基于SolidWorks Simulation的重疊盾構隧道穿行式全自動液壓支護臺車設計研究

王 松， 朱永戰， 喻致蓉

(平頂山平煤機煤礦機械裝備有限公司， 河南 平頂山 467000)

0 引言

隨著我國對基礎設施建設投入的加大及大城市交通擁堵客觀形勢的需要，為實現城市軌道線路順利通過狹小空間區域，重疊隧道的應用實例也越來越多[1]，如廣州軌道交通5號線區莊站—楊箕站區間[2]，深圳軌道交通2號線大劇院站—湖貝站[3]、地鐵一期工程羅湖站—國貿站區間[4]、3號線老街站—曬布站區間[5]、7號線華新站—黃木崗站區間、11號線松崗站—碧頭站區間，北京軌道交通8號線南鑼鼓巷站[6]，南寧軌道交通1號線朝陽廣場站—新民路站區間[7]等。小半徑、小凈距、長距離重疊隧道施工具有較大的安全風險，掘進過程中會對周邊土體產生劇烈擾動，且重疊隧道間的相互影響較大，施工過程中如控制不當，容易發生安全事故并造成重大的經濟損失[7]。因此，施工時對已施工的隧道縱向、橫向進行整體加強支護非常必要。

目前，國內工程實踐中對重疊盾構隧道加固方案主要采用注漿加固和臨時支護相結合的施工方案。在臨時支護方案中，隧道內鋼結構型鋼支撐[3-6]、同步支撐裝置臺車[7-8]、液壓輪式支撐臺車[9-13]是目前采用的主要措施。施工過程中，在先行隧道管片實現不間斷支護并保證先行隧道結構的穩定性是整個隧道施工成敗的關鍵。從既有重疊盾構隧道工程案例和已有文獻[3-13]來看，臨時支護設備普遍存在位移不方便、結構笨重、相鄰工序干擾、效率低下的弊端，施工單位通常僅滿足于實現支護功能，對于臨時支護設備的便捷性、經濟性等關注較少且缺乏專業化、系統化的研究，因此，研發一種支護可靠性高、連續、穩定、高效的支護設備很有必要。

本文以已完工的深圳市軌道交通7號線華新站—黃木崗站區間重疊盾構隧道施工為例，介紹了穿行式全自動液壓支護臺車的結構設計和無卸載支護原理，并結合有限元分析軟件進行強度校核，為今后重疊盾構隧道項目施工支護裝備的設計和施工提供參考依據。

1 工程概況

深圳市軌道交通7號線7305標華新站—黃木崗站區間盾構工程位于福田區[1]，該區間包含重疊段為曲線段，左線曲線半徑為500.0 m，右線曲線半徑為450.0 m，先施工左線隧道，后施工右線隧道。由于后行隧道施工時盾構等施工荷載對先行隧道縱向管片環間張開量影響較大，存在既有先行隧道變形、不穩固和沉降的風險，施工時必須對已施工隧道的縱向、橫向進行整體加強支護。施工右線隧道時，在左線隧道內采用穿行式液壓支護臺車以加強管片的整體穩定性，并對隧道間的土層進行注漿加固。

2 重疊盾構隧道支護方案比選

根據盾構隧道臨時支護施工需要和功能性定位，目前在盾構重疊隧道施工中常用的可滿足持續支撐功能、可靠度較高的支撐方案主要有鋼結構型鋼支撐方案、同步支撐裝置臺車方案和液壓輪式臺車支撐方案3種。

2.1 鋼結構型鋼支撐方案

鋼結構型鋼支撐方案主要有以下2種結構形式，其支撐結構原理類似，只是型材選擇不同。

2.1.1 扣件式滿堂紅鋼管支架加固方案

在文獻[3]中提出鋼管支架加固方案，該方案采用建筑施工常用的滿堂紅鋼管支架對下洞進行支撐加固，待盾構通過后再拆除。

2.1.2 十字支撐方案

在文獻[4-6]和[9-11]中提出十字支撐方案，該方案主要由鋼環、十字支撐及4根縱向工字鋼組成。鋼環和十字鋼支撐位于管片環縫處，縱向鋼支撐分別在隧道的12、3、6、9點位沿隧道縱向布置，鋼環、十字支撐和縱向工字鋼之間均采用螺栓連接，形成整體支撐體系。為了保證支撐轉移過程中在盾構長度范圍內至少有4榀支撐，每次架設6榀，當盾構通過最后2榀支撐后，及時拆除支撐并移至前端，進行重新架設。

