崔立山,王建輝,楊海濤

(北京市三一重機(jī)有限公司盾構(gòu)公司，北京 102202)

φ6.22 m敞口式盾構(gòu)前檐支護(hù)裝置的設(shè)計(jì)與研究

崔立山,王建輝,楊海濤

(北京市三一重機(jī)有限公司盾構(gòu)公司，北京 102202)

前檐支護(hù)裝置是敞口盾構(gòu)的重要部件，主要作用是支撐隧道面上部，承載拱頂?shù)耐翂毫?，避免上方土體的坍塌。以北京地鐵6號線敞口盾構(gòu)前檐裝置為研究對象，介紹前檐支護(hù)裝置的功能、結(jié)構(gòu)、前檐推力計(jì)算及油缸選型。選取2種典型工況進(jìn)行有限元分析，得到前檐的應(yīng)力云圖和位移云圖，為前檐的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考,同時提出改進(jìn)措施，并進(jìn)行改進(jìn)。通過樣機(jī)的試制及實(shí)際施工的檢驗(yàn)，證明了前檐結(jié)構(gòu)的可行性、可靠性。

盾構(gòu)；敞口式；前檐；設(shè)計(jì)

0 引言

國內(nèi)現(xiàn)已應(yīng)用的盾構(gòu)主要以密閉式為主[1-3]，我國自主研發(fā)的敞口式盾構(gòu)在國內(nèi)施工應(yīng)用剛剛開始。敞口式盾構(gòu)[4]是一種安全、高效(相對于暗挖)、低成本[5]的地下隧道施工設(shè)備。

目前許多專家學(xué)者對敞口式盾構(gòu)進(jìn)行了一些研究，主要集中在敞口盾構(gòu)可行性分析[6]、施工方案探討[7]、敞口盾構(gòu)設(shè)計(jì)綜述[8]、推力計(jì)算[9]等方面。但以關(guān)鍵部件為研究對象的相對較少，文獻(xiàn)[10]以敞口式盾構(gòu)挖掘裝置為研究對象，對其進(jìn)行仿真與優(yōu)化研究；文獻(xiàn)[11]對敞口式盾構(gòu)在北京地區(qū)的適應(yīng)性分析，給出了前檐受力理論計(jì)算方法；文獻(xiàn)[12]論述了敞口式盾構(gòu)前盾的技術(shù)設(shè)計(jì)特點(diǎn)，介紹了前檐的力學(xué)模型及理論計(jì)算方法。

本文針對北京地鐵6號線2期工程以敞口盾構(gòu)的關(guān)鍵部件——前檐為研究對象，介紹前檐推力計(jì)算方法、力學(xué)模型及油缸選型，選取2種典型工況對前檐的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，得到前檐的應(yīng)力云圖和位移云圖，為前檐的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供參考。同時提出改進(jìn)措施，并進(jìn)行優(yōu)化。

1 工程概況

1.1 工程位置

北京地鐵6號線2期15標(biāo)段(郝家府站—東部新城站區(qū)間)，由郝家府站向東，沿運(yùn)河?xùn)|大街北側(cè)設(shè)置，現(xiàn)狀運(yùn)河?xùn)|大街道路全寬48 m，主路24 m，兩側(cè)輔路均為7 m，主路與輔路設(shè)置5 m隔離帶。規(guī)劃運(yùn)河?xùn)|大街走向和現(xiàn)狀運(yùn)河?xùn)|大街基本一致，規(guī)劃道路寬60 m，兩側(cè)各設(shè)置30 m寬的綠化帶。沿線穿越農(nóng)田、高壓電力走廊、豐字溝、現(xiàn)狀自然村、召里路，到達(dá)宋郎路和運(yùn)河?xùn)|大街交叉路口的東部新城站。

設(shè)計(jì)里程為K40+512.9～K41+770.4，右線長1 257.5 m，左線長1 258.003 m。區(qū)間在右K41+062.5處設(shè)聯(lián)絡(luò)通道兼泵房1座，在右K41+500處設(shè)聯(lián)絡(luò)通道1座。

