yl. 5 2. OYF102.作用在刀盘结构上的最大扭矩它等于刀盘设计总扭矩减去刀盘结构体表与土层之间存在的摩擦阻カ矩后的净扭カ矩，就是这ー净扭カ矩，才可把已切入土体中的刀盘结构旋转起来，使刀具能够在盾构行进中不断的旋切土体。这个扭矩与轴向推力联合作用的效果就相当于一把人们常用的“钻子”的概念。刀盘设计总扭矩主要包括①刀盘表面和土体之间的摩擦阻カ矩Mkl ;②刀盘背面与土舱内土体的摩擦阻カ矩Mk2 刀盘侧面与土体之间的摩擦阻カ矩Mk3 ;④刀盘刀具切削土体时的地层抗カ矩Mk4 ;⑤刀盘开ロ处切削岩土所需カ矩Mks等。而刀盘设计总扭矩应不小于以上各力之和并乘以保证系数K= I. 5
2.O,即。综上所述，用来验算刀盘结构抗扭矩強度的最大扭矩基本上等于总的来说幅条式刀盘结构本身系由若干根长幅条、短幅条、内圈梁、外圍板、中心刀、仿形刀、刮刀等组成，可见图I中之a)主视图所示；刀盘正面就是各式刀具，背面就是压力土舱。压カ土舱其实就像个承放着刀盘的铁盘子，当这个大盘子叩在隧道开挖面(掌子面)上时，刀盘就在里面旋转和推迸。注意，刀盘中的内圈梁不仅是成为放射形幅条的腰间联系梁，而且盾构机系统的推进カ和扭矩均是通过它传递给各幅条，最終作用在隧道掌子面上。所以刀盘结构强度验算不但要验算幅条的抗推力強度和扭矩强度，还要验算内圈梁的传カ能力。本发明提供的刀盘结构强度验算的简捷方法，其前提是必须已知刀盘结构的细节设计及盾构机系统对全部幅条的最大设计总推力、最大设计总扭矩以及内圈梁的直接最大总推力等參数。上述參数都是刀盘设计者给出。首先计算内圈梁的传カ能力。内圈梁截面一般做成斧形，斧刃直指刀盘表面但其标高(将刀盘平置吋)比幅条顶面低一格，即当幅条抵紧隧道掌子面时，内圈梁斧刃尚接触不到掌子面。所以盾构推力首先是通过内圈梁传递给长短幅条的。实际构造是内圈梁被长、短幅条在整圈周长内分隔成若干个弧段梁，拿出一个如下所描述的弧段梁来讲，其左端与长幅条固接，右端与另ー个长幅条固接，梁段中间与ー根短幅条相连接；在上述各接点处，正如前述幅条是抵紧掌子面的(支撑)，内圈梁斧刃与掌子面之间可算作是悬空的，故本发明将内圈梁段这样的构造模拟成为两端固定，中间简支的连续梁结构，梁上作用着均布荷载q，q的大小等于已知的盾构机系统对内圈梁的直接最大推力除以内圈梁的中线周长。本发明把盾构机系统匀布的推力油缸通过大型回转支撑再作用到内圈梁上，模拟成为均布荷载是十分合理的做法。如此的有四次超静定的连续梁结构可列出力法典型方程式手算求解；得出内力弯矩、剪カ图后，即可根据内圈梁截面几何性质算出其最大工作应力。接着验算长幅条的抗推力強度。本发明是这样来建立它的计算模型的我们取出一根长度等于刀盘面直径的所谓长幅条进行分析。每根长幅条与内圈梁都有两个相交连接处，这两处即为盾构机加力架通过大型回转支撑经由内圈梁传递推力的作用点。由此可见，这时长幅条在掌子面上的工作状态，就好比一根刚劲梁卧倒在地面上，在其上对称两点施以相等的集中压力，可以假设此时地面对梁底的反作用力是沿梁全长均匀分布的荷载q，Q的大小等于已知的盾构机系统对全部幅条的最大设计总推力除以内圈梁与长幅条、短幅条之交点总数，再除以ー根长幅条的长度。此时长幅条计算模型被模拟成为两端带伸臂的简支梁结构。其次分析短幅条的抗推力情況。短幅条外端与外圍板相交连接，里端与内圈梁相交连接，但推力作用点只在里端ー处，故推力将直接由此处传给掌子面地层中，可见短幅条本身所受推力近似为零，于是掌子面上岩土反作用力q也近似为零。这说明刀盘中全部短幅条理论上只承担扭矩。现在开始验算长幅条的抗扭矩强度。先拟定长幅条抵抗扭矩之计算模型。