盾構(gòu)盾尾金屬刷有限元分析

鐘 波，張光輝，魏林春

(1.武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，武漢 430070；2.上海隧道工程有限公司，上海 200082)

由于盾構(gòu)的盾殼內(nèi)徑大于混凝土管片外徑，因此兩者之間存在一定的環(huán)形間隙，稱(chēng)為盾尾間隙。為了防止外部泥漿、地下水等雜物從盾構(gòu)盾尾間隙滲漏到盾構(gòu)主體，保護(hù)盾構(gòu)主體正常掘進(jìn)運(yùn)行，在盾構(gòu)機(jī)尾部設(shè)置了至關(guān)重要的密封裝置，即盾尾刷。在運(yùn)用盾構(gòu)法施工時(shí)，盾尾刷對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)的質(zhì)量、效率和安全起著至關(guān)重要的作用。一旦盾尾刷損壞，盾尾發(fā)生滲漏就會(huì)破壞泥水平衡，影響盾構(gòu)主體工作，嚴(yán)重的會(huì)引起地層下沉，甚至導(dǎo)致盾構(gòu)無(wú)法推進(jìn)[1-4]。

某工程盾構(gòu)盾尾刷共有四道，組成了三個(gè)密封腔，三個(gè)密封腔通過(guò)注入盾尾油脂保證壓力平衡和不發(fā)生泥水、注漿漿液等雜物滲漏，從而使盾構(gòu)主體正常工作。因此，盾尾刷所受外力來(lái)源為盾尾油脂注入壓力及同步注漿壓力。

現(xiàn)今盾尾刷都是統(tǒng)一制式的，并未根據(jù)實(shí)際工程需要而做出結(jié)構(gòu)優(yōu)化與調(diào)整。小直徑盾構(gòu)盾尾刷可能并不完全適用于大直徑盾構(gòu)，不再適用于所有的施工壓力與盾尾間隙。當(dāng)盾尾間隙或施工壓力超出其允許范圍時(shí)，可能會(huì)發(fā)生破壞，進(jìn)而出現(xiàn)盾尾滲漏，影響盾構(gòu)機(jī)主體工作。因此，對(duì)盾構(gòu)盾尾刷在不同的盾尾間隙與壓力下的工作性能研究是很有必要的。以某工程盾構(gòu)盾尾刷為研究對(duì)象，對(duì)其在110 mm、160 mm的盾尾間隙與0.5 MPa、1.0 MPa壓力下的工作性能進(jìn)行了有限元分析，希望為盾構(gòu)盾尾刷工作性能計(jì)算提供參考借鑒。

1 有限元模型和計(jì)算工況

1.1 有限元模型

盾尾刷由前保護(hù)板、后壓緊板、中部金屬鋼絲刷、基座板構(gòu)成，如圖1所示。

根據(jù)工程盾尾刷實(shí)際構(gòu)造進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，采用有限元計(jì)算軟件ABAQUS進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算模型如圖2所示。考慮到盾尾刷是設(shè)置在盾構(gòu)盾殼和混凝土管片之間的，二者的剛度較大，變形較小，因此將盾殼與混凝土管片均簡(jiǎn)化為剛性面。除此之外，前后具有金屬夾板，材料為鋼材，按實(shí)際尺寸進(jìn)行建模，前板厚1.0 mm，后板厚1.5 mm。

盾尾刷實(shí)際構(gòu)造中前保護(hù)板與后壓緊板角度不一致，不平行，模型簡(jiǎn)化為一致、平行。中間的金屬絲制成的刷子，簡(jiǎn)化為圖2中的橫柵格板的形式，即中部是與前后板平行的面板，垂直方向?yàn)樨Q向隔板，與前后板接觸。這樣簡(jiǎn)化是因?yàn)榻饘俳z不易模擬，而且金屬絲刷具有一定的抗壓能力，但是抗彎和抗剪能力不足，因此按柵格板的形式簡(jiǎn)化。

各個(gè)部分之間的接觸條件為柵格板與前后面板之間設(shè)置光滑接觸，前后板與剛性板之間設(shè)置光滑接觸。而約束條件為上部分剛性板完全約束自由度，下部剛性板的約束為除豎向位移自由度之外的所有自由度，并且在分析步中設(shè)置強(qiáng)制豎向位移，迫使下部剛性板向上位移，使得兩部分剛性板之間的距離符合盾構(gòu)殼體和管片之間的距離。金屬刷是焊接在盾構(gòu)殼上的，所以在前后板、橫格柵板上部水平部分端部固接。