1.2 工程地質(zhì)條件

本區(qū)間郝家府站—東部新城站位于北京城區(qū)東部地區(qū)，地形基本平坦，地勢起伏不大，屬于潮白河故道、溫榆河故道交匯區(qū)。

根據(jù)工程地質(zhì)和水文概況，各地層修正后的圍巖為Ⅵ級，土石可挖性為Ⅰ至Ⅱ級，土體自穩(wěn)能力較差，很難形成自然拱。其中普遍存在粉細(xì)砂③3層、中粗砂④4層、中粗砂⑤1層，其厚度較大，富水性好，且為飽和狀態(tài)。在地下水的作用下，會產(chǎn)生涌水、潛蝕、流砂等現(xiàn)象，極易導(dǎo)致隧道側(cè)壁失穩(wěn)。

敞口式盾構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 敞口式盾構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

2 前檐支護(hù)裝置

2.1 功能概述

前檐支護(hù)裝置是為防止工作面圍巖坍塌和擠出、變位之用。對于圍巖來說，支護(hù)裝置是承受被動壓力的。采用支護(hù)油缸作為支護(hù)裝置，應(yīng)具有防止圍巖松弛、工作面坍塌，保持支擋壓力，與盾構(gòu)推進(jìn)同步的安全閥等的功能。前檐支護(hù)裝置功能如下：

1)可滿足前檐伸出600 mm，根據(jù)管片寬度1 200 mm 而定。

2)整體7個前檐可支撐隧道面上部160°范圍。

3)可滿足前檐擋板在100°范圍張合，輔助支撐掌子面，保持開挖面的穩(wěn)定。

4)前檐結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)更換。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)簡介

前檐支護(hù)裝置由活動前檐、活動擋板及液壓油缸組成。

活動前檐配置在前盾上，在前盾環(huán)拱部的滑槽內(nèi)，其端面多為平面形，工作狀態(tài)下通過液壓油缸向開挖端伸出。液壓缸易因偏壓而引起變形，根據(jù)不同情況，有時采用導(dǎo)槽防護(hù)，保證彎矩不直接作用于油缸上。對于活動前檐結(jié)構(gòu)，還應(yīng)考慮支擋反力、工作面上部落下土砂的沖擊作用等，需要選用較為堅(jiān)固的構(gòu)造。

活動前檐是利用刃腳的可動部分插入土中，當(dāng)因土壓產(chǎn)生彎曲時，再欲收回較困難，故必須加大牽引拉力。

活動擋板鉸接在活動前檐上，表面敷裝有若干橡膠板，可對開挖面的不平度進(jìn)行一定的補(bǔ)償。通過液壓油缸向前伸出，可在100°范圍內(nèi)張合，輔助支撐掌子面，保持開挖面的穩(wěn)定。

前檐支撐結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

(a)

(b)

前檐支撐需要頻繁地伸出收回，設(shè)計(jì)時除考慮必要的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度外，還進(jìn)行了以下針對性設(shè)計(jì)。

1)在活動前檐底部設(shè)有排渣孔洞，避免渣土擠壓堵塞滑道。

2)前檐支撐與滑道之間間隙，可通過不同位置的前檐互換安裝或更換耐磨板進(jìn)行調(diào)整。

3)每個活動前檐油缸總推力為960 kN，活動前檐具有足夠的推力儲備，便于在不同地層中可以輕松插入土體。

3 前檐支撐受力分析與計(jì)算

前檐受力模型如圖3和圖4所示。

圖3 前檐伸出時受力示意圖Fig.3 Force analysis of advance timbering under working conditionⅠ

圖4 前檐伸出、擋板撐起時受力示意圖Fig.4 Force analysis of advance timbering under working conditionⅡ

前檐參數(shù)及推力計(jì)算如表1所示。

表1 前檐參數(shù)及推力Table 1 Parameters and thrust of advance timbering

3.1 前檐推進(jìn)油缸

如圖4所示，前檐伸出，擋板撐起，假設(shè)此時在前方圍巖坍塌的瞬時狀態(tài)下(前檐與周邊土體產(chǎn)生的摩擦力，正面坍塌土體產(chǎn)生的土壓力和前檐的貫入阻力)，前檐的推進(jìn)力

