焦露琳，楊振興，趙小龍

(1.中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 511458； 2.廣東省隧道結(jié)構(gòu)智能監(jiān)控與維護(hù)企業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 511458； 3.盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 鄭州 450001)

0 引言

刀盤、刀具是全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)(簡稱TBM)破巖掘進(jìn)的核心部件，承受沖擊荷載的巖機(jī)耦合作用，易出現(xiàn)刀盤劇烈振動(dòng)、局部疲勞損傷、面板開裂、刀具非正常磨損等問題[1-3]。特別是軟硬復(fù)合地層，刀盤面板不僅承受刀具破巖沖擊荷載，同時(shí)隨刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)呈周期性受力狀態(tài)，加劇了刀盤、刀具疲勞損傷程度。因此，在刀盤、刀具設(shè)計(jì)階段應(yīng)充分考慮復(fù)雜惡劣的作業(yè)環(huán)境及掘進(jìn)參數(shù)的多變性進(jìn)行其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]。

目前，大部分學(xué)者基于理論研究、數(shù)值模擬等手段研究刀盤、刀具的振動(dòng)受力與變形規(guī)律，如凌靜秀等[5]基于TBM刀盤系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，從刀盤結(jié)構(gòu)參數(shù)和掘進(jìn)參數(shù)的角度分析了空間多點(diǎn)分布荷載下刀盤系統(tǒng)振動(dòng)響應(yīng)的參數(shù)影響規(guī)律；蔣建東等[6-7]利用LS-DYNA軟件建立了單把滾刀與刀盤振動(dòng)掘削過程的有限元?jiǎng)恿W(xué)模型，并在推進(jìn)方向和環(huán)向分別施加主動(dòng)余弦激振，獲得了刀盤振動(dòng)與掘進(jìn)參數(shù)的相關(guān)性。綜合來看，刀盤、刀具侵壓破巖為巖機(jī)耦合作用過程，不同地質(zhì)條件和掘進(jìn)參數(shù)將帶來刀盤、刀具不同的振動(dòng)響應(yīng)。由于對巖機(jī)耦合作用引起的刀盤、刀具振動(dòng)受力的模糊不確定性，對刀盤、刀具施加的初始激振力過于理想化，未充分考慮地層條件的差異及滾刀破巖耦合作用對刀盤、刀具振動(dòng)的影響，導(dǎo)致理論和數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)際刀盤振動(dòng)規(guī)律存在較大差別。

另外，部分學(xué)者擬在現(xiàn)場刀盤、刀具中安裝振動(dòng)加速度傳感器實(shí)現(xiàn)刀盤振動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測，如張曉波等[8]對吉林引松工程隧道掘進(jìn)機(jī)刀盤背部空間安裝多個(gè)傳感器，測取了2個(gè)掘進(jìn)循環(huán)段刀盤振動(dòng)時(shí)域信號和FFT頻域信號以及刀盤振動(dòng)幅值較大的頻率段，為防止產(chǎn)生共振、刀盤設(shè)計(jì)與制作提供了數(shù)據(jù)支持。然而，由于刀盤背部安裝的傳感器數(shù)量有限，僅能反映刀盤局部振動(dòng)情況，缺乏基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)對刀盤、刀具整體振動(dòng)的進(jìn)一步分析。與此同時(shí)，盾構(gòu)施工現(xiàn)場噪聲多，降噪與信號處理難度大，無線振動(dòng)加速度傳感器數(shù)據(jù)采集與處理較難，因此基于現(xiàn)場實(shí)測的刀盤、刀具振動(dòng)數(shù)據(jù)難以獲取。

基于此，以軟硬復(fù)合地層為掘進(jìn)研究對象，利用盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自研的TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合試驗(yàn)臺(tái)開展全盤滾刀掘進(jìn)軟硬復(fù)合地層的室內(nèi)縮尺試驗(yàn)，通過搭載三向加速度傳感器，獲取刀盤滾刀振動(dòng)加速度時(shí)程數(shù)據(jù)，進(jìn)而基于加速度實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行全盤滾刀結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析，獲取結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特征，研究分析刀盤滾刀結(jié)構(gòu)在隨時(shí)間變化荷載下的變形、受力及其動(dòng)力特性。