与推力强度验算ー样，取出一根长度等于刀盘面直径的所谓长幅条进行分析和建立它的计算模型。每根长幅条与内圈梁都有两个相交连接处，这两处即为内圈梁传递扭矩至长幅条上的作用点。刀盘扭矩的施加方法是通过旋转电机驱动安装在内圈梁上的回转支撑转动，使内圈梁受力并带动刀盘绕中心轴旋转。本发明所拟定的长幅条抗扭矩的计算模型是取出ー根长幅条，在刀盘平面内，在其与内圈梁两处相交连接处作用着ー对カ偶，力偶的力臂长度等于内圈梁中线直径，力偶的大小等于一根长幅条在已知的盾构机系统对全部幅条的最大设计总扭矩所占份额。长幅条在这对カ偶作用下旋转切削掌子面地层，岩土对幅条的反作用力成线性三角形反对称分布，反对称点在旋转中心。我们利用対称性进ー步简化计算模型取长幅条之一半长，则在刀盘平面内它即成为两跨连续梁结构与外圍板相交处成为简支点B，与内圈梁相交处成为简支点D， 反对称点O (转枢处)成为固定端，其上荷载为三角形分布荷载，在反对称点处为零，在外圍板处达到峰值(算法见下节)。对这样的两跨连续梁，可用力法及图乘法求出其弯矩和支反力，验算幅条的抗弯与抗剪强度。
再来拟定短幅条抵抗扭矩之计算模型。我们认为在同一幅射线上的两根隔空相对的短幅条，就相当于ー根连续的长幅条在内圈梁所包络的区段内被截去了ー节。于是原为线性三角形反对称连续分布的荷载，在内圈梁所包络的区段内踏空了，变成了两个反对称的梯形分布荷载，原为两跨连续梁也变成了一跨简支梁。接着须验算外圍板在刀盘平面的抗压强度或抗压稳定性。其计算模型，本发明是这样模拟的在刀盘开ロ处，即长幅条外端头和短幅条外端头之间的一段弧形外圍板取出作为隔离体，隔离体两端作用压カ就是上述长幅条一半长之两跨连续梁支点B反力或短幅条简支梁支点H反力，两者近似相等。弧形外圍板隔离体压杆的偏心率等于弧形板段之矢矩。最后验算幅条抗推力与抗扭矩作用产生刀盘平面内弯曲应カ与面外弯曲应カ联合作用，形成斜弯曲应力，且两者最大值同时发生在长幅条的中心截面，故应验算该处的复合強度。由图I所示可见，土压平衡式盾构机主要包括刀盘、盾体(含压力土舱)、螺旋输送 机、推进油缸、旋转电机、管片拼装机等；而幅条式刀盘结构包括若干根长幅条、短幅条、内圈梁、外圍板及各种刀具等。刀具装在刀盘的前面，刀盘的背面就是压カ土舱。盾构机系统的推进カ和旋转カ(扭矩)是通过内圈梁传递给幅条，最終作用在隧道掌子面上。依此，本发明验算刀盘结构强度和具体步骤如下已知条件1.实施例对象为图I所示盾构机总成图；2.通过刀盘作用到隧道掌子面上的最大推力TQ = 70200KN ；3.直接作用到内圈梁的最大推力TQ = 93600KN4.刀盘所要承担的最大扭矩MK。= 3060000KN I cm ；5.长、短幅条规格Φ 610 X 70mm钢管；6.外圍板规格hXS =610X120mm;7.内圈梁截面组成如图2 ;8.结构钢材Q345B。下面，如图Ic所示，本发明涉及一种土压平衡式盾构机幅条式刀盘结构強度验算方法，包括如下步骤步骤I :验算内圈梁的容许弯曲应カ和容许剪应カ首先建立计算模型图3.由图2可见，内圈梁截面成斧形，斧刃周圈处于刀盘正前面，但其顶面高度相对幅条顶面高度被设计为低一格，以使当幅条已抵紧掌子面吋，内圈梁斧刃与掌子面之间尚保持空挡。所以盾构的推力首先加在与内圈梁背面相连接的回转支撑上，再均匀地全部传压到内圈梁上，再由内圈梁传到其与长、短幅条的交点，即支承点上。因此，验算内圈梁的传カ能力的计算模型可模拟成图3所示形式。图中荷载，式中内圈梁中线圆周直径Φ1可从图I获得，推力Tq已在已知条件中给出。由图I可见，整个内圈梁被3根长幅条分割成6根弧形梁段，图3是取其中一个梁段来建立计算模型。该典型梁段被模拟成为跨中内有简支点、两端点被固定的连续梁结构。图3结构共有4次超静定，可用已公开发表的清华大学《结构力学求解器》或图乘力法求出其弯矩、剪カ图，如图4、图5所示。由图2可求得内圈梁截面惯性矩I，最小抗弯模量W1和截面积Α，再由图4得出最大弯矩Mniaxn和由图5得出最大剪力Qniaxn，则可求出截面计算应カ为
