TBM刀盘裂纹分析及止裂方案研究

针对TBM刀盘在破岩过程中出现表面裂纹而造成刀盘疲劳失效,从而引发施工风险和经济损失的问题,以辽宁大伙房水库输水隧洞所用MB264-311-8030mm型号TBM刀盘为研究对象,利用Abaqus进行有限元仿真,得到刀盘应力分布状况。基于Paris公式建立TBM刀盘的裂纹扩展模型,利用扩展有限单元法(XFEM)模拟裂纹的开裂过程,分析开裂路径和开裂时所需载荷的循环次数。提出通过安装筋板进行刀盘裂纹止裂的方案,并从筋板的安装位置、厚度、高度和宽度4个结构参数分别设置实验组,以未安装止裂筋板的刀盘作为对照组进行对照实验,计算不同结构参数下止裂板的止裂系数、裂纹长度和裂纹深度变化,评估不同实验组的止裂效果。研究结果表明:止裂筋板的结构参数明显影响了TBM刀盘表面裂纹的扩展速率,进而影响刀盘疲劳裂纹扩展寿命,合理地设计止裂筋板参数可有效延长疲劳裂纹扩展寿命,反之则会加速裂纹的扩展。经过多组对照后,采用安装位置距裂纹中心为5 mm,厚度为4 mm,高度为12 mm,宽度为6 mm的止裂板可将裂纹宽度和深度方向的止裂系数分别提升28.42%和27.86%,其中影响最显著的是距裂纹中心的安装位置和止裂板高度2个参数。研究可为实际隧道工程中TBM刀盘的止裂方案的设计与制定提供一定参考。