梁興生， 周斌， 彭正陽

（中國鐵建重工集團(tuán)有限公司，長(zhǎng)沙410100）

基于圖算法的盾構(gòu)殼體設(shè)計(jì)及其應(yīng)用研究

梁興生， 周斌， 彭正陽

（中國鐵建重工集團(tuán)有限公司，長(zhǎng)沙410100）

簡(jiǎn)述了圖算法的理論產(chǎn)生基礎(chǔ)，在受外壓圓筒設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)避免了使用傳統(tǒng)繁瑣的解析法；對(duì)土壓平衡盾構(gòu)的工作原理及結(jié)構(gòu)作了簡(jiǎn)要描述。根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)盾殼作為受外壓的圓筒，承受徑向外壓不受軸向外壓的特點(diǎn)，以目前盾構(gòu)殼體設(shè)計(jì)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算理論為切入點(diǎn)，引入圖算法來校核經(jīng)驗(yàn)公式設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果的正確有效性，并相互比較，對(duì)比出盾構(gòu)殼體設(shè)計(jì)計(jì)算中，圖算法對(duì)受外壓殼體的設(shè)計(jì)與分析能夠有效提高盾構(gòu)殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的直觀性和準(zhǔn)確性，并達(dá)到了較好的設(shè)計(jì)效果。

圖算法；經(jīng)驗(yàn)公式；土壓平衡盾構(gòu)；筒體

1 圖算法的理論產(chǎn)生基礎(chǔ)

受外壓的圓筒設(shè)計(jì)，根據(jù)其穩(wěn)定性分析，為計(jì)算筒體的許用外壓力，首先必須假設(shè)圓筒的名義厚度，計(jì)算有效厚度，求出臨界長(zhǎng)度，將圓筒的外壓計(jì)算長(zhǎng)度與臨界長(zhǎng)度進(jìn)行比較，判斷是否屬于長(zhǎng)圓筒或短圓筒，然后根據(jù)類型，選用相應(yīng)的計(jì)算公式計(jì)算臨界壓力，再選取合適的穩(wěn)定性安全系數(shù)，計(jì)算許用外壓，比較設(shè)計(jì)壓力臨界壓力的大小。若設(shè)計(jì)壓力小于或等于臨界壓力或較為接近，則假設(shè)的名義厚度符合要求；否則應(yīng)重新假設(shè)名義厚度，重復(fù)以上步驟，直到滿足要求為止。上述過程為解析法求取外壓容器的許用壓力的設(shè)計(jì)步驟，是一個(gè)反復(fù)試算過程，較為繁瑣，且效率低下，缺陷明顯。為避免解析法的設(shè)計(jì)不足，目前，各國設(shè)計(jì)規(guī)范均推薦采用圖算法來設(shè)計(jì)計(jì)算受外壓圓筒，但從未有學(xué)者引用過圖算法計(jì)算方法來設(shè)計(jì)盾構(gòu)殼體。

2 土壓平衡盾構(gòu)簡(jiǎn)介

2.1 土壓平衡盾構(gòu)原理與結(jié)構(gòu)

土壓平衡盾構(gòu)就是在盾構(gòu)開挖時(shí)，利用土倉內(nèi)的土壓或加注輔助材料產(chǎn)生的壓力來平衡開挖面的土壓及地下水壓力，以避免掌子面坍塌或地層失水過多而引起地表下沉的一種盾構(gòu)掘進(jìn)模式的設(shè)備。其主要結(jié)構(gòu)由刀盤體、盾體、主軸承、螺栓輸送機(jī)、人艙、管片拼裝機(jī)、后配套等結(jié)構(gòu)組成。

2.2 盾體結(jié)構(gòu)

盾體即屬于盾構(gòu)主機(jī)，是由前盾、中盾、盾尾、人艙等主要部件組成，盾構(gòu)殼體主要是指盾體的前盾、中盾、盾尾的外圓筒體。

前盾要承擔(dān)主軸承的連接與載荷、與刀盤配合形成的土艙、連接人艙等等。

中盾的H架連接管片拼裝機(jī)的行走梁，為管片拼裝機(jī)安裝提供固定基礎(chǔ)，并承擔(dān)其所有動(dòng)作的載荷；盾構(gòu)的推力為中盾中配置的推進(jìn)油缸產(chǎn)生，且盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎所需調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)的鉸接油缸亦配置在中盾與盾尾的鉸接段，利于轉(zhuǎn)向。

盾尾鉸接段如上所述，盾尾上布置有注漿板，注漿板承擔(dān)管片的注漿和盾尾油脂的輸送。尾部布置有三環(huán)盾尾刷形成兩環(huán)密封腔，通過注漿板輸送進(jìn)的油脂進(jìn)入盾尾刷形成兩環(huán)密封腔，具有密封的功能。