2.2 同步支撐裝置臺車方案

在文獻[7-8]中提出一種同步支撐裝置臺車方案，在上行隧道盾構所處位置對應的下行隧道后20環、前10環管片(總長45.0 m)設置臨時移動保護支架。該裝置主要由主架、支撐板、液壓系統、行走系統、下部支撐板吊裝系統等部分組成。移動順序為： 先將最后5榀頂模和底模拆開，再把最后5榀頂模回收并往前移動至支撐臺架中部，然后回收最后5榀底模并往前移動至已前移的頂模下部，最后將支撐臺架一并前移到最前方進行組裝，如此循環完成支撐臺車的前移工作。同步支撐裝置臺車結構如圖1所示。

(a) 縱剖圖

(b) 橫剖圖

2.3 液壓輪式臺車支撐方案

在文獻[9-13]中提出采用液壓輪式臺車支撐方案，該方案主要由4節臺車組成，單節長度為4.5 m，節間凈距為1.5 m，整套臺車有效總長22.5 m(不含前端引導段6.3 m)，總質量為98.5 t[10，12]。臺車可在鋼軌上行進，每節臺車沿縱向間隔約0.8 m設置1道支撐，每道支撐由9、11、12、1、3點鐘5個方位共計5個輪式支撐組成，臺車之間采用連接缸相連形成一個整體。在臺車液壓系統的推動下，可實現不卸載向前移動。液壓輪式臺車結構如圖2所示。

(a) 縱剖圖

(b) 橫剖圖

2.4 現有方案優劣性對比

1)鋼結構型鋼支撐方案： 該方案的優點是結構簡單且功能明確、取材方便，通過型鋼支架或滿堂紅鋼管支架對先行隧道進行加固，支撐管片承受外部壓力，控制管片變形；缺點是不能與盾構同時前進且拆卸麻煩。對于長距離重疊盾構隧道支護而言，由于隧道內空間狹小且不便于施工機械輔助轉運，繁瑣的安裝、拆除和倒運工作非常困難，作業工人的勞動強度較大且效率低下。

2)同步支撐裝置臺車方案： 該方案的優點是相比鋼結構型鋼支撐方案增加了液壓系統、行走系統，自動化程度有了一定的提高，在一定程度上可以降低勞動強度，但也有諸多不足之處。其拆裝工作量大，而且貫穿整個支撐施工過程中下部無法通車，造成工序干擾，支護效率仍然較低，且不能杜絕鋼制模板磕碰、損壞混凝土管片風險，同時總長45.0 m鋼制模板支撐結構較為笨重，設備造價相對較高。

3)液壓輪式臺車支撐方案： 該方案的優點是結構相對合理，可滿足對支撐體系的要求，自動化程度有了進一步提高，施工中向前移動也比較方便，并且實現了連續不間斷支撐。其不足是臺車質量較重，造價仍然相對較高，且由于該方案的結構限制，在臺車頂推支護工作期間下部無法通行施工車輛造成物料運輸中斷，形成相鄰工序之間的干擾，施工效率仍較低。

2.5 穿行式液壓支護臺車方案

針對現有技術條件下3種常用支撐方案的不足，結合本盾構隧道區間施工組織，通過結構優化，設計一種在無卸載支護條件下具備下部不間斷穿行施工車輛功能的全自動新型液壓支護臺車方案，結構如圖3所示。該方案由3節臺車組成，采用全自動液壓軌道行走。主要參數如下： 單節臺車前后側門架中心間距為3.0 m，整套臺車公稱長度為12.0 m(最大有效支護長度為14.0 m)，單節臺車質量為 12.0 t，整車質量為36.0 t，中心軌距為2.2 m。3節臺車之間采用動力液壓油缸連接，可實現不卸載連續支護。

(a) 縱剖圖

(b) 橫剖圖

1—液壓泵站； 2—電控系統； 3—行走輪系； 4—動力油缸； 5—支護系統； 6—縱梁； 7—門架系統。

圖3穿行式全自動液壓支護臺車支護方案結構(單位： mm)