F=F1+F2+F4+F5=676.65 kN。

F=πD2×p×N/4。

式中：D為推進(jìn)油缸缸徑，mm；p為推進(jìn)油缸的壓力，MPa；N為推進(jìn)油缸的個數(shù)，取1或2。

單油缸和雙油缸尺寸相差不大，受到安裝空間限制，本方案中采用單油缸，取油缸行程1 250 mm(φ160/125-1 250)。

油缸最大拉力

得：F1≈0.4F=270.66 kN。

活塞桿強(qiáng)度校核：

油缸在承受軸向推力的情況下，

式中：F為活塞桿的作用力，N；d為活塞桿直徑，m；σp為材料的許用應(yīng)力,MPa。

求得：

110) MPa。

3.2 擋板油缸

擋板油缸主要承受水平土壓力對擋板的壓力F5=348.7 kN。

當(dāng)擋板與插刀帽檐垂直時，油缸軸線與水平面的角度為15°時，F(xiàn)5=F/cos 15°。

求得F=359.5 kN。

F=πD2×p×N/4。

式中：D為推進(jìn)油缸缸徑，mm；p為推進(jìn)油缸的壓力，MPa；N為推進(jìn)油缸的個數(shù)，取1。

根據(jù)工程實(shí)際，油缸行程取1 000 mm(φ125/90-1 000)。

油缸在承受軸向推力的情況下，

式中：F為活塞桿的作用力，N；d為活塞桿直徑，m；σp為材料的許用應(yīng)力，MPa。

求得：

3.3 正面擋板油缸

見圖5。

正面擋板的面積S2=8 131 200 mm2，若中間2個油缸采用2 000 mm×2 000 mm擋板，面積S1=4×106mm2。盾構(gòu)中心線部位的水平土壓力為0.13 MPa，油缸推力F計(jì)算如下。

Fmax=p×S2=1 057 kN。

F=πD2×p×N/4。

式中：D為推進(jìn)油缸缸徑，mm；p為推進(jìn)油缸的壓力，MPa；N為推進(jìn)油缸的個數(shù)，取2。

根據(jù)工程實(shí)際，油缸行程取1 550 mm(φ160/125-1 550)。

圖5 正面擋板結(jié)構(gòu)示意圖

3.4 導(dǎo)軌受力計(jì)算

假設(shè)前檐在伸出1 200 mm的狀態(tài)下，頂部受到土壓力的作用，此時重合導(dǎo)軌處的重合長度為L，貼合面接觸不良狀態(tài)下，重合處只在左、右兩端形成2個支點(diǎn)支撐，如圖6中A，B2點(diǎn)。

圖6 前檐導(dǎo)軌受力示意圖

m=1 200 mm；L=1 200 mm；土壓力p=0.3 MPa。

此時導(dǎo)軌接觸長度L=1 200 mm，動靜導(dǎo)軌接觸面寬度b=40 mm。支點(diǎn)A,B2處的支反力：

FA=qm(2+λ)/2;FB=-qm2/(2L)；λ=m/L。

求得：FA=810 kN;FB=270 kN。

取最大支點(diǎn)的力為接觸面的擠壓力F=810 kN。

接觸強(qiáng)度σ=F/S=9.5 MPa。

4 有限元計(jì)算及結(jié)構(gòu)分析

前檐的主要作用是支撐隧道面上部，承載拱頂?shù)耐翂毫?，避免上方土體的坍塌。每個前檐支撐上還鉸接有扇形擋板，輔助支撐掌子面，保持開挖面的穩(wěn)定。

4.1 前檐有限元分析

4.1.1 工況1

前檐在伸出過程中但沒有插入土體時，此時前檐相當(dāng)于懸臂梁結(jié)構(gòu)，主要承受前檐頂部土體產(chǎn)生的土壓力，土體對前檐表面的摩擦力沿軸向作用，對前檐結(jié)構(gòu)的影響可忽略不計(jì)。

在前檐上部表面加載0.3 MPa的土壓力，約束盾體6個自由度。

前檐在工況1的條件下位移云圖如圖7所示。從圖7可以看出，前檐的最大位移在插刀最前端，值為5.77 mm。

圖7 工況1前檐位移云圖Fig.7 Deformation contour of advance timbering under working condition 1