权利要求
1.一种土压平衡式盾构机幅条式刀盘结构強度验算方法，其特征在干，所述方法包括如下步骤 步骤I:验算内圈梁的传カ能力； 步骤2 :验算长幅条的抗推力強度； 步骤3 :短幅条抗推力エ况分析； 步骤4 :验算幅条抗扭矩强度； 步骤5 :幅条抗扭矩与抗推力复合强度验算。
2.如权利要求I所述的土压平衡式盾构机幅条式刀盘结构強度验算方法，其特征在于，所述步骤I中验算内圈梁的传カ能力吋，将内圈梁的弧形梁段被模拟成为两端固定、中间简支的两跨超静定连续梁，其上荷载q为 其中，T。为刀盘推力的给定值，Ct1为内圈梁中线圆周直径。
3.如权利要求2所述的土压平衡式盾构机幅条式刀盘结构強度验算方法，其特征在于，所述步骤2中验算长幅条的抗推力强度时，推力，η为内圈梁与长、短幅条的交点总数；Ttl刀盘推力的给定值；岩土反推力作用，(K为刀盘外圈直径，也等于ー根长幅条长度；将长幅条抗推力强度的验算模拟成为两端带伸臂的简支梁结构，q看做均布外载荷，长辐条与内圈梁的两个交点看做简支伸臂梁的支点。
4.如权利要求I所述的土压平衡式盾构机幅条式刀盘结构強度验算方法，其特征在于，所述步骤3中，短幅条不承担盾构推力，该推力已在短幅条与内圈梁的交点处直接传至掌子面地层中。
5.如权利要求I所述的土压平衡式盾构机幅条式刀盘结构強度验算方法，其特征在于，所述步骤4中，具体包括 步骤41，验算长幅条的抗扭矩强度的计算模型为一段固定的两跨连续梁，长幅条半跨的固端O为长幅条承受扭矩的反弯点，简支点B为长幅条与外圍板的交点，简支点D为长幅条与内圈梁的交点，外荷载N1为掌子面岩土受长幅条旋转力作用下的反作用力； 步骤42，验算短幅条的抗扭矩强度的计算模型为ー对对称却又各自独立的简支梁EF与GH ;支点E、H为短幅条与外圍板的交点，支点F、G为短幅条与内圈梁的交点；外荷载为掌子面岩土受短幅条旋转力作用下的反作用力；步骤43，验算外圍板压杆稳定性，其上压カX1的大小等于以上步骤41中所述B点反力X1。
6.如权利要求I所述的土压平衡式盾构机幅条式刀盘结构強度验算方法，其特征在于， 长幅条的斜弯曲应カO I为: ' Oπ为长幅条绕刀盘平面外的弯曲应力，σ n为长幅条在刀盘平面内的弯曲应力。
全文摘要
本发明公开了一种土压平衡式盾构机幅条式刀盘结构强度验算方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤步骤1计算内圈梁的容许弯曲应力和容许剪应力；步骤2验算长幅条在刀盘平面外的容许弯曲应力和容许剪应力；步骤3分析短幅条抗推力状况；步骤4验算长、短幅条在刀盘平面内的容许弯曲应力；步骤5验算长幅条的斜弯曲应力。本发明对土压平衡式盾构机刀盘结构的作用机理采用了经典力学方法进行分析，并采用逆向思维逻辑，提出了一套简单实用、安全可靠的关于刀盘结构强度验算的新方法，通过采用较为简单的方法，解决较为复杂的问题。
文档编号G01M13/00GK102680219SQ20121013549
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月4日 优先权日2012年5月4日
发明者张广谭, 李文秀, 沈广文, 王秀杰, 胡广权, 郭京波, 郭美琪, 黄耀怡 申请人:秦皇岛天业通联重工股份有限公司