盾構隧道掘進機專用預裝式變電站的結構強度與可靠性分析

[摘 要]預裝式變電站的設計與材料選擇重點在于確保結構的強度和耐久性。采用Q235鋼和Q345鋼材料，結合合理的結構設計，保證變電站在復雜地下環境中的穩定性。通過振動、沖擊和環境適應性測試，以及現場試驗，驗證了變電站在實際工況下的可靠性。監測系統的集成，進一步提升了設備在長期運行中的安全性與維護效率。整體設計確保了變電站在盾構隧道掘進機運行中的高效穩定。

[關鍵詞]預裝式變電站；Q235鋼；結構設計；振動測試；可靠性驗證

[中圖分類號]TM63 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0092–03

Structural Strength and Reliability Analysis of Pre Installed Substation for Shield Tunnel Boring Machine

XIAO Yongqiang

[Abstract]The design and material selection of prefabricated substations focus on ensuring the strength and durability of the structure. Using Q235 steel and Q345 steel materials， combined with reasonable structural design， to ensure the stability of the substation in complex underground environments. The reliability of the substation under actual working conditions has been verified through vibration， impact， and environmental adaptability tests， as well as on-site experiments. The integration of monitoring systems further enhances the safety and maintenance efficiency of equipment during long-term operation. The overall design ensures the high efficiency and stability of the substation during the operation of the shield tunneling machine.

[Keywords]prefabricated substation； Q235 steel； structural design； vibration testing； reliability verification

預裝式變電站廣泛應用于地鐵建設等地下工程中，特別是在盾構隧道掘進機的配套設施中，起到了關鍵的電力保障作用。由于地下環境的復雜性和施工條件的嚴苛，變電站不僅需要具備高強度的結構，還需在極端環境中保持穩定的性能。在設計階段，選用合適的材料并優化結構至關重要。Q235鋼和Q345鋼因其出色的機械性能被廣泛采用，并經過一系列試驗室測試和現場試驗驗證，確保了在復雜環境下的可靠性。為了進一步保障長期運行的安全性，變電站內部還配備了先進的監測與反饋系統，有效提高了維護效率和設備使用壽命。

1 設計與材料選擇

1.1 主要材質分析

預裝式變電站主要使用Q235鋼材，這種材質的屈服強度為235 MPa。Q235鋼因其良好的塑性、韌性及焊接性，廣泛應用于重負載結構的制造中。其重要性在于能承受大約24%的形變而不失去其功能性。在選擇鋼材時，還需考慮到環境因素如濕溫度的影響，Q235鋼材可在–40～400℃的環境下保持性能不變，確保變電站在各種環境條件下的穩定運行。對于外殼材料，除了Q235鋼外，還使用了IP55防護等級的金屬網，用于外殼的散熱通道口。這種金屬網設計為雙層錯位百葉夾層結構，能有效防止灰塵和水分進入，同時保持良好的通風效果。IP55等級意味著這些材料能防止塵埃積累且防水，適用于多變的地下環境。內部支撐結構和懸掛部件通常采用更高強度的Q345鋼，這種鋼的屈服強度達到345 MPa。Q345鋼不僅保證了結構的整體穩定性，還可承載更高的動態和靜態負載。例如，盾構隧道掘進機在施工過程中，變電站需要吊裝或移動，Q345鋼的使用可確保在起吊角度大于60°、加速度達到0.1 g時，吊裝部件的最大應力為152 MPa，遠低于材料的屈服強度，保持結構安全[1]。

1.2 結構設計優化

預裝式變電站的結構設計需要考慮到內部設備的質量和尺寸。以常見的配置為例，高壓開關設備、動力變壓器、配電變壓器的總質量可達10 000 kg以上。針對這種重負荷，變電站的底座設計需采用20號或以上規格的槽鋼，以提供足夠的支撐強度并防止在運輸或使用中發生變形。為了優化結構設計，變電站的支撐結構采用交叉加固方式，即在箱體內部對角線和邊緣增加加強筋。這些加強筋寬度不少于50 mm，厚度至少為5 mm，通過焊接固定在主體結構上。這種設計能顯著提高整體結構的抗扭曲能力，尤其是在遭受側向沖擊或在不平坦地面安裝時。預裝式變電站的頂部和側壁也需要加固，以承受起吊和長期振動的影響。頂部結構通常使用槽鋼整體框架，并在吊點附近設計加固框架。加固框架的設計應保證在至少10 t的吊裝力作用下，變形不超過箱體高度的0.1%。側壁則采用雙層結構，內層為承載層，外層為保護層，兩者之間設有30 mm的隔音和緩沖空間，以減少外界環境因素對內部設備的影響。

