盾構機人閘異形筒體設計方法的探討

王學明，董金善，王興文，郝 陽

WANG Xue-ming, DONG Jin-shan, WANG Xing-wen, HAO Yang

（南京工業大學 機械與動力工程學院，南京 211816）

0 引言

1818年，法國的布魯諾爾(M.I.Brune1)從蛀蟲鉆孔得到啟示，最早提出了用盾構法建設隧道的設想，并在英國取得了專利。1866年，莫爾頓申請“盾構”專利并在專利中第一次使用了“盾構”（Shield）這一術語。我國的盾構發展比較晚，大致可分為：起步階段（20世紀60年代～80年代初）、平穩發展階段（20世界80年代中～2000年）、快速發展階段（2000年～至今）。進入21世紀，隨著國家經濟、技術的迅猛發展為地鐵建設帶來了重大機遇，同時也為盾構技術應用和發展提供了廣闊的平臺和空間。目前已有成熟盾構施工經驗的城市主要分布在長三角、珠三角和環渤海灣地區。但隨著中國經濟的快速發展，沈陽、成都、西安、杭州、武漢等一些二線城市已經開始了地鐵的建設。據不完全統計，截至目前，國內保有的盾構機在170臺左右，專家預計：到2020年前，我國的盾構需求量約為300多臺。

盾構在砂卵石上軟下硬地層中掘進，刀具磨損嚴重，因此選擇合適的時機進艙對刀具進行檢查及更換就成了一項無法回避的任務[1]。人閘作為盾構機的重要設備，其功能是幫助工作人員在合適的時機進艙對刀具進行檢查和更換。本文利用人機工程學的相關知識和一些經驗公式對人閘筒體進行設計，并利用大型有限元軟件ANSYS進行模擬證明其安全性，為此類人閘設備設計提供一定的參考。

1 筒體的結構尺寸的確定

人機工程學（Man-Machine Engineering）是研究人、機械及其工作環境之間相互作用的學科。據新聞新民網報道，學生身高與桌椅高度配套工程實施兩年近視率降低2%。可見根據人機工程學進行設計，可以使人預防疾病，可以使人工作環境更加舒適，并且會更大程度的提高工作效率。GB/T 14779-93標準規定了三種身高等級的成年人坐姿模板功能設計基本條件，GB/T15759-95標準提供了設計用人體外形模板的尺寸數據及其圖形。

圖1 盾構機兩種典型的刀具

圖2 我國坐姿人體尺寸

圖3 人閘截面簡圖

如 圖2 所 示， 我 國 成 年 人 坐 高（ 1 . 1 ）836mm～979mm（男）、789mm～920mm（女）；小腿加足高（1.8）372mm～463mm（男）、331mm～417mm（女）；坐姿下肢長（1.11）892mm～1096mm（男）、826mm～1005mm（女）。因為工作人員是坐著工作的，所以根據GB10000-88坐姿的活動空間和舒適度，筒體的設計尺寸Di為1500mm～1700mm。

人閘作為盾構機的組成部分，因為其他結構布置的影響，截面往往不是規則的。本例中設備結構設計壓力0.77MPa，設計溫度60℃，材料SA-516 GR70，其在設計溫度下的許用應力為138MPa，本文根據人機工程學理論結構尺寸如表1所示。

表1 筒體的主要尺寸（單位：mm）

2 筒體厚度的確定

由圖3可知筒體由圓筒、無加強圓角矩形截面筒體和斜矩形板組成。

1）根據圓筒理論公式計算

標準[2]規定了圓筒的計算公式：

根據第一強度準則即最大拉應力準則，可以計算出筒體的計算厚度為4.34mm，名義厚度為5mm。

2）根據無加強圓角矩形截面容器公式計算

標準[2]規定：容器側板與圓角的厚度相同；圓角半徑r應不小于側板厚度的3倍。標準GB150-2011是參考ASME得到的。ASME規范法由J.H.Faupel是沿用平面梁假設基礎上，基于卡氏定理的彈性變形能法推導出來的。

