φ6.22 m敞口式盾構前檐支護裝置的設計與研究

崔立山,王建輝,楊海濤

(北京市三一重機有限公司盾構公司，北京 102202)

φ6.22 m敞口式盾構前檐支護裝置的設計與研究

崔立山,王建輝,楊海濤

(北京市三一重機有限公司盾構公司，北京 102202)

前檐支護裝置是敞口盾構的重要部件，主要作用是支撐隧道面上部，承載拱頂的土壓力，避免上方土體的坍塌。以北京地鐵6號線敞口盾構前檐裝置為研究對象，介紹前檐支護裝置的功能、結構、前檐推力計算及油缸選型。選取2種典型工況進行有限元分析，得到前檐的應力云圖和位移云圖，為前檐的設計和改進提供參考,同時提出改進措施，并進行改進。通過樣機的試制及實際施工的檢驗，證明了前檐結構的可行性、可靠性。

盾構；敞口式；前檐；設計

0 引言

國內現已應用的盾構主要以密閉式為主[1-3]，我國自主研發的敞口式盾構在國內施工應用剛剛開始。敞口式盾構[4]是一種安全、高效(相對于暗挖)、低成本[5]的地下隧道施工設備。

目前許多專家學者對敞口式盾構進行了一些研究，主要集中在敞口盾構可行性分析[6]、施工方案探討[7]、敞口盾構設計綜述[8]、推力計算[9]等方面。但以關鍵部件為研究對象的相對較少，文獻[10]以敞口式盾構挖掘裝置為研究對象，對其進行仿真與優化研究；文獻[11]對敞口式盾構在北京地區的適應性分析，給出了前檐受力理論計算方法；文獻[12]論述了敞口式盾構前盾的技術設計特點，介紹了前檐的力學模型及理論計算方法。

本文針對北京地鐵6號線2期工程以敞口盾構的關鍵部件——前檐為研究對象，介紹前檐推力計算方法、力學模型及油缸選型，選取2種典型工況對前檐的結構進行有限元分析，得到前檐的應力云圖和位移云圖，為前檐的設計和改進提供參考。同時提出改進措施，并進行優化。

1 工程概況

1.1 工程位置

北京地鐵6號線2期15標段(郝家府站—東部新城站區間)，由郝家府站向東，沿運河東大街北側設置，現狀運河東大街道路全寬48 m，主路24 m，兩側輔路均為7 m，主路與輔路設置5 m隔離帶。規劃運河東大街走向和現狀運河東大街基本一致，規劃道路寬60 m，兩側各設置30 m寬的綠化帶。沿線穿越農田、高壓電力走廊、豐字溝、現狀自然村、召里路，到達宋郎路和運河東大街交叉路口的東部新城站。

設計里程為K40+512.9～K41+770.4，右線長1 257.5 m，左線長1 258.003 m。區間在右K41+062.5處設聯絡通道兼泵房1座，在右K41+500處設聯絡通道1座。

1.2 工程地質條件

本區間郝家府站—東部新城站位于北京城區東部地區，地形基本平坦，地勢起伏不大，屬于潮白河故道、溫榆河故道交匯區。

根據工程地質和水文概況，各地層修正后的圍巖為Ⅵ級，土石可挖性為Ⅰ至Ⅱ級，土體自穩能力較差，很難形成自然拱。其中普遍存在粉細砂③3層、中粗砂④4層、中粗砂⑤1層，其厚度較大，富水性好，且為飽和狀態。在地下水的作用下，會產生涌水、潛蝕、流砂等現象，極易導致隧道側壁失穩。

敞口式盾構結構圖如圖1所示。

圖1 敞口式盾構結構圖

2 前檐支護裝置

2.1 功能概述

前檐支護裝置是為防止工作面圍巖坍塌和擠出、變位之用。對于圍巖來說，支護裝置是承受被動壓力的。采用支護油缸作為支護裝置，應具有防止圍巖松弛、工作面坍塌，保持支擋壓力，與盾構推進同步的安全閥等的功能。前檐支護裝置功能如下：

