大直徑盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)臺(tái)車(chē)輪受力模型有限元仿真分析

楊 偉

（中鐵十一局集團(tuán)有限公司，武漢 470013）

我國(guó)地鐵隧道施工已普遍使用盾構(gòu)法，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)通常是利用已經(jīng)建好的車(chē)站或者專為盾構(gòu)機(jī)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(chē)站能夠同時(shí)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(shì)[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(lái)越大。目前，國(guó)內(nèi)最大直徑盾構(gòu)機(jī)可達(dá)16 m[2]。常規(guī)盾構(gòu)機(jī)整體始發(fā)需要80 m長(zhǎng)的豎井，但大直徑盾構(gòu)機(jī)需要約200 m。如此長(zhǎng)的始發(fā)豎井不但造價(jià)昂貴，而且在繁華的城市中很少具備符合條件的場(chǎng)地。因此，如果能夠采用短始發(fā)豎井實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)，不但能夠解決這個(gè)難題，而且可節(jié)省大量工程投資[3]。

1 工程概況

某市過(guò)江隧道項(xiàng)目包含1個(gè)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(jìn)度等因素綜合分析[4]，擬采用開(kāi)挖直徑為12.26 m的大直徑泥水平衡盾構(gòu)機(jī)施工。該盾構(gòu)機(jī)整機(jī)總長(zhǎng)約187 m，刀盤(pán)總質(zhì)量約為405 t，主驅(qū)動(dòng)采用電驅(qū)形式，驅(qū)動(dòng)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(pán)長(zhǎng)2.7 m，盾體長(zhǎng)13.5 m，超前鉆機(jī)9 m，1號(hào)臺(tái)車(chē)21 m。

2 盾構(gòu)機(jī)分體始發(fā)分析

2.1 始發(fā)井最小空間分析

該項(xiàng)目處于城市中心，周?chē)鞘〔┪镳^、公園、賓館等重要建筑密集區(qū)域，沒(méi)有條件對(duì)大直徑盾構(gòu)機(jī)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(jìn)出渣和材料吊裝，同時(shí)各部件配置應(yīng)合理，從盾構(gòu)機(jī)前期選型配置、臺(tái)車(chē)各部件布局進(jìn)行優(yōu)化，避免后期過(guò)多地改造設(shè)備[5]。

表1 整機(jī)性能參數(shù)表

根據(jù)該臺(tái)泥水盾構(gòu)機(jī)的設(shè)備布置和泥水盾構(gòu)的掘進(jìn)特點(diǎn)，1號(hào)臺(tái)車(chē)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(shí)，需考慮兩方面內(nèi)容。一方面，按照設(shè)計(jì)P2.1泵的吸入高程應(yīng)低于2 m的要求，如將1號(hào)臺(tái)車(chē)放置地面，則漿液無(wú)法排出，造成泥水倉(cāng)壓力過(guò)大，地面隆起；另一方面，1號(hào)車(chē)布置液壓油箱、液壓站等關(guān)鍵動(dòng)力裝置，如存于地面，會(huì)增加改造費(fèi)用。

通過(guò)分析可知，分體始發(fā)時(shí)需下井的部件主要包含刀盤(pán)、盾體、喂片機(jī)、1號(hào)臺(tái)車(chē)、改造連接架、2號(hào)拖車(chē)以及3號(hào)拖車(chē)，如圖1所示。

圖1 分體始發(fā)下井部件

2.2 重新布局1號(hào)臺(tái)車(chē)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(hào)臺(tái)車(chē)。

2.2.1 超前鉆機(jī)拆除

因空間不足，需拆除超前鉆機(jī)，將拼裝機(jī)行走梁與1號(hào)臺(tái)車(chē)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(qiáng)度和轉(zhuǎn)彎要求[6]。

圖2 超前鉆機(jī)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(jī)泵站以及輥式破碎機(jī)設(shè)備。1號(hào)臺(tái)車(chē)布置優(yōu)化，如圖3所示。首先，原5號(hào)拖車(chē)刀盤(pán)變頻柜移動(dòng)到1號(hào)拖車(chē)中層平臺(tái)中前部，原5號(hào)拖車(chē)1 600 kVA變壓器移動(dòng)到1號(hào)拖側(cè)二層平臺(tái)中部后側(cè)。其次，原5號(hào)拖車(chē)2 500 kVA箱變移動(dòng)到1號(hào)拖車(chē)二層平臺(tái)中部，2×2 500 kVA箱變動(dòng)到1號(hào)拖車(chē)二層平臺(tái)左后部。最后，原5號(hào)拖車(chē)高壓開(kāi)關(guān)柜移動(dòng)到1號(hào)拖車(chē)二層平臺(tái)右后側(cè)。

