盾構隧道超前探測雷達安裝保護裝置研究

王紅衛 王美華 李增輝

(上海建工集團股份有限公司，上海 200080)

隨著我國地下空間的開發，斷面越來越大的盾構隧道對施工和風險控制技術的要求也越來越高，而超前發現并準確判斷地下障礙物、暗浜、古河道等不良地質體，對于保障隧道施工的安全至關重要。超前地質探測可分為地面地質探測和隧洞內地質探測，地面地質探測技術相對成熟，但存在成本投入大且探測詳盡程度有限等不足，尤其是在城市核心區狹小的地面空間根本無法開展地面地質探測；隧洞內地質探測主要探測開挖面前方的地質情況，具有作業面小且勘察結果參考性強等優點。地質雷達探測技術利用電磁波反射原理來判斷地層中的地質狀況，具有探測速度快、操作簡單、抗干擾性強等優點，并以其高探測分辨率和高工作效率而逐步成為隧洞內地質勘探的一種有力工具，對于盾構隧道封閉的工作面而言，將雷達天線安裝于盾構刀盤之上可有效提高地質探測結果的準確性和有效性，而如何保護安裝于刀盤之上的雷達天線已是一個亟需解決的問題。周奇才等人為此設計了一種矩形且采用螺栓固定安裝的探測雷達保護板，通過現場安裝和實驗表明，該板可保護地質雷達免受外部壓力的破壞，但根據彈性力學可知，截面尺寸改變愈劇烈，應力集中系數就愈大，在荷載作用下矩形且采用螺栓固定的板材容易產生應力集中，這不利于充分發揮保護材料的力學性能，同時矩形孔洞產生的應力集中同樣也會影響到盾構刀盤的強度。為進一步降低應力集中的影響，提高保護裝置的強度、水密性以及循環使用的便捷性，本文研發了一種新型的探測雷達安裝保護裝置。

1 安裝裝置設計

1.1 裝置材料選擇

雷達天線屬高精密設備，承載能力和防水等級低，易被泥水壓力破壞，安裝保護裝置既要能保護雷達避免被外力破壞，還要能為電磁波的發射和接收提供窗口，也就是電磁波窗口材料既要滿足強度、剛度和耐磨性要求，同時還要滿足電性能要求，應盡量降低電磁波穿透時產生的衰減損耗。

參考相關文獻可知，聚甲醛(POM)材料介電損耗值僅為0.007，介電損耗非常低，且在很寬的頻率和溫度范圍內變化很??；同時聚甲醛材料屬于高阻介質，對電磁波的吸收非常??；所以，從衰減損耗和穿透能力方面分析，聚甲醛材料作為窗口材料對電磁波的影響很小。聚甲醛材料的屈服極限約為69 MPa，彈性模量高達3 100 MPa，耐磨性能指標PV的臨界值高達1.26×105Pa·m/s，可見，聚甲醛材料具有較高的強度、較好的抗變形能力和耐磨性能。綜合以上要素，本文選用聚甲醛板材作為電磁波透射的窗口。

內部安裝雷達天線的敞口容器應具有較高的強度和剛度，并且方便加工制作；同時，因敞口容器需和刀盤連接固定，所選材料的力學性能應與盾構刀盤的材質相近。考慮上述需求，本文選用具有一定厚度的鋼材制作敞口容器。

1.2 裝置形狀設計

為降低應力集中的不利影響，在安裝雷達天線時，應在盾構刀盤上開圓柱形孔洞，與圓柱形孔洞相匹配，本文設計出圓柱體的雷達天線保護裝置，具體尺寸及材料如圖1所示。該裝置由鋼壓環、聚甲醛板、止水環、一端敞口一端封閉的鋼圓柱體組成，鋼圓柱體圓形截面的半徑為250 mm，高為200 mm，側面壁厚10 mm，底部厚度20 mm，裸露的雷達天線可直接固定在鋼圓柱體內部的空腔。鋼圓柱體自敞口端平面起60 mm寬度范圍內設置螺紋，整個保護裝置利用該螺紋安裝于盾構刀盤上的圓柱形孔洞內。厚30 mm的聚甲醛板作為電磁波窗口，用于雷達天線向外發射電磁波并接收從外部反射回來的電磁波，同時具有保護雷達天線的作用；壓環截面尺寸為20 mm×20 mm，壓環通過螺紋與鋼圓柱體連結，用于壓緊固定聚甲醛板；壓環與聚甲醛板之間、聚甲醛板與鋼圓柱體之間放置止水環，發揮密封防水作用。

整個安裝保護裝置的組裝過程如下：將裸露的雷達天線直接固定在鋼圓柱體空腔內；然后，在圓柱體的敞口處依次放入止水環、聚甲醛板、止水環，并擰緊壓環；最后，整個裝置通過螺紋安裝至盾構刀盤上的圓形孔洞內，保持裝置的聚甲醛板、壓環與刀盤共面。

2 安裝裝置力學分析

確定具體尺寸和材料后，應計算泥水壓力作用下安裝保護裝置的應力和變形，分析裝置的強度和水密性。

2.1 荷載計算

某軟土地層軌道交通隧道埋深約17 m，地下水埋深0.5 m，盾構直徑6.34 m，隧道開挖面平均泥水壓力P的計算公式為：P=Pw+Po+Pa，Pw=ρw·Hw，Po=Ko·ρ′·H。

