山地城市盾構連續皮帶機力學分析及應用

曹 亞 奇, 游 進, 歐 陽 天 一, 馮 科 軍, 肖 超, 王 樹 英

(1.中建五局土木工程有限公司,湖南 長沙 410004;2.中南大學土木工程學院,湖南 長沙 410075)

0 引 言

目前,在山地城市大縱坡盾構隧道施工中,一般采用傳統的有軌運輸出渣方式,該出渣方式在長距離大縱坡的隧道施工中存在著極大的風險[1-2]。另一方面,由于施工體量大、隧道環境潮濕復雜、軌道安裝精準性低、施工作業人員密集、災害鏈發生的嚴重性和隨機性等問題,長距離隧道施工過程中常常需要投入大量精力進行現場安全技術管理[3-4]。目前,常規城市地鐵盾構隧道出渣方式絕大部分采用運渣車出渣形式,但由于項目施工效率要求越來越高,而制約隧道施工進度的主要因素之一就是運渣車出渣速度太慢,且在長距離大縱坡隧道內極易出現有軌運輸溜車、打滑現象[5-6]。因此,有必要對連續皮帶機在山地城市大縱坡盾構隧道施工中的運行狀況進行研究,為工程實踐提供科學依據。

王智遠和伍智勇[7]以遼寧省大伙房水庫輸水一期工程為例,對隧道連續皮帶機中皮帶的帶寬、材質等參數選擇進行詳細介紹,然后從連續皮帶機系統組成、工作原理、結構型式及使用方法等方面進行闡述,并對連續皮帶機使用過程中需注意的問題及解決辦法進行了總結。齊夢學[8]研究了龍門吊垂直提升石渣對雙護盾TBM施工效率的影響,調研了相關行業的物料垂直提升方法,從技術、經濟和工期等方面分析了龍門吊與垂直皮帶機出渣的差異。齊春杰[9]采用了集渣土改良、出渣量控制和與掘進同步進行的渣土篩分改良及連續皮帶出渣系統,通過現場出渣情況的記錄、分析及調整,得到了適合大直徑、長距離土壓平衡盾構隧道施工的出渣系統。賈丁等[10]依托成都地鐵18號線盾構隧道工程,對連續皮帶機出渣系統進行探討,分析其基本組成并進行了工程參數計算,通過計算皮帶張力分析了驅動布置形式和鋪設長度對安全系數的影響。呂勇方[11]研究了在深埋盾構隧道施工中使用連續皮帶機的可行性和優勢,通過分析傳統隧道施工的不足之處,介紹了連續皮帶機在施工中的應用情況,并探討了其對施工效率、施工質量和工作環境等方面的影響。楊志勇等[12]以北京地鐵新機場線一期工程為背景,選取盾構渣土運輸方式不同的兩相鄰盾構區間,建立了土壓平衡盾構施工物料及渣土運輸模型,對有軌運輸系統和皮帶輸送機系統兩種運輸方式進行了對比分析。梁國寶和管會生[13]通過解決移動皮帶機穿越仰拱施工區的問題,結合國內已有的皮帶機連續出渣技術,提出了一種適用于鉆爆法施工的長大隧道皮帶機連續出渣系統,并討論了該系統所需設備及其工作過程。

筆者旨在利用有限元分析軟件ABAQUS對隧道渣土連續皮帶機進行靜力學分析,研究其應力、應變和位移分布規律,總結連續皮帶機的現場應用效果。首先介紹了依托項目的工程概況,然后建立了連續皮帶機的三維有限元模型,并對其進行了網格劃分、材料屬性賦值、載荷施加和邊界條件設置等前處理操作;接著采用隱式求解方案對模型進行求解,并對求解結果進行后處理分析,得到了連續皮帶機在不同工況下的應力應變云圖、最大應力位置和值等信息,最后對連續皮帶機的現場應用效果進行總結。

