大直徑 GPST 盾構(gòu)管片穩(wěn)定裝置設(shè)計

鄭 斌（上海黃浦江越江設(shè)施投資建設(shè)發(fā)展有限公司， 上海 200336）

地面出入式盾構(gòu)（Groud Penetrating Shietd Technology，GPST）工法是一種盾構(gòu)能夠按照設(shè)計線路直接從地面（或地面簡易導(dǎo)坑）始發(fā)和到達，可避開工作井大開挖施工的全過程盾構(gòu)施工方法。該工法作為新型隧道工程施工技術(shù)，導(dǎo)致與其相關(guān)的研究成果、實施案例和配套技術(shù)等參考文獻比較匱乏，但因其是解決現(xiàn)代城市復(fù)雜條件下隧道文明施工和綠色環(huán)保的有效措施之一，依然吸引著國內(nèi)外學者和科研機構(gòu)對其地質(zhì)適應(yīng)性、技術(shù)可行性和設(shè)備有效性等方面進行探索研究。

國內(nèi)外對于 GPST 工法中涉及隧道管片抗浮和管片穩(wěn)定裝置的關(guān)鍵技術(shù)和理論研究比較匱乏，而且還需要大量的工程應(yīng)用項目驗證。特別是涉及 GPST 工法下管片穩(wěn)定裝置的研究文獻少之又少。而管片穩(wěn)定裝置又對整個隧道圓度變形控制至關(guān)重要，因此，有必要對 GPST 工法盾構(gòu)管片穩(wěn)定機構(gòu)進行理論研究和試驗分析，研發(fā)設(shè)計出適用于大直徑GPST 盾構(gòu)的管片支撐裝置。

1 工程概況

本項目是在 Φ 6 m 級小直徑 GPST 盾構(gòu)現(xiàn)有技術(shù)不足的前提下，依托龍水南路 11 m 級大直徑越江隧道新建工程進行進一步深入研究盾構(gòu)機管片穩(wěn)定裝置受力與管片結(jié)構(gòu)圓度變形之間的關(guān)系，根據(jù)負載變化自動適應(yīng)調(diào)整管片穩(wěn)定裝置滾輪支撐點，從而有效減小 GPST 工法施工造成的擾動并確保隧道管片變形得到有效控制，滿足大直徑無工作井地面出入式盾構(gòu)法工法的需要，同時為進一步提高大直徑盾構(gòu)無工作井地面出入式盾構(gòu)法技術(shù)可靠性提供解決方案。相比 6 m級地鐵盾構(gòu)而言，11 m 級大斷面隧道的 GPST 技術(shù)在國內(nèi)還沒有工程應(yīng)用，大直徑盾構(gòu)體積龐大，自重重，在面臨無土壓土倉進、出土、淺覆土等工況下，隧道管片極易變形。

2 管片穩(wěn)定裝置設(shè)計

2.1 功能需求

由于 GPST 工法施工過程中需要穿越淺覆土、超淺覆土等各種復(fù)雜多變的工況，設(shè)計管片穩(wěn)定機構(gòu)支撐管片，增強隧道管片整環(huán)剛度。針對在零覆土、超淺覆土工況下，管片自立性差、結(jié)構(gòu)易變形的問題，設(shè)計管片支撐裝置對管片的變形進行限制，同時滿足隨盾構(gòu)機推進時隨動。

2.2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

管片穩(wěn)定裝置設(shè)有牽引橋架、支撐環(huán)、行走車輪等機構(gòu)組成，如圖 1 所示。

圖1 管片穩(wěn)定裝置三維模型圖

支撐環(huán)設(shè)有 5 組，依照管片寬度（L=1.5 m）平行等距設(shè)置，確保盾構(gòu)機在掘進時一直有 5 環(huán)管片處在管片穩(wěn)定裝置的支撐下。支撐環(huán)上設(shè)有按照特定角度分布的 12 個滾輪組，滾輪組安裝位置在能夠確保每片管片得到支撐前提下，最大化的避開了管片拼接手孔及接縫 。牽引橋架底部左右兩側(cè)設(shè)有2×2組行走車輪。油缸伸縮實現(xiàn)滾輪與管片內(nèi)圓面緊貼，進而起到支撐穩(wěn)定管片的作用，整個管片穩(wěn)定裝置依靠設(shè)置的滾輪和行走車輪可以實現(xiàn)其在管片上的滾動以及隨著盾構(gòu)機的推進向前移動。各個支撐環(huán)連接固定在牽引橋架上，較好的保證了整個管片穩(wěn)定裝置的結(jié)構(gòu)強度。

支撐環(huán)由上撐靴架、左右撐靴架和滾輪組件構(gòu)成，如圖 2 所示。其中，各撐靴架通過油缸和導(dǎo)向柱與牽引橋架連接，導(dǎo)向柱一段與撐靴架固定連接，另一端可在固定在牽引橋架的導(dǎo)向孔中滑動，一方面限定了各撐靴架的運動方向只能為平行于支撐環(huán)平面方向，另一方面可以承受撐靴架帶來的剪力。撐靴環(huán)在油缸的作用下按一定方向伸出或縮回，使?jié)L輪與管片內(nèi)圓面貼緊，同時可依據(jù)現(xiàn)場施工需要調(diào)節(jié)油缸的伸縮量，進一步實現(xiàn)對管片支撐力大小的控制。

