大直徑盾構(gòu)機分體始發(fā)臺車輪受力模型有限元仿真分析

楊 偉

（中鐵十一局集團有限公司，武漢 470013）

我國地鐵隧道施工已普遍使用盾構(gòu)法，盾構(gòu)機始發(fā)通常是利用已經(jīng)建好的車站或者專為盾構(gòu)機始發(fā)而修建的豎井。后者雖然增加始發(fā)豎井結(jié)構(gòu)投資，但隧道區(qū)間和車站能夠同時施工，能大大縮短總體工期，節(jié)省工程總體投資。因此，某些情況下修建始發(fā)豎井更具優(yōu)勢[1]。但是，隨著盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展，盾構(gòu)法施工的斷面尺寸越來越大。目前，國內(nèi)最大直徑盾構(gòu)機可達16 m[2]。常規(guī)盾構(gòu)機整體始發(fā)需要80 m長的豎井，但大直徑盾構(gòu)機需要約200 m。如此長的始發(fā)豎井不但造價昂貴，而且在繁華的城市中很少具備符合條件的場地。因此，如果能夠采用短始發(fā)豎井實現(xiàn)盾構(gòu)機分體始發(fā)，不但能夠解決這個難題，而且可節(jié)省大量工程投資[3]。

1 工程概況

某市過江隧道項目包含1個大直徑盾構(gòu)區(qū)間，隧道管片外徑為11.80 m。經(jīng)工程水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境、工期進度等因素綜合分析[4]，擬采用開挖直徑為12.26 m的大直徑泥水平衡盾構(gòu)機施工。該盾構(gòu)機整機總長約187 m，刀盤總質(zhì)量約為405 t，主驅(qū)動采用電驅(qū)形式，驅(qū)動總功率為4 200 kW，最大扭矩為34 300 kN·m，密封形式采用唇形密封，伸縮油缸有12根，設(shè)備主要性能參數(shù)如表1所示。其中，刀盤長2.7 m，盾體長13.5 m，超前鉆機9 m，1號臺車21 m。

2 盾構(gòu)機分體始發(fā)分析

2.1 始發(fā)井最小空間分析

該項目處于城市中心，周圍是省博物館、公園、賓館等重要建筑密集區(qū)域，沒有條件對大直徑盾構(gòu)機采用整體始發(fā)，需要考慮采用分體始發(fā)模式。分體始發(fā)模式需避免影響掘進出渣和材料吊裝，同時各部件配置應(yīng)合理，從盾構(gòu)機前期選型配置、臺車各部件布局進行優(yōu)化，避免后期過多地改造設(shè)備[5]。

表1 整機性能參數(shù)表

根據(jù)該臺泥水盾構(gòu)機的設(shè)備布置和泥水盾構(gòu)的掘進特點，1號臺車上布置液壓油箱、液壓站、操作室、P2.1泵（排漿泵）以及沖刷泵。此時，需考慮兩方面內(nèi)容。一方面，按照設(shè)計P2.1泵的吸入高程應(yīng)低于2 m的要求，如將1號臺車放置地面，則漿液無法排出，造成泥水倉壓力過大，地面隆起；另一方面，1號車布置液壓油箱、液壓站等關(guān)鍵動力裝置，如存于地面，會增加改造費用。

通過分析可知，分體始發(fā)時需下井的部件主要包含刀盤、盾體、喂片機、1號臺車、改造連接架、2號拖車以及3號拖車，如圖1所示。

圖1 分體始發(fā)下井部件

2.2 重新布局1號臺車分析

根據(jù)前述方案，在滿足功能和空間結(jié)構(gòu)的情況下，重新布局1號臺車。

2.2.1 超前鉆機拆除

因空間不足，需拆除超前鉆機，將拼裝機行走梁與1號臺車連接，連接位置如圖2所示。需要注意，連接的鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮結(jié)構(gòu)強度和轉(zhuǎn)彎要求[6]。