1 工程概況

重慶軌道交通5號線北延伸段中央公園西站～椿萱大道站區間(以下簡稱中～椿區間)掘進長度為1 110.711 m,最小曲線半徑2 000 m,最大縱坡38.07‰,長270 m,占掘進長度24.21%。頂部覆土19.1～33.2 m,區間約401 m位于回填土地層中。左線盾構1 095.304 m,右線盾構1 095.304 m。中～椿區間最大縱坡大于38‰,盾構掘進過程容易栽頭,電瓶車運輸渣土容易溜車,不控制好很有可能會造成嚴重事故。

區間采用連續帶式輸送機系統進行出渣,盾構掘進渣土從后配套連續皮帶機尾部轉運到長距離連續帶式輸送機,由長距離連續帶式輸送機輸送到隧道外的渣場。隧道帶式輸送機尾部安裝在后配套臺車上并裝有液壓缸,用于調整帶式輸送機上下、左右和傾斜方向的跑偏[14]。采用三角支架和管片螺栓將連續帶式輸送機固定在隧道下部,隧道內連續皮帶機布置示意圖見圖1[15]。

圖1 隧道內連續皮帶機布置示意圖

2 模型建立

有限元分析軟件ABAQUS中的常用單位制見表1,該數值模擬中采用mm單位制。皮帶機由輸送帶、托輥和支架三部分組成,在建立數值模型時,輸送帶、托輥和支架均設置為彈性材料,輸送帶和托輥通過實體單元建立,支架通過殼單元進行模擬,皮帶機各部分材料參數見表2。支架為空心殼體,底部橫桿寬1 000 mm,兩側立臂高300 mm,支架厚度為20 mm,托輥為空心圓柱,圓柱內徑為50 mm,外徑為100 mm,托輥長度為200 mm,輸送帶厚度為20 mm。重慶項目皮帶機兩相鄰支架之間的距離為800 mm,由于皮帶機結構的對稱性,輸送帶在兩支架外側各延長400 mm。因此,數值模型中的輸送帶長度為1 600 mm。由于該數值模擬目的是對皮帶機結構進行靜力學分析,不考慮托輥轉動情況,因此,在托輥與支架之間建立綁定約束。同時,為模擬輸送帶與托輥之間相互作用,在兩者之間建立有限滑移接觸,切向特性設置為庫倫摩擦,摩擦系數為0.3,法向特性設置為硬接觸并允許接觸后發生分離。為模擬皮帶運輸渣土時所受荷載,設置模型邊界條件為:固定兩支架底端及輸送帶兩側,在輸送帶中間面上施加10 kPa應力,在輸送帶兩側面的下半部分各施加6 kPa應力。同時,對模型施加豎直向下的重力加速度,大小為10 m/s2。連續皮帶機的三維有限元模型見圖2。

表1 ABAQUS中常用單位制

表2 皮帶機各部分材料參數

圖2 連續皮帶機三維有限元模型

3 結果分析

3.1 應力

圖3為數值模擬得到的連續皮帶機應力云圖,其中:圖3(a)、圖3(b)分別為皮帶機整體和支架+托輥的應力云圖。由圖3可以看出:輸送帶兩端和中部位置處的應力較大,支架與托輥連接處易出現應力集中現象,實際工程中應采取增加托輥密度或對托輥內側進行曲面設計等方式減小連接處的應力集中現象,從而確保整個皮帶機在長時間高負荷運行條件下的穩定性和可靠性。

(a) 應力云圖(整體) (b) 應力云圖(支架+托輥)

為更準確獲取不同位置處的應力、應變和位移變化曲線,設置三個截面并對各截面的應力、應變和位移特征進行提取,其中:A-A截面位于輸送帶中部且與Z軸(即輸送帶縱向,見圖3中坐標軸標注)垂直,B-B截面位于支架中部且與Z軸垂直,C-C截面位于輸送帶中部且與X軸(即輸送帶橫向,見圖3中坐標軸標注)垂直。