前檐應(yīng)力云圖如圖8所示。由圖8可以看出，最大應(yīng)力出現(xiàn)在盾體上端，值為371.68 MPa。這個點(diǎn)是奇異點(diǎn)，暫不考慮，從其最大應(yīng)力分布區(qū)域可以看出，受力較大的區(qū)域在插刀與盾體結(jié)合處，值為206.5～330.39 MPa。

圖8 工況1前檐應(yīng)力云圖Fig.8 Stress contour of advance timbering under working condition 1

4.1.2 工況2

前檐伸出插入土體，前方土體坍塌，在前檐伸出1 200 mm的工況下對前檐進(jìn)行分析。

在前檐上部表面加載0.3 MPa的土壓力，前檐插刀面及擋板面加載0.14 MPa，約束盾體6個自由度。

前檐的位移云圖如圖9所示。從圖9可以看出，前檐的最大位移在插刀最前端，值為5.945 mm。

圖9 工況2前檐位移云圖Fig.9 Deformation contour of advance timbering under working condition II

前檐的應(yīng)力云圖如圖10所示。從圖10可以看出，最大應(yīng)力為286.28 MPa。從其最大應(yīng)力分布區(qū)域可以看出，受力較大的區(qū)域在插刀與盾體結(jié)合處，值為159.05～254.47 MPa。

圖10 工況2前檐應(yīng)力云圖Fig.10 Stress contour of advance timbering under working condition II

綜上，從對前檐在2種工況下進(jìn)行的有限元分析可以看出，在前檐插刀與盾體的結(jié)合處受力最大，下文分別對前檐上導(dǎo)軌和盾體上的導(dǎo)軌進(jìn)行進(jìn)一步的受力分析。

4.2 前檐上導(dǎo)軌受力分析

前檐上導(dǎo)軌的受力情況如圖11所示。從圖11可以看出，安裝在前檐上導(dǎo)軌的最大應(yīng)力出現(xiàn)在插刀與盾體結(jié)合處，值為191.78 MPa，最大受力區(qū)域應(yīng)力值為86.125～170.66 MPa。

4.3 盾體上導(dǎo)軌受力分析

盾體上導(dǎo)軌的受力情況如圖12所示。從圖12可以看出，安裝在盾體上導(dǎo)軌的最大應(yīng)力出現(xiàn)在插刀與盾體結(jié)合處，值為355.43 MPa，最大受力區(qū)域應(yīng)力值為197.52～315.95 MPa。

綜上，開挖面的支護(hù)由前盾帽檐、伸縮前檐和活動擋板承擔(dān)，均采用40 mm厚的Q345B低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼制造，材料屈服強(qiáng)度σb=345 MPa，抗拉強(qiáng)度σs≥470 MPa。按最極端的情況分析：隧道埋深按30 m，開挖面上方發(fā)生部分塌陷，伸縮前檐伸長至最大長度為1 200 mm,基于ANSYS軟件進(jìn)行有限元分析，分析結(jié)論如下。

圖12 盾體上導(dǎo)軌應(yīng)力云圖

1)前檐受力較大的區(qū)域在插刀與盾體結(jié)合處，值為206.5～330.39 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.954 mm，受力較大。

2)安裝在盾體上導(dǎo)軌的最大應(yīng)力出現(xiàn)在插刀與盾體結(jié)合處，值為355.43 MPa，最大受力區(qū)域應(yīng)力值為197.52～315.95 MPa，受力較大。

由于插刀在工作過程中受土壓作用，在前檐導(dǎo)軌與盾體導(dǎo)軌結(jié)合處受剪切力作用較大。為了避免長時間工作產(chǎn)生疲勞破壞，在實(shí)際結(jié)構(gòu)中采取如下措施進(jìn)行改善。

1)在前檐導(dǎo)軌與盾體導(dǎo)軌之間加特殊材質(zhì)耐磨板，避免2個導(dǎo)軌鋼結(jié)構(gòu)之間直接摩擦、磨損。

2)在前檐導(dǎo)軌與盾體導(dǎo)軌之間安裝滾動軸承結(jié)構(gòu)，由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，減小摩擦力。