人艙主要是在刀盤體刀具磨損需要更換時(shí)，人員進(jìn)出土艙壓力調(diào)整的過渡裝置。

3 經(jīng)驗(yàn)公式法設(shè)計(jì)盾構(gòu)盾體結(jié)構(gòu)

3.1 工程對(duì)象參數(shù)

某區(qū)間設(shè)計(jì)為單線單洞圓形斷面形式：盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)機(jī)選用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。區(qū)間隧道均采用單層襯砌，具體參數(shù)如表1。

表1

3.2 設(shè)計(jì)計(jì)算流程

盾體設(shè)計(jì)計(jì)算流程如圖1。

3.3 經(jīng)驗(yàn)公式法盾體設(shè)計(jì)計(jì)算［3］

根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的管片內(nèi)外徑尺寸，進(jìn)行盾尾外徑的計(jì)算：

圖1 盾體設(shè)計(jì)計(jì)算流程

式中：d為管片外徑（φ6 200 mm）；t為盾殼盾尾厚度；c為盾尾間隙；p為盾尾襯板（常規(guī)30 mm）。

1）盾尾間隙C。

圖2 盾尾間隙示意圖

C1為盾構(gòu)在曲線上施工和轉(zhuǎn)彎時(shí)最小的富裕量；C2為盾尾工作富裕量，一般根據(jù)盾構(gòu)建筑間隙為襯砌外徑的5%～0.8%之間，亦可以取經(jīng)驗(yàn)值20～40 mm，主要因?yàn)榇嬖谥芷谱髡`差、拼裝誤差、盾尾自重等因素造成的變形量。

式中：R為隧道最小轉(zhuǎn)彎半徑，R＝250 m；L為盾尾覆蓋管片安裝時(shí)的長(zhǎng)，L＝2.42 m。

所以，按式（3）計(jì)算結(jié)果為6 mm，按式（2）計(jì)算結(jié)果為36 mm，與經(jīng)驗(yàn)值20～40 mm接近，可以取盾尾間隙為30 mm。

2）盾尾厚度t。

盾尾厚度可參考已有的盾構(gòu)盾尾厚度，或者同類的盾構(gòu)厚度，在滿足剛度和強(qiáng)度的前提下盡量小。計(jì)算盾殼厚度常用經(jīng)驗(yàn)公式為：

式中：D為盾構(gòu)外徑，m。當(dāng)D＜4 m時(shí)，式中第二項(xiàng)為零。

我國采用的盾殼鋼板厚度通常如表2所示。

表2 我國采用的盾殼鋼板厚度

3）盾尾外徑。按式（1）計(jì)算結(jié)果為6 390 mm。筆者認(rèn)為，盾構(gòu)由于其特殊工作方式，通過土艙壓力來平衡掌子面，而從掌子面到盾尾的密封刷之間形成的壓力空間對(duì)盾體來言，完全可以理解為盾體是一個(gè)受外壓的壓力容器。僅單獨(dú)地考慮受土壓的載荷是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，而應(yīng)該按受外壓的容器來進(jìn)行承壓計(jì)算，但由于外壓圓筒壁厚的理論計(jì)算方法很繁雜，目前各國設(shè)計(jì)規(guī)范均推薦采用圖算法來設(shè)計(jì)計(jì)算受外壓圓筒以確定外壓圓筒的壁厚。其優(yōu)點(diǎn)是計(jì)算方便，理論計(jì)算結(jié)果為：許用外壓力［p］應(yīng)等于或大于計(jì)算外壓力Pc為合格。

4 圖算法設(shè)計(jì)盾構(gòu)盾體結(jié)構(gòu)

預(yù)設(shè)一個(gè)假設(shè)的盾尾筒體板厚值δn，并確定盾體的實(shí)際長(zhǎng)度L；計(jì)算臨界長(zhǎng)度Lcr，確定是否需要加強(qiáng)筒體;依據(jù)δe/D0和L/D，查相應(yīng)的設(shè)計(jì)算圖求取臨界應(yīng)變?chǔ)與r＝A，然后再查相應(yīng)的所選材料及設(shè)計(jì)溫度下的算圖曲線，求出參數(shù)B＝2E·ε/3；由式（5）計(jì)算許用壓力

比較計(jì)算外壓力Pc與許用外壓力［p］，若pc≤［p］且較接近，則假設(shè)的名義厚度δn合理，否則應(yīng)再假設(shè)名義厚度，重復(fù)上訴步驟直到滿足為止［1］。

