上軟下硬復合地層盾構機中盾本體強度及模態有限元分析

馬守為

[摘要]上軟下硬復合地層中盾構區間施工條件復雜，盾構選型是保證施工安全和施工順利推進特別重要的一步。通過利用有限元軟件對盾構機中盾盾體進行強度及模態有限元分析，為盾構選型提供理論支撐。

[關鍵詞]上軟下硬復合地層 盾本體 有限元分析

一、引言

深圳地鐵7號線某盾構區間通過上軟下硬復合地層，施工條件比較復雜。隧道頂層多為礫質粘性土，底層多為強風化花崗巖及全風化花崗巖，部分為中風化花崗巖及微風化花崗巖。經地質補勘發現區間左線隧道范圍巖層堅硬，微風化花崗巖單軸抗壓強度達到150MPa，盾構推進困難。

上軟下硬復合地層中，盾構法隧道能否安全、環保、優質、經濟、快速建成的關鍵工作之一就是盾構選型。除了從安全適應性、技術先進性、經濟性等方面綜合考慮外，通過利用有限元軟件對盾構機中盾盾體進行強度及模態有限元分析，為盾構選型提供理論支撐。

二、建立計算模型

（一）中盾本體受力分析

參考日本隧道技術規范，對盾構機中盾本體進行受力分析，盾體受力模型如圖1所示。根據區間地質詳勘資料，計算各部分壓力值為P1=0.263Mpa，P2=0.189Mpa，P3=0.331Mpa，P4=0.277M pa。

（二）中盾本體有限元建模

根據盾構機圖紙，建立中盾本體的三維模型，導入Ansys軟件進行有限元分析。根據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。

（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力為70984M pa，發生在中盾與前盾連接處；在推進油缸安裝的位置，由于中盾本體鋼板減薄，等效應力較大。兩處的最大等效應力均遠小于16M nR鋼的屈服強度為320M pa，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。

（四）中盾盾體模態分析

盾構機在上軟下硬地層中掘進時，掘進速度較低，外界激勵頻率較低，故結構的低階頻率對結構安全影響較大。利用Ansys軟件對中盾盾體進行模態分析，得前六階固有頻率如表2所示。

由施工經驗可知，外界的激勵頻率較低。由計算結果可知，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生共振，中盾盾體厚度合理，符合選型要求。

三、結語

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