Fig. 3 Structure of automatic hydraulic support trolley (unit： mm)

與液壓輪式臺車支撐方案相比，穿行式液壓支護臺車結構不再設置水平橫梁且擴大了中心軌距，保證了施工車輛(電瓶車)通車需求。本臺車內部通車空間B×H=2.0 m×2.4 m。

穿行式液壓支護臺車方案繼承了3種既有支護方案的優點，同時克服了現有技術的不足：

1)下部采用開放式結構設計，可以在滿足隧道不間斷支護的同時保證內部空間24 h不間斷通車，下部可通過施工車輛運輸管片、機具等施工材料，避免工序間作業干擾。

2)一次調試完成后、在施工監測無異常情況下無需中途調整，避免了原有支護方案設備的反復拆卸、倒運、組裝等工序，有效降低了作業工人勞動強度。

3)支護結構由現有技術條件下總長度45.0 m[7-8]和22.5 m[9-13]縮減為12.0 m，結構更為簡便；臺車總質量由98.5 t[10，12]縮減為36.0 t，實現了輕量化設計，也降低了施工成本。

3 穿行式液壓支護臺車設計原理及參數

3.1 穿行式液壓支護臺車工作原理

3.1.1 穿行式液壓支護臺車無卸載支護原理

為了確保盾構掘進過程中隧道結構穩定，避免管片變形、破壞等問題，施工過程中必須保持支護臺車在無卸載支護條件下分步行進，即在外界施工荷載工況條件下始終保持支護狀態。本臺車通過電氣控制和電磁換向閥操作9組支護輪組(每5個為一組，共計45個支護輪組)，其中每組5個支護輪組既可以一鍵升降又可以單獨控制，同時在液壓系統中還設置了液壓鎖等液壓元件。

3.1.2 穿行式液壓支護臺車無卸載行進條件分析

選取液壓支護臺車的支護區間作為研究對象，由于3組臺車與管片及軌道的接觸點數和面積相等、隧道行進方向坡度相同、鋼輪外包裹聚氨酯橡膠與管片混凝土摩擦因數相等、支護油缸推力相等，且盾構隧道在整個臺車支護的長度內外界地質條件基本無變化，因此，可以近似認為3組臺車所承受的工作阻力相等。

設單節支護臺車在某段重疊隧道與該段隧道管片及鋼軌間的施工荷載正壓力合力為FN，由以上分析可知：

FN1=FN2=FN3=FN。

(1)

式中FN1、FN2、FN3分別為3節臺車所受正壓力。

右線北方重工盾構質量在長度方向分布依次為刀盤53.0 t(1.8 m)、前盾111.6 t(2.3 m)、中盾76.9 t(2.9 m)、尾盾48.3 t(4.0 m)，則均布荷載為刀盤qdp=294.4 kN/m、前盾qqd=485.2 kN/m、中盾qzd=265.2 kN/m、尾盾qwd=120.8 kN/m，可知施工荷載主要集中在刀盤、前盾、中盾，這3個支護區間為重點保護部位。根據盾構行進長度、支護臺車的布置情況及頂推施工過程，單節臺車所受的正壓力最不利情況為前盾全壓在一節臺車上，中盾壓接剩余1.7 m。支護最不利工況示意圖如圖4所示。

圖4 支護最不利工況示意圖(單位： mm)

3節臺車在最不利情況下所受的正壓力(單位： kN)分別為：

FN1=530.0+FN；

(2)

FN2=1 116.0+qzd×1.7+FN=1 566.8+FN；

(3)

FN3=483.0+(769.0-qzd×1.7)+FN=

801.2+FN。

(4)

摩擦力計算公式為：

f=μF。

(5)

設1#臺車、2#臺車之間的動力油缸推力為FD。當1#臺車以2#、3#臺車為反力向前推動瞬間，結合式(1)—(5)，則無卸載行進須滿足：

f1=μFN1=μ(530.0+FN)=FD<μ(FN2+FN3)=

μ(2 368.0+2FN)，

(6)

