砂卵石地层普遍具有漂卵石含量高、粒径不均匀、咬合力强、磨蚀性强、流塑性差等特点，盾构在砂卵石地层中掘进常常出现刀盘扭矩偏高、掘进困难、地表沉降过大、刀具磨损严重等问题。

　　根据工程地质条件合理选择刀具类型并合理布置刀具，是解决此类问题的关键。

　　近日，矿大（北京）江华副教授团队联合北京城建集团的科研人员，以北京地铁新机场线“磁各庄站~1#风井”盾构区间为工程依托，利用数值模拟及现场测试相结合的手段，研究得到了在砂软石地层掘进中，刀盘开口率、刀具组合高差、先行刀刀间距布设等参数对盾构掘进效率及地层变形的影响。

　　研究分别建立了砂卵石模型与盾构刀盘模型，其中砂卵石模型共包含82 065 个球形颗粒，模型尺寸：长×宽×高=2.5 m×12 m×13m。刀盘计算模型直径为6 m，开口率约75％，刀盘上刀具的种类、尺寸以及布设方式与原刀盘一致。在进行数值计算前，研究人员在刀盘模型后部添加了一个圆柱面墙体用以模拟盾壳，作用是为刀盘开挖通过后的地层提供刚性支护；同时在刀盘模型后部距离辐条背面0.5 m处添加一个圆盘形墙体用来模拟土仓隔板。

　　研究发现：

　　相同掘进参数下大开口率辐条式刀盘比小开口率辐板式刀盘具有更好的掘进速度，而小开口率辐板式刀盘掘进时引起的地表变形更小，对周围地层的扰动范围也更小。

　　先行刀与切削刀的组合高差为70mm 时盾构掘进效率较高且扭矩较低；先行刀刀间距设定为300mm 时，盾构有较好的掘进效率和较低的刀盘扭矩。

　　工程实践表明：要实现砂卵石地层盾构的长距离高效掘进、大开口率辐条式刀盘设计及大高差梯次化刀具布置是基础，高贯入度，低转速的掘进掘进控制是关键。

　　这项研究以《基于PFC3D的北京砂卵石地层盾构刀盘选型及刀具布置数值模拟研究》为题在《机械工程学报》进行了网络首发。

引用格式：江华,张晋勋,苏一冉,张靖翎,殷明伦,朱家辰.基于PFC3D的北京砂卵石地层盾构刀盘选型及刀具布置数值模拟研究[J/OL].机械工程学报:1-11[2021-09-24].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2187.TH.20210827.1839.004.html.

砂卵石颗粒流模型

刀盘实体模型

数值计算模型尺寸