敞開式TBM主梁有限元分析

陶 磊，寧向可，賀 飛

（中鐵隧道裝備制造有限公司，河南 鄭州 450016）

0 引言

敞開式TBM作為隧道掘進機的重要組成部分，在巖石穩定性好、軟弱圍巖較少的隧道施工中有著廣泛的應用。在西康秦嶺隧道工程中，鐵道部從德國威爾特公司引進了2臺直徑Φ8．8m敞開式TBM，隧道在1999年掘進貫通；遼寧大伙房水庫輸水隧洞工程中，采用3臺直徑為Φ8．03m的敞開式TBM施工，該項目于2009年正式竣工通水；還有錦屏引水隧洞等等都是敞開式TBM成功應用的實例。在國家經濟高速發展的帶動下，敞開式TBM的應用前景將會更加廣闊。

1 敞開式TBM主梁模型的建立

敞開式TBM主梁一般為箱型鋼結構，長約20m，為了制造和運輸方便，一般分為前段、中段和尾段。各段之間采用螺栓連接，前段也用螺栓與主驅動機頭架連接。主大梁承受刀盤傳遞過來的力和扭矩的作用，并將力和扭矩傳遞到與洞壁接觸的撐靴上，因此要求主梁具有足夠的強度和剛度。

敞開式TBM的總體構造如圖1所示。在主梁的前段安裝有拱架安裝器、錨桿鉆機和超前鉆機等設備；中段安裝有鞍架、物料吊運裝置、撐靴和推進系統；尾段的后支腿是一個豎直鋼結構，通過后支腿液壓缸支撐TBM的后部，并且除塵風管也從其中部出來，連接到后配套上；后配套系統通過拖拉液壓缸與后支腿相連，隨著主機一起向掘進方向前進；主大梁的內部還布置有主機皮帶機，內壁上布置有通向主驅動、刀盤等的水管、氣管和電纜等管線。

因為要對不同工況下的主梁進行有限元分析，所以在模型中體現每一個系統和部件是不現實的，也是不必要的，很多對分析無關的部件可以省略。模型應該在保證整體模擬能力的前提下，將那些安裝在主梁上面的機械結構進行簡化，最終都轉化為施加在主梁上的力。這樣既簡化了模型，又能準確地對主梁進行計算分析。經過簡化后的主大梁模型如圖2所示。

圖1 敞開式TBM的總體構造圖

圖2 主大梁的簡化模型

2 不同工況下的約束狀態

本文借鑒某隧道工程Φ8 020mm敞開式TBM的主要參數，參照施工狀況，分析主大梁在不同工況下的約束狀態。通常情況下，主梁在施工中的實際受載狀態可以分為以下幾種。

2．1 掘進狀態

TBM在掘進過程中，撐靴伸出頂在巖壁上，后支撐收回，推進油缸伸出，通過主梁兩側的耳環推動主梁、機頭架、刀盤以及后配套等向前移動；同時刀盤旋轉，滾刀在推力和扭矩的作用下，滾壓切削掌子面。此時，僅對主梁而言，其受到重力、垂直方向的壓力、推進油缸的推力、機頭架傳出的扭矩等載荷。

2．2 換步狀態

TBM在換步過程中，刀盤停止旋轉，后支撐伸出支在洞底巖壁，撐靴油缸縮回，推進油缸縮回，帶動撐靴以及鞍架總成沿掘進方向移動一個推進位移。此時，主梁受到重力、垂直方向的壓力、推進油缸的拉力等載荷。

2．3 水平調向狀態

TBM在水平調向過程中，刀盤停止旋轉，撐靴伸出頂在巖壁上，后支撐收回，通過兩側撐靴油缸的伸縮動作，帶動鞍架推動主梁尾端水平方向移動，進而使機頭架以及刀盤沿水平方向產生一定的角度，最終完成水平方向調向。此時，主梁受到重力、垂直方向壓力、一側滑動軌道的推力等載荷。

2．4 垂直調向狀態

TBM在垂直調向過程中，刀盤停止旋轉，撐靴伸出頂在巖壁上，后支撐收回，通過兩側的扭矩油缸伸出或者縮回，帶動鞍架推動主梁尾端垂直方向移動，進而使機頭架以及刀盤垂直方向產生一定的角度，最終完成垂直方向調向。此時，主梁受到重力、垂直方向壓力、兩側滑動軌道上部或者下部的推力等載荷。

2．5 應急支護狀態

在出現上部圍巖松動，需要臨時應急支護時，刀盤停止旋轉及掘進，撐靴伸出頂在巖壁上，后支撐收回，支架一端頂在主梁上部平面，一端支撐圍巖。此時，主梁受到重力、垂直方向壓力、支反力等載荷。

3 主梁的受力計算

根據對上述工況的分析，再與簡化的模型相結合，按照所承受的力施加載荷，同時考慮到各種設備的自重，最大程度地模擬其實際狀況。

表1為本隧道工程所使用的敞開式TBM主梁受力及扭矩數據。

表1 主梁受力及扭矩數據

圖3為掘進狀態下主大梁的邊界條件。有限元分析計算得到的其等效應力、最大變形分別見圖4和圖5。通過計算結果可以看出，掘進狀態下的最大應力發生在主梁的中段和尾段的連接處；最大變形發生在主大梁前段和主機的連接處。其中，最大應力為236．55MPa，最大變形為17．151mm。

圖3 掘進狀態下主大梁的邊界條件

圖4 掘進狀態下的等效應力

圖5 掘進狀態下的最大變形

同理可以計算出其他工況下的最大應力和最大變形的數值，見表2。

表2 各工況下的有限元計算結果

由表2可以看出，除水平調向外，各工況的受力情況及變形均在合理的范圍之內，而水平調向狀態在一點出現大應力，如圖6圈中所示。由圖6可以看出，主梁大部分的應力都是在200MPa以內，只有在標記處周圍有小部分應力超過200MPa，這是局部應力集中現象，需要采取一定的改善措施；而大變形狀況是因為在進行水平調向，這個數值也是在合理范圍之內。

圖6 水平調向狀態下的等效應力圖

4 結語

大型裝備的研制和生產是國家發展水平的重要體現，也是國家“973”發展規劃的重要組成部分，加大對敞開式TBM的研發力度勢在必行。雖然本工程的強度和剛度滿足施工的要求，但是局部的應力集中現象不容忽視。TBM設計人員應細致地分析其受力和變形情況，改變局部結構，以消除應力集中。

［1］ 杜彥良，杜立杰．全斷面巖石隧道掘進機——系統原理與集成設計［M］．武漢：華中科技大學出版社，2011．

［2］ 張高峰，李志博．基于CATIA的TBM主機結構有限元分析［J］．計算機技術應用，2007，34（7）：39－41．

［3］ 高耀東，劉學杰．ANSYS機械工程應用精華50例［M］．北京：電子工業出版社，2011．