圖2 超前鉆機位置

2.2.2 后配套布局優(yōu)化

取消操作間和休息室，取消二次注漿系統(tǒng)、超前鉆機泵站以及輥式破碎機設(shè)備。1號臺車布置優(yōu)化，如圖3所示。首先，原5號拖車刀盤變頻柜移動到1號拖車中層平臺中前部，原5號拖車1 600 kVA變壓器移動到1號拖側(cè)二層平臺中部后側(cè)。其次，原5號拖車2 500 kVA箱變移動到1號拖車二層平臺中部，2×2 500 kVA箱變動到1號拖車二層平臺左后部。最后，原5號拖車高壓開關(guān)柜移動到1號拖車二層平臺右后側(cè)。

圖3 1號臺車布置優(yōu)化

2.2.3 最小空間尺寸

連接橋前端距刀盤46.3 m，超前鉆機凈空9 m。根據(jù)前述井下放置的設(shè)備及臺車調(diào)整情況，拆除超前鉆機后，拼裝平臺與1號臺車改造連接后需要的長度為37.3 m。

3 1號臺車受力分析及臺車輪應(yīng)力有限元分析

針對分體始發(fā)對極限空間的要求[7]，對臺車后配套上的設(shè)備進行重新布置，則臺車受力情況發(fā)生了相應(yīng)變化。

3.1 1號臺車質(zhì)量變化

改造前，1號臺車總質(zhì)量M1約為250 t，質(zhì)量統(tǒng)計如表2所示。

表2 1號臺車改造前重量統(tǒng)計表

根據(jù)改造需求，1號臺車上需增加的設(shè)備如表3所示，總質(zhì)量M2約38.6 t。

表3 1號臺車改造需增加設(shè)備質(zhì)量統(tǒng)計表

由表2和表3統(tǒng)計結(jié)果可知，改造后1號臺車總質(zhì)量M為M1與M2之和，即288.6 t。同時，根據(jù)改造需求，取消1號臺車上的輥式破碎機和破碎機泵站（總質(zhì)量M3約37 t），則最終改造后1號臺車總質(zhì)量為

代入數(shù)值，可得M終為251.6 t。

3.2 1號臺車輪組受力情況及有限元分析

3.2.1 臺車輪組受力情況

根據(jù)分析可知，改造后1號臺車重力變?yōu)?/p>

這里取M為2.516×105kg，g為10 N·kg-1，于是有G為2.516×106N。

分析可知1號臺車主要受到重力和管片對臺車輪的支撐力，則1號臺車的應(yīng)力主要集中在底部支撐和行走用的臺車輪組上。取安全系數(shù)α=1.6，則每個臺車輪需承受重力G輪為

代入數(shù)值，可得G輪約為1×106N。

3.2.2 臺車輪組三維建模

通過SolidWorks對臺車輪組進行三維建模，如圖3所示。臺車鋼結(jié)構(gòu)的材料為Q235A，臺車輪表面為橡膠。

圖3 1號臺車輪組三維建模

3.2.3 臺車輪組有限元分析

三維建模完成后，用SolidWorks中的Simulation功能對臺車輪組進行有限元靜應(yīng)力分析，先對三維模型進行約束和載荷的添加，然后劃分臺車輪組三維模型的網(wǎng)格，分別如圖4和圖5所示。對模型進行有限元分析，計算結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖4 1號臺車輪組三維建模添加約束和載荷

圖5 1號臺車輪組網(wǎng)格劃分

由計算結(jié)果可知，1號臺車輪組所受最大應(yīng)力為1.831×108N·m-2，小于材料的屈服極限應(yīng)力2.35×108N·m-2，故改造方案可行，同時輪組產(chǎn)生的最大彈性變形量為4.528 mm。

4 結(jié)論

（1）在城市中心空間有限區(qū)域進行大直徑盾構(gòu)施工時，可采用分體始發(fā)的方式節(jié)約空間。

（2）采用分體始發(fā)方式要分析極限空間情形下需要保留的設(shè)備和功能，如1號臺車、液壓泵站、油箱等動力設(shè)備。

（3）可根據(jù)施工要求適當(dāng)減去非必須的設(shè)備和功能，如超前鉆機等。

圖6 1號臺車輪組應(yīng)力計算結(jié)果

圖7 1號臺車輪組位移量計算結(jié)果

（4）重新布局后的后配套拖車要進行重力變化分析，并建立三維模型模擬受力情況，進行有限元仿真分析。若結(jié)果顯示應(yīng)力集中處不會超過屈服極限，則表示此分體始發(fā)方案可行，反之要重新考慮布局和分體始發(fā)的方案。