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)平臺(tái)及參數(shù)

TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合試驗(yàn)臺(tái)采用輻條式刀盤結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)8把17in(1in=2.54cm)單刃滾刀和3把17in雙刃滾刀，如圖1所示。該試驗(yàn)臺(tái)可在垂直和水平狀態(tài)下進(jìn)行刀間距、破巖掘進(jìn)速度、進(jìn)給量、刀盤轉(zhuǎn)速等參數(shù)的調(diào)整，通過不同的試驗(yàn)參數(shù)配置開展不同工況的全盤滾刀掘進(jìn)破巖試驗(yàn)，試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)如表1所示。

圖1 TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合試驗(yàn)臺(tái)及刀盤結(jié)構(gòu)

表1 試驗(yàn)臺(tái)性能參數(shù)

1.2 軟硬復(fù)合地層模型

TBM掘進(jìn)非均質(zhì)地層時(shí)，刀盤除了承受滾刀侵壓破巖產(chǎn)生的沖擊荷載外，同時(shí)受非均質(zhì)地層對刀盤的周期性偏載反作用。特別是對于上軟下硬復(fù)合地層，刀盤掘進(jìn)破巖過程中的偏載現(xiàn)象更加明顯。

為揭示全盤滾刀掘進(jìn)軟硬復(fù)合地層的振動(dòng)特性，利用42.5級普通硅酸鹽水泥、中砂、重晶石粉等材料，以單軸抗壓強(qiáng)度、密度、彈性模量及泊松比等參數(shù)作為控制標(biāo)準(zhǔn)配制軟硬復(fù)合地層相似材料，相似材料的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示[9]。其中，軟巖材料的配合比中水∶水泥∶砂+重晶石(重晶石%)為0.8∶1∶4(10)，硬巖材料的配合比中砂∶水∶膠凝材料(礦渣%)為1∶1∶2.5(0)。

表2 軟硬復(fù)合地層物理力學(xué)參數(shù)

試驗(yàn)中設(shè)計(jì)的軟硬復(fù)合地層的軟硬巖層面積比例為1∶1，即軟巖與硬巖面積各占掘進(jìn)開挖面的1/2，如圖2a所示。為比較軟硬巖層強(qiáng)度差異對刀盤滾刀振動(dòng)的影響程度，開展2組不同軟硬巖強(qiáng)度工況下的全盤滾刀掘進(jìn)模擬試驗(yàn)。第1組試驗(yàn)工況為“臨空+硬巖”，即巖箱左側(cè)不澆筑相似材料；第2組試驗(yàn)工況為“軟巖+硬巖”，即巖箱左側(cè)澆筑軟巖相似材料，軟硬復(fù)合地層澆筑模型如圖2b所示。

圖2 軟硬復(fù)合地層模型

1.3 刀盤振動(dòng)加速度監(jiān)測

為獲取刀盤滾刀掘進(jìn)軟硬復(fù)合地層的受載與振動(dòng)特性，在刀盤特定位置安設(shè)A302三向無線振動(dòng)加速度傳感器，量程為±3g，傳輸距離100m，如圖3所示。

圖3 刀盤振動(dòng)加速度傳感器

根據(jù)王魯琦等[10]利用LS-DYNA對TBM掘進(jìn)模態(tài)綜合試驗(yàn)臺(tái)刀盤滾刀進(jìn)行的振動(dòng)分析，結(jié)合刀盤在軟硬復(fù)合地層下靜力學(xué)分析結(jié)果，確定刀盤在不均勻受力狀態(tài)下的最大應(yīng)力、應(yīng)變位置，得到傳感器的最佳布置設(shè)點(diǎn)，如圖4所示。共設(shè)C1～C6 6個(gè)加速度傳感器，其中C4布置在刀盤輻條架構(gòu)處。

2 刀盤振動(dòng)實(shí)測時(shí)程數(shù)據(jù)