上述式中名稱代號(hào)如下：δn為盾尾筒體板厚值，mm；D0為圓筒外直徑，mm；Lcr為臨界長(zhǎng)度，mm；L為盾體的實(shí)際長(zhǎng)度，mm；εcr為臨界應(yīng)變；δe為圓筒的有效厚度，mm；B為系數(shù)，查文獻(xiàn)［1］中的圖6-2和圖6-6；A為系數(shù)，查文獻(xiàn)［1］中的圖6-2和圖6-6；E為設(shè)計(jì)溫度下材料的彈性模量，MPa；［p］為許用外壓；pc為計(jì)算外壓力。

根據(jù)以上圖算法思路進(jìn)行盾體的計(jì)算，假設(shè)條件如表3。

表3 盾體計(jì)算假設(shè)條件

筒體有效壁厚公式

計(jì)算結(jié)果為δe＝38 mm，則：D0/δe＝98.94，即：D0/δe＞20。

在文獻(xiàn)［1］中的圖6-2中找出L/D0點(diǎn)，將此點(diǎn)沿水平方向右移與D0/δe線相交（遇中間值用內(nèi)插法），若L/D0＞50，則用L/D0＝50查圖，若L/ D0＜0.05，則用L/D0＝0.05查圖。經(jīng)查表，系數(shù)A＝0.000 875，利用文獻(xiàn)［1］中的圖6-6找到A＝0.000 875對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，此點(diǎn)落在材料溫度線的下方。根據(jù)所用材料選用圖，在圖的下方找出B＝80 MPa，因A落在材料線的下方，故用式（5）計(jì)算，得［p］＝0.080 85 MPa。

因PC＜［p］，符合圖算法要求，即盾體假設(shè)最小板厚40 mm滿足工況使用要求。由于盾體的最小板厚40 mm能滿足工況需求，即可以按經(jīng)驗(yàn)公式推算出前盾、中盾的板厚及直徑。主要是為減少盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)時(shí)的阻力，將盾構(gòu)前面部分設(shè)計(jì)成前部較大，后部較小，且盾尾、中盾、前盾直徑相差10 mm為好。即：

表4 經(jīng)驗(yàn)公式法與圖算法對(duì)比表

盾尾直徑為：6310+40×2=6 390 mm，中盾直徑為：6390+10=6 400 mm，前盾直徑為：6400+10=6 410 mm。

經(jīng)驗(yàn)公式法與圖算法設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)比見表4所示。

5 結(jié)語

文中首次將壓力容器設(shè)計(jì)規(guī)范中的圖算法設(shè)計(jì)理論應(yīng)用到土壓平衡盾構(gòu)殼體設(shè)計(jì)計(jì)算過程中，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算法相比，該設(shè)計(jì)與分析方法能夠有效提高盾體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的直觀性和準(zhǔn)確性，達(dá)到了較好的設(shè)計(jì)效果。

［1］ GB150-1998鋼制壓力容器［S］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

［2］ 管會(huì)生.土壓平衡盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵參數(shù)與力學(xué)行為的計(jì)算模型研究［D］.成都：西南交通大學(xué)，2007.

［3］ 唐經(jīng)世.掘進(jìn)機(jī)與盾構(gòu)機(jī)［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［4］ 鄭津洋，董其伍，桑芝.過程設(shè)備設(shè)計(jì)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001.

［5］ 陳饋，洪開榮，吳學(xué)松.盾構(gòu)施工技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［6］ 陳韶章，洪開榮.復(fù)合底層盾構(gòu)設(shè)計(jì)概論［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［7］ 鄭智敏.盾構(gòu)推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.隧道建設(shè)，2006（4）：84-87.

［8］ 尹旅超，朱振宏，李玉珍，等.日本盾構(gòu)隧道新技術(shù)［M］.武漢：華中理工大學(xué)出版社，1999.

（編輯啟 迪）

Application Research on Graphical Technique to Design for the Shield Shell

LIANG Xingsheng， ZHOU Bin， PENG Zhengyang
（China Railway Construction Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha 410100，China）

The generating of binary decision diagram （BDD）Algorithm theory is introduced to prevent the traditional complex analytics in the shell designing and calculation.The working principle and structure of earth pressure balance shield are illustrated.The shield shell bears radial external pressure instead of axial external pressure，according to such characteristics，the correctness and validity of the empirical equations results are identified by BDD Algorithm. The analysis and comparison indicated that BDD Algorithm can improve the intuition and validity of shell structural design in shield machine.Finally，the satisfied result is achieved.

graph algorithm;empirical formula;EPB shield;cylinder

U455.3

A

1002－2333（2014）05－0072－03

梁興生（1977—），男，工程師，主要從事隧道施工機(jī)械的研發(fā)與制造工藝。

2014-02-25