1)可滿足前檐伸出600 mm，根據管片寬度1 200 mm 而定。

2)整體7個前檐可支撐隧道面上部160°范圍。

3)可滿足前檐擋板在100°范圍張合，輔助支撐掌子面，保持開挖面的穩定。

4)前檐結構可實現更換。

2.2 機械結構簡介

前檐支護裝置由活動前檐、活動擋板及液壓油缸組成。

活動前檐配置在前盾上，在前盾環拱部的滑槽內，其端面多為平面形，工作狀態下通過液壓油缸向開挖端伸出。液壓缸易因偏壓而引起變形，根據不同情況，有時采用導槽防護，保證彎矩不直接作用于油缸上。對于活動前檐結構，還應考慮支擋反力、工作面上部落下土砂的沖擊作用等，需要選用較為堅固的構造。

活動前檐是利用刃腳的可動部分插入土中，當因土壓產生彎曲時，再欲收回較困難，故必須加大牽引拉力。

活動擋板鉸接在活動前檐上，表面敷裝有若干橡膠板，可對開挖面的不平度進行一定的補償。通過液壓油缸向前伸出，可在100°范圍內張合，輔助支撐掌子面，保持開挖面的穩定。

前檐支撐結構圖如圖2所示。

(a)

(b)

前檐支撐需要頻繁地伸出收回，設計時除考慮必要的結構強度外，還進行了以下針對性設計。

1)在活動前檐底部設有排渣孔洞，避免渣土擠壓堵塞滑道。

2)前檐支撐與滑道之間間隙，可通過不同位置的前檐互換安裝或更換耐磨板進行調整。

3)每個活動前檐油缸總推力為960 kN，活動前檐具有足夠的推力儲備，便于在不同地層中可以輕松插入土體。

3 前檐支撐受力分析與計算

前檐受力模型如圖3和圖4所示。

圖3 前檐伸出時受力示意圖Fig.3 Force analysis of advance timbering under working conditionⅠ

圖4 前檐伸出、擋板撐起時受力示意圖Fig.4 Force analysis of advance timbering under working conditionⅡ

前檐參數及推力計算如表1所示。

表1 前檐參數及推力Table 1 Parameters and thrust of advance timbering

3.1 前檐推進油缸

如圖4所示，前檐伸出，擋板撐起，假設此時在前方圍巖坍塌的瞬時狀態下(前檐與周邊土體產生的摩擦力，正面坍塌土體產生的土壓力和前檐的貫入阻力)，前檐的推進力

F=F1+F2+F4+F5=676.65 kN。

F=πD2×p×N/4。

式中：D為推進油缸缸徑，mm；p為推進油缸的壓力，MPa；N為推進油缸的個數，取1或2。

單油缸和雙油缸尺寸相差不大，受到安裝空間限制，本方案中采用單油缸，取油缸行程1 250 mm(φ160/125-1 250)。

油缸最大拉力

得：F1≈0.4F=270.66 kN。

活塞桿強度校核：

油缸在承受軸向推力的情況下，

式中：F為活塞桿的作用力，N；d為活塞桿直徑，m；σp為材料的許用應力,MPa。

求得：

110) MPa。

3.2 擋板油缸

擋板油缸主要承受水平土壓力對擋板的壓力F5=348.7 kN。

當擋板與插刀帽檐垂直時，油缸軸線與水平面的角度為15°時，F5=F/cos 15°。

求得F=359.5 kN。

F=πD2×p×N/4。

式中：D為推進油缸缸徑，mm；p為推進油缸的壓力，MPa；N為推進油缸的個數，取1。

根據工程實際，油缸行程取1 000 mm(φ125/90-1 000)。

油缸在承受軸向推力的情況下，

式中：F為活塞桿的作用力，N；d為活塞桿直徑，m；σp為材料的許用應力，MPa。

求得：

3.3 正面擋板油缸

見圖5。

正面擋板的面積S2=8 131 200 mm2，若中間2個油缸采用2 000 mm×2 000 mm擋板，面積S1=4×106mm2。盾構中心線部位的水平土壓力為0.13 MPa，油缸推力F計算如下。