根據(jù)典型軟硬復(fù)合地層的隧道工程地質(zhì)特征與TBM掘進(jìn)參數(shù)，通過相似比尺，確定2組工況試驗(yàn)的刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.1～1.0r/min，推進(jìn)速度控制在11～32mm/min。提取刀盤滾刀掘進(jìn)“臨空+硬巖”和“軟巖+硬巖”2組工況中C4加速度傳感器的三向振動(dòng)加速度時(shí)域曲線，如圖5所示。

圖5 軟硬復(fù)合地層(“臨空+硬巖”與“軟巖+硬巖”)刀盤振動(dòng)實(shí)測值

通過對刀盤布設(shè)的加速度傳感器的加速度時(shí)程曲線進(jìn)行傅里葉變換，刀盤滾刀掘進(jìn)軟硬復(fù)合地層的振動(dòng)頻率集中在0～5Hz。同時(shí)，滾刀滾壓硬巖部分引起的刀盤振動(dòng)劇烈程度強(qiáng)于滾壓軟巖部分，滾壓軟巖強(qiáng)度為19.8MPa時(shí)刀盤振動(dòng)劇烈程度強(qiáng)于軟巖強(qiáng)度為0(即臨空)時(shí)。由此可見，滾刀破巖引起的刀盤劇烈振動(dòng)明顯大于軟硬巖強(qiáng)度差異引起的刀盤振動(dòng)。

3 刀盤瞬態(tài)動(dòng)力分析

利用ANSYS軟件分析全盤滾刀的非線性特征，選取室內(nèi)試驗(yàn)刀盤構(gòu)架處C4加速度傳感器全周期三向振動(dòng)時(shí)域曲線作為刀盤滾刀振動(dòng)分析的初始激振力，計(jì)算刀盤的應(yīng)力、應(yīng)變大小與分布規(guī)律。

3.1 “臨空+硬巖”工況的刀盤振動(dòng)

當(dāng)軟巖部分未澆筑相似材料時(shí)(即“臨空+硬巖”)，刀盤滾刀應(yīng)力分布如圖6a所示，變形分布如圖6b所示。

圖6 刀盤滾刀應(yīng)力與變形分布

刀盤滾刀的最大變形量范圍為6.9×10-7～1.07×10-6m，出現(xiàn)在14號滾刀處，最大變形隨時(shí)間變化曲線如圖7a所示?？煽闯?，刀盤滾刀的最大變形量近似呈周期性變化，但由于刀盤結(jié)構(gòu)差異與滾刀非對稱布置，引起刀盤滾刀最大變形量時(shí)程曲線局部呈不規(guī)則變化。同時(shí)，兩個(gè)掘進(jìn)周期內(nèi)，最大變形量的峰值近似相等。

刀盤滾刀的最大應(yīng)力范圍為6.17×102～1.10×103kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于刀盤結(jié)構(gòu)許用應(yīng)力[σ]=230MPa。刀盤的正交架構(gòu)處應(yīng)力集中分布，最大應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖7b所示。兩個(gè)掘進(jìn)周期內(nèi)，最大應(yīng)力峰值近似相等。

圖7 刀盤滾刀最大變形與應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

3.2 “軟巖+硬巖”工況的刀盤振動(dòng)

當(dāng)軟巖強(qiáng)度為19.8MPa時(shí)(即“軟巖+硬巖”)，刀盤滾刀應(yīng)力分布如圖8a所示，變形分布如圖8b所示。

圖8 刀盤滾刀應(yīng)力與變形分布

刀盤滾刀的最大變形量范圍為6.40×10-7～1.11×10-6m，出現(xiàn)在14號滾刀處，最大變形量隨時(shí)間變化曲線如圖9a所示?？煽闯觯侗P滾刀的最大變形量近似呈周期性變化，除因刀盤結(jié)構(gòu)差異與滾刀非對稱布置對刀盤滾刀最大變形量時(shí)程曲線的局部不規(guī)則變化外，2個(gè)掘進(jìn)周期內(nèi)最大變形量的峰值差異明顯，呈增大趨勢。