由式(6)可知，無需任何外在推力的作用即可滿足1#臺車不卸載行進條件。

f2=μFN2=μ(1 566.8+FN)=FD<μ(FN1+FN3)=

μ(1 331.2+2FN)，

此時，只有當FN>235.6 kN時，才能滿足2#臺車在沒有任何外在推力作用下的不卸載行進條件。根據文獻[14]，橡膠輪與混凝土面的摩擦因數μ≈0.15，可以推導出此時2#臺車的瞬間工作阻力

f2=μFN2=μ(1 566.8+FN)=0.15×(1 566.8+

235.6) kN=270.4 kN。

此時為提供較大的反力使2#臺車不卸載移動，采取保護措施,在1#、3#反力臺車的行走輪和軌道間設置夾軌器或塞入木楔。

f3=μFN3=μ(801.2+FN)=FD<μ(FN1+FN2)=μ(2 096.8+2FN)。

可知，無需任何外在推力的作用即可滿足3#臺車不卸載行進條件。

在實際無卸載支護頂推施工中，盾構等外界條件作用在臺車上的施工荷載會隨盾構與臺車的相對位置變化而發生變化。為保證臺車無卸載支護行進及隧道結構穩定性，必須采取夾軌器和塞入木楔等雙重安全措施以保證安全。

3.2 穿行式液壓支護臺車結構設計

3.2.1 單節臺車模塊化設計

為便于施工操作和具備支護區間范圍可擴展功能，單節臺車采用模塊化設計，相鄰臺車節間通過頂推動力油缸串聯。單節臺車自成支護體系，作業方式靈活，既可以相對獨立地支護也可整組移動支護，同時可根據施工需要擴展成更多支護節段。

3.2.2 采用滑套結構減少支護輪組伸縮阻力

為減少工作阻力，支護輪組與縱梁間連接方式采用內外移動式滑套結構，如圖5所示。縱梁上部采用口字型結構，作為門架縱向穩定性連接構件，同時兼作支護輪組滑套結構的導向機構和安裝底座；支護輪組底座作為滑套結構內芯，可在支護油缸的推動下自由伸縮；單個支護輪組由2個鋼輪組成，為避免鋼輪行走損傷管片同時減少推進阻力，在鋼輪外包裹聚氨酯橡膠。

1—縱梁； 2—支護輪組； 3—支護油缸； 4—支護圓柱銷； 5—縱梁連接銷。

圖5支護系統結構圖

Fig. 5 Structure of support system

3.2.3 鉸接式設計消除管片錯臺阻力

由于在盾構隧道施工中一直存在管片錯臺技術難題，傳統輪式臺車在錯臺位置行進過程中不可避免地造成工作阻力增大，此時若強行推進將會引發管片破裂、隧道滲漏、支護輪組損壞等一系列風險問題。本臺車采用鉸接式設計，支護輪組和支護底座間采用圓柱銷連接，即使在管片錯臺條件下也可自動調整姿態，保持支護輪組聚氨酯橡膠面始終緊密貼合在管片表面，結構更加方便可靠。支護系統行進工況模擬如圖6所示。

(a) 理想水平狀態

(c) 下坡狀態

Fig. 6 Simulation drawings of support system under working conditions

3.2.4 支護系統壓力可調

支護系統利用液壓支護油缸提供支撐力以抵抗管片承受的外部施工荷載，施工過程中油缸的支護推力可根據施工需要進行調節。支護油缸規格為HSG140/90-300，單個支護輪組可提供最大支護推力為246.2 kN。

3.2.5 頂推動力同步推進措施

整組臺車行進采用液壓油缸頂推，動力平穩、可靠性高。液壓支護臺車共有8個頂推動力油缸，每4個一組，由同步閥統一控制保持頂推行進速度一致。油缸規格為HSG160/100-750，單個動力油缸可提供最大推力為321.5 kN、最大拉力為195.9 kN。

3.3 穿行式液壓支護臺車電氣控制

所有油缸終端由高壓油管連接到液壓泵站的電磁閥組上，由電控箱按鈕控制電磁閥實現油缸動作。電氣控制系統由空氣開關、熱繼電器、交流接觸器、熔斷開關、橋式整流器、熔斷器、啟停按鈕、急停按鈕、通電指示燈等電氣元件組成，總機功率為4 kW。