圖3 1號(hào)臺(tái)車(chē)布置優(yōu)化

2.2.3 最小空間尺寸

連接橋前端距刀盤(pán)46.3 m，超前鉆機(jī)凈空9 m。根據(jù)前述井下放置的設(shè)備及臺(tái)車(chē)調(diào)整情況，拆除超前鉆機(jī)后，拼裝平臺(tái)與1號(hào)臺(tái)車(chē)改造連接后需要的長(zhǎng)度為37.3 m。

3 1號(hào)臺(tái)車(chē)受力分析及臺(tái)車(chē)輪應(yīng)力有限元分析

針對(duì)分體始發(fā)對(duì)極限空間的要求[7]，對(duì)臺(tái)車(chē)后配套上的設(shè)備進(jìn)行重新布置，則臺(tái)車(chē)受力情況發(fā)生了相應(yīng)變化。

3.1 1號(hào)臺(tái)車(chē)質(zhì)量變化

改造前，1號(hào)臺(tái)車(chē)總質(zhì)量M1約為250 t，質(zhì)量統(tǒng)計(jì)如表2所示。

表2 1號(hào)臺(tái)車(chē)改造前重量統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)改造需求，1號(hào)臺(tái)車(chē)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(hào)臺(tái)車(chē)改造需增加設(shè)備質(zhì)量統(tǒng)計(jì)表

由表2和表3統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，改造后1號(hào)臺(tái)車(chē)總質(zhì)量M為M1與M2之和，即288.6 t。同時(shí)，根據(jù)改造需求，取消1號(hào)臺(tái)車(chē)上的輥式破碎機(jī)和破碎機(jī)泵站（總質(zhì)量M3約37 t），則最終改造后1號(hào)臺(tái)車(chē)總質(zhì)量為

代入數(shù)值，可得M終為251.6 t。

3.2 1號(hào)臺(tái)車(chē)輪組受力情況及有限元分析

3.2.1 臺(tái)車(chē)輪組受力情況

根據(jù)分析可知，改造后1號(hào)臺(tái)車(chē)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(hào)臺(tái)車(chē)主要受到重力和管片對(duì)臺(tái)車(chē)輪的支撐力，則1號(hào)臺(tái)車(chē)的應(yīng)力主要集中在底部支撐和行走用的臺(tái)車(chē)輪組上。取安全系數(shù)α=1.6，則每個(gè)臺(tái)車(chē)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(tái)車(chē)輪組三維建模

通過(guò)SolidWorks對(duì)臺(tái)車(chē)輪組進(jìn)行三維建模，如圖3所示。臺(tái)車(chē)鋼結(jié)構(gòu)的材料為Q235A，臺(tái)車(chē)輪表面為橡膠。

圖3 1號(hào)臺(tái)車(chē)輪組三維建模

3.2.3 臺(tái)車(chē)輪組有限元分析

三維建模完成后，用SolidWorks中的Simulation功能對(duì)臺(tái)車(chē)輪組進(jìn)行有限元靜應(yīng)力分析，先對(duì)三維模型進(jìn)行約束和載荷的添加，然后劃分臺(tái)車(chē)輪組三維模型的網(wǎng)格，分別如圖4和圖5所示。對(duì)模型進(jìn)行有限元分析，計(jì)算結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

圖4 1號(hào)臺(tái)車(chē)輪組三維建模添加約束和載荷

圖5 1號(hào)臺(tái)車(chē)輪組網(wǎng)格劃分

由計(jì)算結(jié)果可知，1號(hào)臺(tái)車(chē)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(shí)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(jìn)行大直徑盾構(gòu)施工時(shí)，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(hào)臺(tái)車(chē)、液壓泵站、油箱等動(dòng)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(jī)等。

圖6 1號(hào)臺(tái)車(chē)輪組應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖7 1號(hào)臺(tái)車(chē)輪組位移量計(jì)算結(jié)果

（4）重新布局后的后配套拖車(chē)要進(jìn)行重力變化分析，并建立三維模型模擬受力情況，進(jìn)行有限元仿真分析。若結(jié)果顯示應(yīng)力集中處不會(huì)超過(guò)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。