由于金屬絲制成的刷子材料本構(gòu)未知，所以橫格柵板的本構(gòu)材料參數(shù)設(shè)置較為困難，暫定為在普通鋼材的基礎(chǔ)材性上進(jìn)行折減。由于盾尾刷金屬絲刷本身抗彎能力不足，所以將平行面板材料的彈性模量設(shè)為一般鋼材的1/10，而豎向隔板彈性模量設(shè)為1/3。前后鋼板材料參數(shù)根據(jù)材性試驗(yàn)得到，密度為7 850 kg/m3，E=214 GPa，泊松比ν=0.28，屈服強(qiáng)度σs=1 200 MPa，極限強(qiáng)度σb=1 556 MPa。

計(jì)算模型按實(shí)際尺寸建立，采用S4單元，單元尺寸為5 mm。

計(jì)算分析步：Step1，設(shè)置強(qiáng)制位移約束，迫使下部剛性板向上位移；

Step2，在前后板X(qián)正方向一側(cè)施加垂直于板面的均布荷載模擬兩個(gè)腔室填充油壓力差。

1.2 計(jì)算工況

上部和下部剛性板之間的距離即盾尾間隙取110 mm和160 mm，壓力取0.5 MPa和1.0 MPa，所以數(shù)值計(jì)算分為4個(gè)工況。

2 有限元分析結(jié)果

將有限元計(jì)算結(jié)果與盾尾刷材料參數(shù)對(duì)比分析盾尾刷是否會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞或者疲勞破壞。

2.1 強(qiáng)度分析

盾尾刷的變形模式如圖3所示，應(yīng)力與變形概況計(jì)算結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

表1 應(yīng)力、位移結(jié)果表

由表1可知：4種工況中，無(wú)論盾尾間隙為110 mm還是160 mm，均已產(chǎn)生很大的變形和應(yīng)力，結(jié)構(gòu)前后板容易斷裂破壞。當(dāng)往X負(fù)方向繼續(xù)施加荷載后，盾尾刷會(huì)彎曲變形，應(yīng)力增加迅速。無(wú)論何種荷載，相比于160 mm間距，110 mm間距的最大應(yīng)力更大；同種間距，不同荷載下，X向位移變化基本一樣，應(yīng)力在110 mm間距時(shí)相差更大，達(dá)到160 MPa左右。所有工況的應(yīng)力都已接近屈服強(qiáng)度1 200 MPa，而且間距110 mm，荷載1 MPa時(shí)最大應(yīng)力達(dá)到1 337 MPa，超過(guò)屈服極限1 222 MPa，說(shuō)明結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，具有破壞的趨勢(shì)。

2.2 疲勞分析

疲勞破壞是指鋼材在反復(fù)循環(huán)力的作用下，在達(dá)到一定次數(shù)之后，結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞的現(xiàn)象。而反復(fù)循環(huán)力作用的次數(shù)，即疲勞破壞次數(shù)，可以依據(jù)構(gòu)件應(yīng)力采用Goodman直線(xiàn)模型與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行估算，結(jié)果如表2所示。

表2 疲勞破壞分析結(jié)果表

由表2可知：4種工況中，盾尾間隙160 mm的疲勞破壞次數(shù)遠(yuǎn)高于110 mm。相比于根部，板的中部更容易發(fā)生疲勞破壞。疲勞破壞的最少次數(shù)為11 098次，而在實(shí)際工程中，基本達(dá)不到這個(gè)次數(shù)。因此，認(rèn)為基本沒(méi)有疲勞破壞的可能。

3 結(jié) 論

以某工程盾構(gòu)盾尾刷為研究對(duì)象，對(duì)某工程盾構(gòu)盾尾刷在110 mm、160 mm的盾尾間隙與0.5 MPa、1.0 MPa壓力下的工作性能進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明盾尾刷在1.0 MPa下會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞，基本不會(huì)發(fā)生疲勞破壞。盾尾刷的變形模式是中部彎曲，呈現(xiàn)出“S”型。

[1] 溫超杰,陳 勇,潘孟孟,等.淺談盾構(gòu)施工盾尾刷更換的質(zhì)量監(jiān)理[J].建設(shè)監(jiān)理,2013(9):1-73,79.

[2] 王海強(qiáng).盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中盾尾刷更換技術(shù)[J] 石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào),2015,24:142-144.

[3] 李艷春.盾構(gòu)法隧道施工中盾尾刷的優(yōu)化與保護(hù)[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào),2015,24(3):33-34.

[4] 江 旭.盾構(gòu)盾尾刷保護(hù)及盾尾漏漿防止措施[J].盾構(gòu)工程,2016(4):57-59.