其中，Pw為地下水壓；Po為開挖面土壓；Pa為預壓；ρw為水重度，取10 kN/m3；Hw為盾構軸心處地下水深度；Ko為靜止土壓力系數；ρ′為土的有效重度；H為盾構軸心處深度。

本次計算中考慮盾構軸心埋深為H=20 m，地下水水位為地表下0.5 m，則Hw=20-0.5=19.5 m，地下水壓為：Pw=ρw·Hw=19.5×10=195 kPa。

采用靜止土壓力情形計算土壓力Po，則靜止土壓力系數為：Ko=1-sinφ′。

其中，φ′為有效內摩擦角，飽和黏土的有效內摩擦角為20°～40°，本次計算中取平均值30°，故Ko=1-sinφ′=0.5。

地質土層平均重度約為18.5 kN/m3，則其有效重度ρ′=18.5-10=8.5 kN/m3。最終靜止土壓力的計算結果為：Po=Ko·ρ′·H=0.5×(18.5×0.5+8.5×19.5)=87.5 kPa。

預壓Pa是考慮地下水壓和土壓的設定誤差及送排泥設備中的泥水壓變動因素，根據經驗確定的壓力，通常取值為20 kN/m3～30 kN/m3，本次計算中取平均值25 kPa。

綜合以上因素，計算盾構隧道開挖面的泥水壓力為：P=Pw+Po+Pa=195+87.5+258=307.5 kPa。

2.2 有限元分析模型

采用有限元分析軟件Midas-GTS進行數值模擬，本構模型采用彈性模型，利用實體單元模擬安裝保護裝置，在裝置側壁60 mm寬度范圍內施加三向固定約束，模型各部件尺寸采用圖1中的尺寸。對聚甲醛板端施加面壓力模擬泥水壓力P，面壓力取值0.31 MPa；由于聚甲醛板表面光滑且在水潤滑條件下，故不考慮刀盤轉動時土體對板面產生的摩擦力；由于安裝保護裝置和盾構刀盤之間通過螺紋連結，無法保證刀盤上圓柱孔洞的水密性，故對安裝保護裝置封閉端及側面非約束部位施加面壓力模擬靜水壓力，靜水壓力取值0.2 MPa。

安裝保護裝置模型的物理力學參數見表1。

表1 模型物理力學參數

2.3 有限元計算結果及分析

經計算得到安裝保護裝置模型的應力和位移，其中聚甲醛板和鋼圓柱體的應力和位移云圖分別如圖2～圖5所示。

從圖2的計算結果可以看出，聚甲醛板的最大拉應力發生在圓心位置，其值約為7.4 MPa，遠遠小于聚甲醛板的抗拉極限強度69 MPa，并且若取安全系數為2.5時，可計算聚甲醛的許用應力為27.6 MPa，該值同樣大于計算所得的最大拉應力值，以此可判定聚甲醛板滿足強度要求；從圖3的計算結果可以看出，聚甲醛板的最大位移發生在圓心位置，其值約為1.9 mm，與板的直徑480 mm相比，其撓曲變形影響非常小，并且板邊緣的位移約為31×10-3mm，如此小的位移能夠避免因變形過大而導致的壓環密封不嚴。

從圖4的計算結果可以看出，安裝裝置底部鋼板的最大拉應力發生在圓心位置，其值約為14.7 MPa，遠遠小于HPB235屈服強度235 MP，并且若取安全系數為2.5時，可計算鋼材的許用應力為94 MPa，該值同樣遠遠大于計算所得的最大拉應力值14.7 MPa，以此可判定鋼板滿足強度要求；從圖5可以看出，裝置底部鋼板的最大位移僅僅為0.17 mm，與端板直徑500 mm相比，其撓曲變形的影響可以忽略不計。

從應力云圖和位移云圖可看出，安裝保護裝置的應力和位移的數值變化相對平緩，表明本文設計的雷達安裝保護裝置在荷載作用下未發生應力集中現象。通過對圖2～圖5的分析可知，鋼材中的最大拉應力發生在裝置底部鋼板的圓心位置，最大壓應力發生在裝置圓柱體側面，且兩者的值都遠小于鋼板的屈服強度；聚甲醛中的最大拉應力發生在板材圓心位置，其值遠小于抗拉極限強度；以上情況說明所選材料滿足文中荷載作用下的強度要求。安裝保護裝置的最大位移發生在聚甲醛板的圓心位置處，與板的直徑相比，其撓曲變形影響非常小，能滿足裝置的水密性要求。綜上所述，本文所設計的安裝保護裝置具有較高的強度儲備和較好的水密性，能夠為雷達天線提供安全穩定的工作空間。

3 結語

本文將探測雷達安裝保護裝置作為獨立的構件進行分析，該裝置采用圓柱體形狀降低應力集中對其本身及盾構刀盤的不利影響。通過計算分析可知，本裝置的尺寸確定和材料選用能夠滿足強度、變形以及電性能的要求，能夠為雷達提供安全可靠的工作環境，同時該裝置與固定在其內的雷達天線可作為一個整體，便于安裝、拆卸和維修，從而方便了地質探測雷達的推廣和應用。