3)在前檐導(dǎo)軌與盾體導(dǎo)軌之間安裝加潤滑油道，減小磨損及摩擦力。

5 樣機(jī)試制

本樣機(jī)應(yīng)用在北京地鐵6號線2期15標(biāo)段試驗(yàn)段，全程388 m。樣機(jī)如圖13所示。

前檐在施工中的操作說明：

1)根據(jù)前檐伸出的油壓在控制范圍內(nèi)時，前檐伸出。

2)根據(jù)前檐伸出的油壓超過設(shè)計(jì)值的2/3時，前檐伸出時需要開挖進(jìn)行輔助進(jìn)行，即邊開挖邊伸出。

3)盾構(gòu)前檐同時伸出的數(shù)量需要考慮盾構(gòu)的姿態(tài)、土體的貫入度、開挖的需求綜合進(jìn)行考慮。前檐伸出的順序是先上后下，先中間后兩邊。

目前，在施工試驗(yàn)段前檐工作良好，已經(jīng)完成掘進(jìn)70 m。

6 結(jié)論與討論

本文針對北京地鐵6號2期工程的具體地質(zhì)條件，結(jié)合盾構(gòu)的設(shè)計(jì)要求，對前檐支護(hù)裝置設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，主要結(jié)論如下。

(a)

(b)

1)對前檐結(jié)構(gòu)在2種工況下進(jìn)行了有限元分析，得到了前檐受力較大的區(qū)域在插刀與盾體結(jié)合處，值為206.5～330.39 MPa，最大應(yīng)變?yōu)?.954 mm。進(jìn)而對受力較大區(qū)域即前檐上的導(dǎo)軌和盾體上的導(dǎo)軌進(jìn)行了進(jìn)一步分析得到：前檐上導(dǎo)軌的最大應(yīng)力出現(xiàn)在插刀與盾體結(jié)合處，最大值為191.78 MPa；最大受力區(qū)域應(yīng)力值為86.125～170.66 MPa；盾體上導(dǎo)軌的最大應(yīng)力出現(xiàn)在插刀與盾體結(jié)合處，值為355.43 MPa，最大受力區(qū)域應(yīng)力值為197.52～315.95 MPa。因此，盾體上導(dǎo)軌為前檐結(jié)構(gòu)中受力較大區(qū)域。

2)由于前檐插刀在工作的過程中受土壓作用，在前檐導(dǎo)軌與盾體導(dǎo)軌結(jié)合處受剪切力作用較大。為了改善前檐結(jié)構(gòu)受力較大的問題，提出改進(jìn)措施如下：①在前檐導(dǎo)軌與盾體導(dǎo)軌增加特殊材質(zhì)的耐磨板，避免鋼結(jié)構(gòu)之間直接磨損。②在前檐導(dǎo)軌與盾體導(dǎo)軌之間安裝滾動軸承結(jié)構(gòu)，由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，減小摩擦力。③在前檐導(dǎo)軌與盾體導(dǎo)軌之間安裝加潤滑油道，減小磨損及摩擦力。

3)通過樣機(jī)的試制及實(shí)際施工的檢驗(yàn)，證明了前檐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性和可靠性。

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DesignofandStudyonAdvanceTimberingofφ6.22mOpenShield

CUI Lishan,WANG Jianhui,YANG Haitao

(CompanyofTunnelingShieldManufacturing,BeijingSANYHeavyMachineryCo.,Ltd.,Beijing102202,China)

Advance timbering,an important component of open shield,plays a crucial role in supporting the tunnel,bearing the earth pressure and preventing the collapse.In the paper,the function,configuration,thrust calculation and cylinder selection of the advance timbering ofφ6.22 m open shield used in No.6 line of Beijing Metro are presented.Furthermore,a finite element model for the advance timbering is established based on 2 typical working conditions and the stress and deformation contour plots are generated.According to the analysing results,improvement measures are proposed and carried out.The boring of the prototype shield proves that the advance timbering designed is feasible and reliable.

open shield;advance timbering;design

2013-12-03;

2014-03-06

崔立山(1986—)，男，遼寧營口人，2011年畢業(yè)于東北大學(xué)，機(jī)械設(shè)計(jì)及理論專業(yè)，碩士，工程師，主要從事盾構(gòu)研制方面的工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.06.016

U 45

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1672-741X(2014)06-0592-06