圖9 刀盤滾刀最大變形與應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

刀盤滾刀最大應(yīng)力范圍為6.19×102～1.15×103kPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于刀盤許用應(yīng)力。刀盤的正交架構(gòu)處應(yīng)力集中分布，最大應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線如圖9b所示。2個(gè)掘進(jìn)周期內(nèi)，最大應(yīng)力的峰值差異明顯，也呈增大趨勢。

3.3 不同軟巖強(qiáng)度的復(fù)合地層對刀盤變形受力比較

比較軟巖部分未澆筑相似材料(“臨空+硬巖”)和軟巖部分強(qiáng)度為19.8MPa(“軟巖+硬巖”)2組工況下刀盤滾刀掘進(jìn)的變形與受力分布規(guī)律，最大變形量與應(yīng)力范圍如圖10所示，分析可得：①刀盤滾刀最大變形量均位于距離刀盤圓心最遠(yuǎn)的14號滾刀處，最大變形量隨時(shí)間近似呈周期性變化規(guī)律；②刀盤滾刀最大應(yīng)力隨時(shí)間近似呈周期性變化規(guī)律；③“臨空+硬巖”工況下刀盤滾刀的最大變形量范圍小于“軟巖+硬巖”工況下刀盤滾刀最大變形量；④“臨空+硬巖”工況下刀盤滾刀的最大應(yīng)力范圍小于“軟巖+硬巖”工況下刀盤滾刀最大應(yīng)力。

圖10 全盤滾刀掘進(jìn)軟硬復(fù)合地層2組工況對比

由此可知，刀盤、刀具掘進(jìn)軟硬復(fù)合地層對結(jié)構(gòu)的應(yīng)力與變形影響不僅取決于硬巖強(qiáng)度，而且受軟硬巖層強(qiáng)度差異影響。同時(shí)，“軟巖強(qiáng)度19.51MPa+硬巖強(qiáng)度44.16MPa”組合復(fù)合地層對刀盤滾刀振動(dòng)加速度、應(yīng)力、應(yīng)變的影響程度大于“軟巖強(qiáng)度0MPa+硬巖強(qiáng)度44.16MPa”組合復(fù)合地層。因此，可認(rèn)為滾刀破巖的沖擊荷載作用對結(jié)構(gòu)影響大于軟硬復(fù)合不均地層對刀盤結(jié)構(gòu)影響。

4 結(jié)語

目前，一方面基于理論分析的始激振力的刀盤受力計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況差別較大，另一方面對現(xiàn)場的實(shí)測點(diǎn)位有限，未進(jìn)一步據(jù)此開展刀盤整體受力與變形研究。針對上述問題，通過開展“臨空+硬巖”和“軟巖+硬巖”2組工況下刀盤滾刀掘進(jìn)試驗(yàn)，測取刀盤振動(dòng)加速度時(shí)域值，基于實(shí)測值進(jìn)一步對刀盤滾刀進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力分析，主要結(jié)論如下。

1)刀盤滾刀掘進(jìn)軟硬復(fù)合地層引起振動(dòng)頻率集中在0～5Hz，且滾刀滾壓硬巖部分引起的刀盤振動(dòng)劇烈程度強(qiáng)于滾壓軟巖部分。

2)刀盤滾刀的最大變形量與最大應(yīng)力近似呈周期性變化；但“軟巖+硬巖”工況下最大變形量峰值與最大應(yīng)力峰值差異明顯，呈增大趨勢。

3)比較2組工況下刀盤滾刀受力與變形，表明滾刀破巖的沖擊荷載作用對結(jié)構(gòu)影響大于軟硬復(fù)合地層對刀盤結(jié)構(gòu)影響。

4)刀盤、刀具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)根據(jù)軟硬地層分布情況，充分考慮刀盤、刀具振動(dòng)受力分布規(guī)律，并適當(dāng)加強(qiáng)侵入硬巖部分的刀盤結(jié)構(gòu)剛度。