圖4為連續皮帶機不同截面應力曲線圖,其中:圖4(a)為A-A截面輸送帶應力曲線圖,圖4(b)為B-B截面支架應力曲線圖,圖4(c)為C-C截面輸送帶應力曲線圖,圖4(d)為B-B截面輸送帶應力曲線圖。由圖4可以看出:A-A截面上的輸送帶最大應力為0.22 MPa,位于截面兩端,最小應力為0.14 MPa,位于截面中部;B-B截面上的支架最大應力為0.9 MPa,位于中間托輥與支架連接處,兩側托輥與支架連接處的最大應力為0.6 MPa,托輥與支架連接處呈現明顯的應力集中現象;C-C截面最大應力為0.11 MPa,位于距兩端0.1 m處,輸送帶中部應力為0.09 MPa。兩者之間的差別可能是由于邊界條件的設置,導致兩端應力偏大,C-C截面的最小應力為0.02 MPa,位于距兩端0.4 m(即支架所在位置)處,較輸送帶中部應力減小約78%,表明支架可以有效為輸送帶提供支撐,減小輸送帶自身應力;B-B截面上的輸送帶最大應力為0.11 MPa,位于距兩端0.2 m(即兩側托輥與支架連接位置)處,輸送帶中部應力為0.03 MPa。

圖4 連續皮帶機不同截面應力曲線圖

3.2 應變

圖5為通過數值模擬方法得到的連續皮帶機應變云圖。其中,圖5(a)展示了皮帶機整體結構的應變云圖,能夠直觀地反映整個皮帶機在工作過程中的應力分布情況。圖5(b)則重點關注了支架和托輥部分的應變云圖,這些部件在皮帶機中承受了較大的荷載,因此對其應變分析尤為關鍵。由圖5可以看出:輸送帶兩端和中部位置的應變較大,這可能是由于輸送帶的兩端和中部位置在傳輸過程中受到的載荷分布不均勻。

(a) 應變云圖(整體) (b) 應變云圖(支架+托輥)

圖6為連續皮帶機不同截面應變曲線圖,其中:圖6(a)為A-A截面輸送帶應變曲線圖,圖6(b)為B-B截面支架應變曲線圖,圖6(c)為C-C截面輸送帶應變曲線圖,圖6(d)為B-B截面輸送帶應變曲線圖。由圖6可以看出:C-C截面上的輸送帶最大應變為2.2×10-4,位于截面兩端,最小應變約為0.15,位于截面中部0.05～0.65 m范圍內;B-B截面上的支架最大應變為5×10-4,位于中間托輥與支架連接處,中間托輥的應變約為1.5×10-4,兩側托輥的應變基本為0,表明中間托輥與支架連接處易發生結構失效;C-C截面上的輸送帶最大應變位于輸送帶中部,約為3.1×10-4,最小應變為7×10-5,位于距截面兩端0.4 m(即支架所在位置)處;B-B截面上的輸送帶最大應變為2.9×10-4,位于距截面兩端0.2 m(即兩側托輥與支架連接位置)處,輸送帶中部應變約為8×10-5,相較兩側托輥與支架連接處應變減小約72%。

圖6 連續皮帶機不同截面應變曲線圖

3.3 位移

圖7為數值模擬得到的連續皮帶機位移云圖,其中,圖7(a)、圖7(b)分別為皮帶機整體和“支架+托輥”的位移云圖。由圖7可以看出:輸送帶在兩端和中部位置處的位移較大,這可能是輸送帶在兩端和中部位置處受到的載荷較大,導致皮帶在運行過程中發生彎曲和伸縮。為了在實際工程中避免這種情況,可以采取以下措施:(1)減小相鄰支架之間的距離。這將有助于提高皮帶機的整體剛度,降低位移,從而減少渣土在運輸過程中的掉落風險。(2)優化托輥布置。合理布置托輥可以平衡載荷分布,避免局部過大的位移。例如,可以在位移較大的區域增加托輥的密度,以提高支撐能力。(3)選用高強度、高剛度的輸送帶材料。選用性能優良的輸送帶可以減小位移,提高運輸穩定性,從而降低渣土掉落的風險。(4)增加皮帶機的防滑設施。例如,在輸送帶兩側增設防護擋板,以防止因位移過大而導致的渣土掉落。