3.4 穿行式液壓支護臺車液壓控制

本臺車液壓控制系統由200 L液壓泵站(額定工作壓力16 MPa)、PV2R1葉片泵、3.75 kW油泵電機、CIT-04管式單向閥、DSG-02-3C2-D2電磁換向閥、AT-63-400K-A1 GCT-02分支壓力表及開關、MRV-02-P疊加式溢流閥、液溫液位計等液壓元件組成。在動力油缸上設計同步閥保證油缸動作一致，設計溢流閥和液溫液位計作為安全保護措施。液壓控制原理如圖7所示。

圖7 穿行式液壓支護臺車液壓控制原理圖

3.5 穿行式液壓支護臺車行進操作步驟

臺車相鄰門架中心間距為1.5 m，與管片寬度相同，液壓支護臺車在盾構掘進半環或者整環的換車時間進行行進，每次行進位移為0.75 m或1.5 m，即動力油缸伸縮1個行程或2個行程。結合圖8所示，臺車行進操作步驟如下:

1)利用A組動力油缸向1#臺車提供向前推力，此時2#、3#臺車作為反力臺車靜止，1#臺車隨動力油缸動作向前行進；

2)利用A組動力油缸、B組動力油缸共同施力，將2#臺車向前推動；

3)利用B組動力油缸收縮動作將3#臺車往前拉動，此時1#、2#臺車作為反力臺車靜止，3#臺車隨動力油缸動作向前行進。

如此循環，1#、2#、3#臺車依次逐節行進直至完成全部重疊段支護任務。

圖8 穿行式液壓支護臺車行進示意圖

4 穿行式液壓支護臺車主要結構強度校核

4.1 研究對象的選取

因本設計中3節臺車結構相同，選取其中一節臺車作為研究對象即可校核臺車安全性能。臺車門架斷面為變截面焊接H型鋼結構，材質為Q235B。力學模型： 簡化為一端簡支、一端固定的簡支梁模型，按最不利條件即單個支護底座承受最大荷載246.2 kN驗算。根據文獻[15]，Q235B材料許用應力及撓度規定為： 強度[σ]≤215 MPa； 撓度[ω]≤l/400。

4.2 穿行式液壓支護臺車強度校核

本計算采用有限元分析軟件SolidWorks Simulation進行強度校核。

1)建立SolidWorks臺車三維模型，輸入約束條件、施工荷載。為便于計算和輸出結果，將次要結構(如行走輪組、支護輪組等)略去，如圖9所示。

2)求解有限元模型。臺車應力與應變云圖如圖10所示。

(a) 3D模型

(b) 施工荷載加載

Fig. 9 3D model of hydraulic support trolley and construction loading

(a) 應力云圖(單位： N/m2)

(b) 應變云圖

由以上計算可知，臺車應力、變形量均滿足要求，結構安全，可滿足施工要求。

5 穿行式液壓支護臺車應用案例

穿行式液壓支護臺車已經成功應用于深圳軌道交通7號線華新站—黃木崗站區間、11號線松崗站—碧頭站區間中國水電四局、水電十四局、中鐵二局3個標段，如圖11所示。其中，華新站—黃木崗站區間左線隧道于2014年12月14日進入疊線段，2014年12月31日完成隧道掘進；右線隧道于2015年3月16日進入疊線段，2015年4月9日完成隧道掘進。通過以上工程實踐的成功應用，為后續重疊盾構隧道項目施工提供了便捷、高效的支護方案借鑒，同時也為類似項目的支護臺車設計提供了經驗參考。

(a) 整體組裝圖

(b) 無卸載支護的同時下部運輸物料電瓶車通行

6 結論與建議

通過對深圳市軌道交通7號線華新站—黃木崗站區間重疊盾構隧道工程穿行式液壓支護臺車設計，結論與建議如下：

1)穿行式液壓支護臺車為重疊盾構隧道工程提供了簡便、高效的臨時支護設備，達到了減少工序干擾、提高施工效率、降低施工成本的目的。

2)由于本臺車施工過程中必須確保盾構始終處于臺車支護范圍，這就對隧道掘進與液壓支護工序配合提出了更高的要求。

3)穿行式液壓支護臺車在自動化智能控制方面尚需進一步提高，建議在今后類似工程的臨時支護裝備設計上加強與盾構同步行進自動化智能控制方面的研究。