利用SW6-2011軟件可以計算出此結構的名義厚度48mm。

3）利用矩形板厚度計算

(1) 基于平板疊加理論

文獻3在平板疊加理論的基礎上，建立了一個有限長對稱矩形壓力容器的設計模型，并推導出其側板厚度的計算公式。文獻中矩形結構尺寸：1850mm×1634mm×1466mm(a×b×c),根據a/c和b/c的值根據文獻[3]表1查得彎矩系數β、β1的值：β=0.0241，β1=0.0306代入式(3)～式(5)。

求其厚度δx=46.4mm，δy=42.3mm，令δ等于其中較大值即可；

從式(5)求出其計算厚度δ=52.3mm，名義厚度δ=53mm。

(2) 利用船舶結構力學[4]，材料力學理論板條梁斷面的彎曲正應力：

(3) 標準[5]對于實心圓平板的設計標準做了規定，有比較經典的計算公式，但矩形平板的設計問題有很少的報道。實際上，矩形板可使用假想圓[6]的方法，按圓平板處理，以式(7)計算其厚度。

其中，K為矩形平板結構特征系數，文獻[6]規定對于焊接板統一取K=0.36；

D為矩形等效內切圓直徑D=733mm；

由式(7)可計算出矩形板厚度t=32.9mm，圓整至33mm。

圖4 矩形板假想圓畫法

3 筒體的有限元建模

3.1 建立力學模型

根據結構特點和載荷性質，采用全三維模型如圖5所示，筒體材料的性能數據如表2所示。

表2 材料在60℃下的力學性能參數

圖5 筒體模型

圖6 筒體加載圖

3.2 力學模型加載加載

根據標準《GB10000-88中國成年人人體尺寸》統計了我國六個區域的體重：東北、華北區體重均值64Kg；西北區體重均值60Kg；東南區域體重均值59Kg；華中區域體重均值57Kg；華南區域體重均值56Kg；西南區域體重均值55Kg。在筒體一端施加集中力最大值G=mg=640N。在人閘的端面施加全約束，內壁面施加內壓，整體模型施加慣性加速度g=9.8m/s2，如圖6所示。

3.3 應力的評定

如圖7～圖11所示路徑，根據GB150.1附錄E規定應力分類及應力分析結果的評定方法應符合JB4732的規定。根據JB4732表5-1規定，本文對上述筒體厚度進行評定，結果如表3所示。

圖7 應力云圖（1）

圖8 應力云圖（2）

圖9 應力云圖（2）

圖10 應力云圖（3）

圖11 應力云圖（4）

表3 筒體應力評定

根據表3所示筒體的厚度21mm、33mm、48mm、53mm是滿足應力評定的。

4 結束語

通過筒體的有限元應力計算分析，此類人閘結構設計計算有如下結論：

1）人閘按照圓筒設計，設備強度遠遠達不到要求。

2）通過此個實例證明了對于縱橫比小于4的容器，無加強圓矩形截面容器計算公式結果偏于保守。

3）根據平板疊加理論根據矩形平板計算設備的厚度過于保守，不建議采用。

4）根據上述有限元計算，板條梁斷面的彎曲正應力計算的結構所得的板厚有一定安全裕量，并且計算簡便建議采用。

5）應用內切圓法設計的矩形板原件等效為圓平板，可按照圓平板設計公式計算矩形平板厚度，取結構特征系數K為0.36時，計算出的計算厚度偏于保守，不適用此類人閘筒板設計。

[1] 賀霄飛.壓氣作業在地鐵盾構施工中的應用[J].山西建筑,2007, 33(11)：309-310.

[2] 2011 G B.壓力容器 [S][D].2011.

[3] 謝桂蘭,龔曙光.有限長矩形壓力容器側板厚度計算方法的探討[J].化工機械,2000,27(5)：270-274.

[4] 船舶結構力學[M].國防工業出版社,1984.

[5] 新編材料力學[M].機械工業出版社,2002.

[6] 管文華.平板開孔及矩形容器應力和結構的分析研究[J].2006.