Fmax=p×S2=1 057 kN。

F=πD2×p×N/4。

式中：D為推進油缸缸徑，mm；p為推進油缸的壓力，MPa；N為推進油缸的個數，取2。

根據工程實際，油缸行程取1 550 mm(φ160/125-1 550)。

圖5 正面擋板結構示意圖

3.4 導軌受力計算

假設前檐在伸出1 200 mm的狀態下，頂部受到土壓力的作用，此時重合導軌處的重合長度為L，貼合面接觸不良狀態下，重合處只在左、右兩端形成2個支點支撐，如圖6中A，B2點。

圖6 前檐導軌受力示意圖

m=1 200 mm；L=1 200 mm；土壓力p=0.3 MPa。

此時導軌接觸長度L=1 200 mm，動靜導軌接觸面寬度b=40 mm。支點A,B2處的支反力：

FA=qm(2+λ)/2;FB=-qm2/(2L)；λ=m/L。

求得：FA=810 kN;FB=270 kN。

取最大支點的力為接觸面的擠壓力F=810 kN。

接觸強度σ=F/S=9.5 MPa。

4 有限元計算及結構分析

前檐的主要作用是支撐隧道面上部，承載拱頂的土壓力，避免上方土體的坍塌。每個前檐支撐上還鉸接有扇形擋板，輔助支撐掌子面，保持開挖面的穩定。

4.1 前檐有限元分析

4.1.1 工況1

前檐在伸出過程中但沒有插入土體時，此時前檐相當于懸臂梁結構，主要承受前檐頂部土體產生的土壓力，土體對前檐表面的摩擦力沿軸向作用，對前檐結構的影響可忽略不計。

在前檐上部表面加載0.3 MPa的土壓力，約束盾體6個自由度。

前檐在工況1的條件下位移云圖如圖7所示。從圖7可以看出，前檐的最大位移在插刀最前端，值為5.77 mm。

圖7 工況1前檐位移云圖Fig.7 Deformation contour of advance timbering under working condition 1

前檐應力云圖如圖8所示。由圖8可以看出，最大應力出現在盾體上端，值為371.68 MPa。這個點是奇異點，暫不考慮，從其最大應力分布區域可以看出，受力較大的區域在插刀與盾體結合處，值為206.5～330.39 MPa。

圖8 工況1前檐應力云圖Fig.8 Stress contour of advance timbering under working condition 1

4.1.2 工況2

前檐伸出插入土體，前方土體坍塌，在前檐伸出1 200 mm的工況下對前檐進行分析。

在前檐上部表面加載0.3 MPa的土壓力，前檐插刀面及擋板面加載0.14 MPa，約束盾體6個自由度。

前檐的位移云圖如圖9所示。從圖9可以看出，前檐的最大位移在插刀最前端，值為5.945 mm。

圖9 工況2前檐位移云圖Fig.9 Deformation contour of advance timbering under working condition II

前檐的應力云圖如圖10所示。從圖10可以看出，最大應力為286.28 MPa。從其最大應力分布區域可以看出，受力較大的區域在插刀與盾體結合處，值為159.05～254.47 MPa。

圖10 工況2前檐應力云圖Fig.10 Stress contour of advance timbering under working condition II

綜上，從對前檐在2種工況下進行的有限元分析可以看出，在前檐插刀與盾體的結合處受力最大，下文分別對前檐上導軌和盾體上的導軌進行進一步的受力分析。

4.2 前檐上導軌受力分析

前檐上導軌的受力情況如圖11所示。從圖11可以看出，安裝在前檐上導軌的最大應力出現在插刀與盾體結合處，值為191.78 MPa，最大受力區域應力值為86.125～170.66 MPa。

4.3 盾體上導軌受力分析

盾體上導軌的受力情況如圖12所示。從圖12可以看出，安裝在盾體上導軌的最大應力出現在插刀與盾體結合處，值為355.43 MPa，最大受力區域應力值為197.52～315.95 MPa。

綜上，開挖面的支護由前盾帽檐、伸縮前檐和活動擋板承擔，均采用40 mm厚的Q345B低合金高強度結構鋼制造，材料屈服強度σb=345 MPa，抗拉強度σs≥470 MPa。按最極端的情況分析：隧道埋深按30 m，開挖面上方發生部分塌陷，伸縮前檐伸長至最大長度為1 200 mm,基于ANSYS軟件進行有限元分析，分析結論如下。