1.3 耐腐蝕環境材料選擇

預裝式變電站外殼通常采用Q235鋼，該材質具有良好的機械強度和焊接性能，屈服強度達到235 MPa。為了應對盾構隧道掘進機在地下工作的濕熱和腐蝕性環境，外殼表面涂覆環氧樹脂或聚氨酯涂料。這種涂層可提供至少15 a以上的防腐保護，具體取決于涂層的厚度和質量。涂層厚度一般在180～260 μm，能夠有效防止鹽霧和酸性環境對鋼材的腐蝕。外殼的密封件和墊圈選擇使用硅橡膠或氟橡膠，這些材料在–50～200℃內具有良好的彈性和密封性，同時對多種油類和化學溶劑具有抵抗力。硅橡膠的拉伸強度在7.0 MPa以上，撕裂強度在18 kN/m以上，確保在震動頻繁的環境中仍保持結構完整。為了適應不同地質條件下的長時間振動，變電站內部的隔振系統設計必須能夠承受連續運轉時產生的高頻振動。隔振器選擇使用高耐久性聚氨酯或天然橡膠材質，這些材料可吸收和減少高達75%的振動能量，其動態剛度在0.3～0.8 MPa，可為電氣設備提供穩定的工作環境，減少機械疲勞。

2 受力場景與應力分析

2.1 起吊與裝卸受力分析

在預裝式變電站的起吊和裝卸操作中，關鍵是確保結構在受到非常規載荷時的安全性。盾構隧道掘進機專用預裝式變電站通常由重型鋼材制成，整體結構設計用于承受各種操作壓力。設備的總重量可達到10 000 kg，因此起吊設備必須能夠安全處理這一重量。

針對裝卸操作，起吊角度不得小于60°，以避免由于角度過小造成的側向力過大進而可能導致的結構變形。起吊時各連接點和焊接部位的應力不應超過235 MPa，這是材料Q235鋼的屈服強度。每次起吊前都應檢查焊接部位和連接點的完整性，以防止起吊過程中發生結構失敗。起吊和裝卸過程中應采取減震措施，如使用緩沖墊，以吸收起吊過程中產生的沖擊能量，減少對預裝式變電站結構的沖擊載荷。通過上述分析與適當的預防措施，可有效保障盾構隧道掘進機專用預裝式變電站在起吊與裝卸過程中的結構安全。

2.2 運輸過程沖擊載荷

在運輸預裝式變電站的過程中，外殼必須能夠承受由于顛簸造成的沖擊載荷。根據ISO 8608—2016《機械振動–道路表面輪廓–測量數據報告》，車輛運輸振動級別分為A至H 8個等級，其中類別A的路面最平坦，H類最為崎嶇。預裝式變電站通常在類別C至E的道路條件下運輸，這些條件對應的路面不平度系數為8×10-6～32×10-6 m-3，考慮到變電站的結構重要性，對受沖擊載荷的分析采用基于加速度響應譜的方法[2]。該方法可評估因道路顛簸引起的最大應力和變形。

對于普通結構鋼，b值約為–0.05～–0.12。預裝式變電站設計需確保結構在預期的使用壽命內，疲勞應力低于材料的疲勞極限。

在設計預裝式變電站時，必須選擇適當的螺栓類型和焊接規范，以抵抗長期振動導致的結構損傷。

3 可靠性測試與驗證

3.1 試驗室模擬測試

（1）振動測試。預裝式變電站在試驗室內進行振動測試，以模擬在盾構隧道掘進機運行時遇到的地質振動條件。測試使用頻率范圍從5～150 Hz，振動強度最高可達3 g（g為重力加速度），持續時間為連續4 h。振動臺的設置確保能夠從多個方向（x、y、z軸）對設備施加振動，以評估結構的響應和耐久性[3]。