圖2 管片穩(wěn)定裝置支撐環(huán)組成

滾輪組件三維模型如圖 3 所示，滾輪組件包括一滾輪，一滾輪支架，一滾輪底座，一氮氣彈簧，導(dǎo)向塊、導(dǎo)向槽、調(diào)整墊片和螺桿，其中滾輪最外側(cè)即與管片相接觸的部位設(shè)有聚氨酯材料，防止?jié)L輪支撐管片時造成損傷。滾輪底座緊固在牽引橋架上，滾輪支架采用螺桿與滾輪底座連接，導(dǎo)向槽焊接于滾輪底座，導(dǎo)向塊焊接在滾輪支架上，導(dǎo)向塊與導(dǎo)向槽配合以及滾輪支架和滾輪底座之間的間隙，可以限定滾輪運動方向并具有一定角度的調(diào)節(jié)量。其中，氮氣彈簧安裝在滾輪底座上，起到支撐滾輪支架的作用，當管片穩(wěn)定裝置隨盾構(gòu)推進時滾輪由于通過錯臺而產(chǎn)生的負載超過氮氣彈簧初始負載值時，氮氣彈簧將進行收縮，滾輪徑向位置變小，從而使?jié)L輪順利通過錯臺，避免滾輪因受力過大而損壞，造成整個裝置的實效。此外，通過在滾輪底座下安裝厚度各異的調(diào)整墊片能夠?qū)崿F(xiàn)滾輪徑向方向的位置調(diào)整。當出現(xiàn)油缸完全伸出滾輪依舊不能緊貼管片的情況時，可以借助增加調(diào)整墊塊來解決。

圖3 滾輪組件結(jié)構(gòu)示意圖

3 仿真分析

應(yīng)用有限元軟件對管片穩(wěn)定裝置的主要受力部件進行力學分析，模擬管片穩(wěn)定裝置在隧道支撐管片時的載荷情況，可以幫助我們對其各個部件的應(yīng)力分布和位移分布情況進行比較準確和全面的分析，校核強度，發(fā)現(xiàn)設(shè)計不足，為后續(xù)優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

（1）牽引橋架。牽引橋架模型概況如表 1 所示。牽引橋架模型材料信息如表 2 所示。

表1 牽引橋架模型概況

表2 牽引橋架模型材料信息

牽引橋架受到油缸推力使?jié)L輪支撐管片的反作用力，受到自身重力和受到管片通過行走車輪傳遞的反作用力。牽引橋架有限元分析結(jié)果如圖 4 和圖 5 所示。

圖4 應(yīng)力分布

圖5 反作用力示意

從圖 4 可以看出牽引橋架的最大應(yīng)力為 104.2 MPa，則最小安全系數(shù)為 3.32，滿足設(shè)計要求。

牽引橋架所受行走車輪的反作用力如圖 5 所示。通過計算工具可得行走車輪安裝面的反反作用力分別為 1.47×105 N 、1.47×105N、1.25×105 N、1.24×105 N，因此可以計算出此時行走車輪對管片的最大壓強為 P=F/A=24 MPa，滿足設(shè)計強度要求。

（2）上撐靴架。上撐靴架受到油缸推力時，使?jié)L輪緊貼管片，此時上撐靴架會受到一個反作用力，上撐靴架有限元分析結(jié)果如圖 6 和圖 7 所示。

圖6 應(yīng)力分布

圖7 位移分布

由圖 6 和圖 7 可以得到上撐靴架所受最大應(yīng)力為 55 MPa，最小安全系數(shù)為 4.27，最大位移為 0.13 mm，滿足設(shè)計要求。

（3）左右撐靴架。左右撐靴架受到油缸推力時，使?jié)L輪緊貼管片，此時左右撐靴架會受到一個反作用力，左右撐靴架應(yīng)力分布如圖 8 所示，位移分布如圖 9 所示。

圖8 應(yīng)力分布

圖9 位移分布

由圖 8 和圖 9 可以得到上撐靴架所受最大應(yīng)力為54 MPa，最小安全系數(shù)為 4.3，最大位移為 0.15 mm，滿足設(shè)計要求。

4 結(jié) 語

本文針對地面出入式工法盾構(gòu)施工中面臨淺覆土、超淺覆土、負覆土等工況下，尤其對于超大直徑隧道在始發(fā)段和到達段，管片所受土壓力不均勻變化和自重比較大等因素的影響，導(dǎo)致成環(huán)管片產(chǎn)生不同程度的變形，產(chǎn)生管片錯臺等不良現(xiàn)象，提出了一種適合大直徑盾構(gòu)的管片穩(wěn)定裝置，該裝置支撐環(huán)設(shè)計采用撐靴架上設(shè)置滾輪的組合方式，實現(xiàn)支撐管片和隨盾構(gòu)推進隨動的雙功能，裝置操控性簡單可靠，不干涉隧道其他機構(gòu)或裝置的工作；將牽引橋架設(shè)計作為支撐環(huán)的固定承載架，很好的保證了管片穩(wěn)定機構(gòu)的整體結(jié)構(gòu)強度；創(chuàng)造性的將滾輪組件設(shè)計為氮氣彈簧加滾輪的形式，保證滾輪在通過錯臺時可以根據(jù)負載大小調(diào)整與管片的徑向位置，實現(xiàn)機構(gòu)的自適應(yīng)性。最后，通過有限元對管片穩(wěn)定裝置的主要部件進行有限元模擬計算，分析結(jié)果顯示其強度和可靠性均達到初始設(shè)計要求。