上軟下硬復(fù)合地層盾構(gòu)機中盾本體強度及模態(tài)有限元分析

馬守為/中電建南方建設(shè)投資有限公司

上軟下硬復(fù)合地層盾構(gòu)機中盾本體強度及模態(tài)有限元分析

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上軟下硬復(fù)合地層中盾構(gòu)區(qū)間施工條件復(fù)雜，盾構(gòu)選型是保證施工安全和施工順利推進(jìn)特別重要的一步。通過利用有限元軟件對盾構(gòu)機中盾盾體進(jìn)行強度及模態(tài)有限元分析，為盾構(gòu)選型提供理論支撐。

上軟下硬復(fù)合地層 盾本體 有限元分析

一、引言

深圳地鐵7號線某盾構(gòu)區(qū)間通過上軟下硬復(fù)合地層，施工條件比較復(fù)雜。隧道頂層多為礫質(zhì)粘性土，底層多為強風(fēng)化花崗巖及全風(fēng)化花崗巖，部分為中風(fēng)化花崗巖及微風(fēng)化花崗巖。經(jīng)地質(zhì)補勘發(fā)現(xiàn)區(qū)間左線隧道范圍巖層堅硬，微風(fēng)化花崗巖單軸抗壓強度達(dá)到150MPa，盾構(gòu)推進(jìn)困難。

上軟下硬復(fù)合地層中，盾構(gòu)法隧道能否安全、環(huán)保、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、快速建成的關(guān)鍵工作之一就是盾構(gòu)選型。除了從安全適應(yīng)性、技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮外，通過利用有限元軟件對盾構(gòu)機中盾盾體進(jìn)行強度及模態(tài)有限元分析，為盾構(gòu)選型提供理論支撐。

二、建立計算模型

（一）中盾本體受力分析

參考日本隧道技術(shù)規(guī)范，對盾構(gòu)機中盾本體進(jìn)行受力分析，盾體受力模型如圖1所示。根據(jù)區(qū)間地質(zhì)詳勘資料，計算各部分壓力值為P1=0.263Mpa，P2=0.189Mpa，P3=0.331Mpa，P4=0.277Mpa。

圖1 中盾本體受力示意圖

（二）中盾本體有限元建模

根據(jù)盾構(gòu)機圖紙，建立中盾本體的三維模型，導(dǎo)入Ansys軟件進(jìn)行有限元分析。根據(jù)計算載荷對中盾本體施加壓力載荷，在中盾與前盾連接面施加固定約束，生成中盾本體的有限元模型如圖2所示，盾體材料如表1所示。

表1 盾體材料參數(shù)

圖2 中盾本體有限元模型

（三）中盾盾體強度分析

由圖3(a)可知，已知載荷下作用下中盾本體的最大等效應(yīng)力為70.984Mpa，發(fā)生在中盾與前盾連接處；在推進(jìn)油缸安裝的位置，由于中盾本體鋼板減薄，等效應(yīng)力較大。兩處的最大等效應(yīng)力均遠(yuǎn)小于16MnR鋼的屈服強度為320Mpa，滿足強度要求。從圖3（b）可知，中盾盾體的最大變形量為3mm，發(fā)生在中盾與前盾連接處，中盾盾體整體變形較小，符合使用要求。

圖3 （a）盾體應(yīng)力云圖

圖3 （b）盾體變形云圖

（四）中盾盾體模態(tài)分析

盾構(gòu)機在上軟下硬地層中掘進(jìn)時，掘進(jìn)速度較低，外界激勵頻率較低，故結(jié)構(gòu)的低階頻率對結(jié)構(gòu)安全影響較大。利用Ansys軟件對中盾盾體進(jìn)行模態(tài)分析，得前六階固有頻率如表2所示。

表2 中盾盾體前六階固有頻率

由施工經(jīng)驗可知，外界的激勵頻率較低。由計算結(jié)果可知，中盾盾體的前6階固有頻率范圍是46.368hz～52.8386hz高于外界的激勵頻率，所以中盾盾體不會發(fā)生共振，中盾盾體厚度合理，符合選型要求。

三、結(jié)語

通過以上對深圳地鐵某盾構(gòu)區(qū)間上軟下硬段盾構(gòu)機中盾盾體進(jìn)行強度及模態(tài)有限元分析，可知該區(qū)間擬選的盾構(gòu)機強度及中盾體厚度是合理的。