(a) 位移云圖(整體) (b) 位移云圖(支架+托輥)

圖8為連續皮帶機不同截面位移曲線圖,其中:圖8(a)為A-A截面輸送帶位移曲線圖,圖8(b)為B-B截面支架位移曲線圖,圖8(c)為C-C截面輸送帶位移曲線圖,圖8(d)為B-B截面輸送帶位移曲線圖。由圖8可以看出:A-A截面輸送帶最大位移為4.8 cm,位于截面兩端,最小位移位于截面中部0.05～0.65 m范圍內;B-B截面上的支架最大位移為0.23 cm,位于截面中部,最小位移位于截面兩端,為0.12 cm;C-C截面上的輸送帶最大位移約為0.7 cm,位于距截面兩端0.3 m處,輸送帶中部位移約為0.4 cm,距截面兩端0.4 m(即支架所在位置)處位移約為0.3 cm,相較輸送帶中部減小約25%,支架對輸送帶的位移限制作用較為明顯;B-B截面上的輸送帶最大位移為0.26 cm,位于輸送帶中部位置處,在兩側托輥與中間托輥之間位置處,輸送帶位移產生先減小后增大的趨勢,可能是兩側托輥對輸送帶的支撐作用導致輸送帶自身產生翹曲而使位移增大。

圖8 連續皮帶機不同截面位移曲線圖

4 現場實施效果

對皮帶機的現場實施效果進行統計,共統計了2020年6月、7月、9月和10月的盾構掘進進尺。其中6月和7月采用傳統渣土車運輸方式進行出渣,9月和10月采用連續皮帶機方式進行出渣。采用連續皮帶機出渣方式時的日平均進尺和日最高進尺相比渣土車出渣方式均有較大提高,盾構掘進效率得到了很大的提高,單月掘進進尺超過400.0 m,為渣土車出渣方式的2～3倍,日最高進尺達到21.6 m,比渣土車出土日最高進尺高出12.6 m。盾構掘進進尺統計表見表3。

表3 盾構掘進進尺統計表

圖9為不同月份盾構掘進進尺柱狀圖,由圖9可以看出:6月份和7月份采用渣土車出渣,單日的掘進進尺均小于10 m,9月份和10月份采用連續皮帶機方式出渣,單日掘進進尺基本位于10 m以上,掘進效率相比渣土車出渣方式有較大提高。

(a) 6月份掘進進尺 (b) 7月份掘進進尺

5 結 語

筆者采用有限元分析軟件ABAQUS對隧道渣土連續皮帶機進行了靜力學分析,研究其應力、應變和位移分布規律,總結了連續皮帶機在重慶地鐵5號線北延長線的現場應用效果,主要結論如下:

(1) 輸送帶兩端和中部位置處的應力、應變和位移較大,實際工程中可減小相鄰支架之間距離以避免輸送帶運輸渣土過程中產生較大位移而使渣土掉落。另一方面,支架與托輥連接處易出現應力集中現象,實際工程中應采取對托輥內側進行曲面設計等方式減小連接處的應力集中現象。

(2) 支架所在位置處的輸送帶應力和位移相較輸送帶中部分別減小約78%和25%,表明支架可以有效為輸送帶提供支撐,減小輸送帶自身應力,限制輸送帶位移。另一方面,在兩側托輥與中間托輥之間位置處,輸送帶位移產生先減小后增大的趨勢,可能是兩側托輥對輸送帶的支撐作用導致輸送帶自身產生翹曲而使位移增大。

(3) 對皮帶機的現場實施效果進行統計,結果表明:采用連續皮帶機出渣方式時的日平均進尺和日最高進尺相比渣土車出渣方式均有較大提高,盾構掘進效率得到了很大的提高。