（2）沖擊測試。沖擊測試用于評估變電站在受到突發沖擊力時的結構完整性。測試按照IEC 60068-2-27《環境試驗》標準執行，沖擊加速度設置為50 g，沖擊持續時間為11 ms。測試通過在變電站底座和側壁施加沖擊來模擬運輸過程中可能遭遇的狀況。

（3）環境適應性測試。環境適應性測試包括高溫、高濕和鹽霧測試，用于評估變電站的耐環境性能。在高溫測試中，變電站暴露于持續的50℃環境下48 h，濕度控制在95%。鹽霧測試按ASTM B117《鹽霧試驗》標準進行，測試周期為200 h，用以模擬盾構機可能會遇到的腐蝕環境。

3.2 現場試驗

預裝式變電站首次在地鐵建設的盾構工程中進行現場試驗，以評估其在實際工作環境中的性能表現。在試驗期間，變電站安裝在一個典型的盾構機上，并在地下50 m深的隧道中進行全面測試。試驗期間共持續3個月，跟蹤記錄了變電站的性能數據，并對其結構完整性進行了詳盡的分析。對變電站進行了起吊和下放操作，檢測其在吊裝過程中的結構變形。通過安裝在關鍵結構節點的應力傳感器，測得最大應力值為120 MPa，低于設計的安全應力150 MPa。在隧道內，變電站經受了持續的振動測試，振動頻率從5～150 Hz不等。通過振動測試，確定變電站的諧振頻率為75 Hz，該頻率遠高于盾構機正常運行時的振動頻率30 Hz。變電站在模擬運輸過程中經受了連續8 h的振動測試，以模擬隧道施工中的移動和顛簸情況。測試結束后的檢查顯示，內部高壓開關設備、動力變壓器和配電變壓器均無松動或位移，外殼結構無明顯損傷或變形。電纜連接和母線系統的穩定性檢測中，連接點的電阻值保持在0.05Ω以內，表明電氣連接穩定，無松動跡象。變電站的散熱系統在持續運行48 h的測試中表現良好。環境溫度控制在35℃以內，保持變壓器運行的最佳溫度。測試期間，外殼內的最高溫度記錄為45℃，低于設計允許的最高溫度50℃。

3.3 性能監測與反饋

（1）安裝監測設備。預裝式變電站內部裝配有多種傳感器，包括振動傳感器、溫度傳感器和應力應變傳感器。振動傳感器能夠檢測和記錄在工作過程中產生的振動頻率和幅度，通常設置閾值為3.5 Hz和15 mm/s，超過此標準將觸發警報。溫度傳感器監控設備運行時的內部溫度，正常工作溫度不應超過80℃。

（2）數據采集與分析。所有監測數據通過集成的數據采集系統進行記錄和分析。數據采集間隔設定為每5 min一次，以確保捕捉到所有關鍵的性能參數變化。分析軟件能自動比較實時數據與歷史數據，分析其變化趨勢，用于早期識別潛在的結構問題或性能下降[4]。

（3）維護與調整反饋。維護團隊使用監測數據優化維護計劃和調整運行參數。例如，如果監測到的溫度持續接近80℃上限，可能需要增加冷卻系統的容量或調整電站內部的散熱設計。根據應力監測結果，若發現某些結構部件的應力持續超出設計值，可能需要進行加固或更換。

4 結束語

文章分析了預裝式變電站在設計、材料選擇及可靠性測試方面的綜合考量。通過選用高強度鋼材和優化的結構設計，確保了變電站在復雜的地下環境中的穩定性和耐久性。試驗室的模擬測試與現場試驗驗證了其在實際運行中的可靠性和性能。監測和維護系統的集成，保證了長期運營中的安全和效率，顯示了在極端環境下維持高性能的能力。此研究不僅提供了寶貴的設計參考，也為未來的工程實踐指出了方向。

參考文獻

[1] 席永強.盾構機電氣系統及調試故障與解決辦法[J].智能城市，2021，7（13）：78-79.

[2] 王波.超大直徑盾構越江隧道質量管理和控制分析[J].散裝水泥，2021（3）：21-23.

[3] 車文龍.盾構機電氣故障智能診斷及掘進參數優化研究[D].西安：西安理工大學，2019.

[4] 揭麗霞.基于PLC系統的盾構機電氣調試技術[J].四川水泥，2019（4）：133-134.