圖12 盾體上導軌應力云圖

1)前檐受力較大的區域在插刀與盾體結合處，值為206.5～330.39 MPa，最大應變為5.954 mm，受力較大。

2)安裝在盾體上導軌的最大應力出現在插刀與盾體結合處，值為355.43 MPa，最大受力區域應力值為197.52～315.95 MPa，受力較大。

由于插刀在工作過程中受土壓作用，在前檐導軌與盾體導軌結合處受剪切力作用較大。為了避免長時間工作產生疲勞破壞，在實際結構中采取如下措施進行改善。

1)在前檐導軌與盾體導軌之間加特殊材質耐磨板，避免2個導軌鋼結構之間直接摩擦、磨損。

2)在前檐導軌與盾體導軌之間安裝滾動軸承結構，由滑動摩擦變為滾動摩擦，減小摩擦力。

3)在前檐導軌與盾體導軌之間安裝加潤滑油道，減小磨損及摩擦力。

5 樣機試制

本樣機應用在北京地鐵6號線2期15標段試驗段，全程388 m。樣機如圖13所示。

前檐在施工中的操作說明：

1)根據前檐伸出的油壓在控制范圍內時，前檐伸出。

2)根據前檐伸出的油壓超過設計值的2/3時，前檐伸出時需要開挖進行輔助進行，即邊開挖邊伸出。

3)盾構前檐同時伸出的數量需要考慮盾構的姿態、土體的貫入度、開挖的需求綜合進行考慮。前檐伸出的順序是先上后下，先中間后兩邊。

目前，在施工試驗段前檐工作良好，已經完成掘進70 m。

6 結論與討論

本文針對北京地鐵6號2期工程的具體地質條件，結合盾構的設計要求，對前檐支護裝置設計進行了研究，主要結論如下。

(a)

(b)

1)對前檐結構在2種工況下進行了有限元分析，得到了前檐受力較大的區域在插刀與盾體結合處，值為206.5～330.39 MPa，最大應變為5.954 mm。進而對受力較大區域即前檐上的導軌和盾體上的導軌進行了進一步分析得到：前檐上導軌的最大應力出現在插刀與盾體結合處，最大值為191.78 MPa；最大受力區域應力值為86.125～170.66 MPa；盾體上導軌的最大應力出現在插刀與盾體結合處，值為355.43 MPa，最大受力區域應力值為197.52～315.95 MPa。因此，盾體上導軌為前檐結構中受力較大區域。

2)由于前檐插刀在工作的過程中受土壓作用，在前檐導軌與盾體導軌結合處受剪切力作用較大。為了改善前檐結構受力較大的問題，提出改進措施如下：①在前檐導軌與盾體導軌增加特殊材質的耐磨板，避免鋼結構之間直接磨損。②在前檐導軌與盾體導軌之間安裝滾動軸承結構，由滑動摩擦變為滾動摩擦，減小摩擦力。③在前檐導軌與盾體導軌之間安裝加潤滑油道，減小磨損及摩擦力。

3)通過樣機的試制及實際施工的檢驗，證明了前檐結構設計的可行性和可靠性。

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DesignofandStudyonAdvanceTimberingofφ6.22mOpenShield

CUI Lishan,WANG Jianhui,YANG Haitao

(CompanyofTunnelingShieldManufacturing,BeijingSANYHeavyMachineryCo.,Ltd.,Beijing102202,China)

Advance timbering,an important component of open shield,plays a crucial role in supporting the tunnel,bearing the earth pressure and preventing the collapse.In the paper,the function,configuration,thrust calculation and cylinder selection of the advance timbering ofφ6.22 m open shield used in No.6 line of Beijing Metro are presented.Furthermore,a finite element model for the advance timbering is established based on 2 typical working conditions and the stress and deformation contour plots are generated.According to the analysing results,improvement measures are proposed and carried out.The boring of the prototype shield proves that the advance timbering designed is feasible and reliable.

open shield;advance timbering;design

2013-12-03;

2014-03-06

崔立山(1986—)，男，遼寧營口人，2011年畢業于東北大學，機械設計及理論專業，碩士，工程師，主要從事盾構研制方面的工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.06.016

U 45

A

1672-741X(2014)06-0592-06