薛廣記, 董艷萍, 范 磊, 鄭永光

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016)

超大斷面馬蹄形盾構(gòu)盾體系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)及應(yīng)用

薛廣記, 董艷萍, 范 磊, 鄭永光

(中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司， 河南 鄭州 450016)

為探索超大斷面馬蹄形盾構(gòu)盾體載荷分布特性，解決超大馬蹄形盾體設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)問題，針對適用于單洞雙線鐵路隧道的超大馬蹄形盾構(gòu)護(hù)盾薄殼體軸向、周向載荷分布特性和傳遞規(guī)律展開研究，構(gòu)建了盾體受載數(shù)學(xué)模型?；谏鲜鲚d荷分析與功能需求詳細(xì)探究了超大斷面馬蹄形盾構(gòu)盾體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，明確了馬蹄形盾體受力的薄弱環(huán)節(jié)，通過三維建模和有限元分析優(yōu)化了盾體結(jié)構(gòu)： 殼體結(jié)構(gòu)采用多半分體組合式結(jié)構(gòu)，并通過法蘭連接，滿足了吊裝和運(yùn)輸要求； 殼體箱型環(huán)梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的同時(shí)節(jié)省了材料、減輕了質(zhì)量； 此外，進(jìn)行了盾體的梭式結(jié)構(gòu)、帽檐設(shè)計(jì)和超前注漿通道設(shè)計(jì)等針對性設(shè)計(jì)，有效提高了馬蹄形盾構(gòu)的適應(yīng)能力。該馬蹄形盾構(gòu)的應(yīng)用和盾體變形工業(yè)性監(jiān)測試驗(yàn)表明，馬蹄形盾構(gòu)盾體結(jié)構(gòu)滿足整機(jī)平穩(wěn)掘進(jìn)、盾體微變形的要求，也印證了該數(shù)值模擬分析方法的正確性。

大斷面； 馬蹄形盾構(gòu)； 載荷特性； 盾體結(jié)構(gòu)； 仿真分析

Abstract: The exploration of shield load distribution rule of large cross-section horseshoe-shaped shield and the key design technologies are very important. The axial and circumferential load distribution and transmission rules on shield of large cross-section horseshoe-shaped shield used in single-tube double-line railway tunnel are studied; and the numerical model of shield load is established. And then the shield structural design is discussed; the weak point of shield loading is identified; and shield structure is optimized by 3D modeling and finite element analysis. The optimization of the shield structure includes using split combined structure and flange connection to meet the requirements of hoisting and transportation; the beam structure design of box type shell ring ensures the strength requirements, saving material and reducing weight; in addition, the shuttle structure, brim design, advance grouting channel design improve the horseshoe-shaped shield’s adaptability. The application of the horseshoe-shaped shield and industrial deformation monitoring results indicates the feasibility of the shield system and the validity of the numerical analysis method.

Keywords: large cross-section; horseshoe-shaped shield; load characteristics; shield structure; simulation analysis

0 引言

隧道掘進(jìn)機(jī)問世至今已有近200年歷史，起始于英國，發(fā)展于日本、德國。近30年來，隨著土壓平衡、泥水平衡、尾部密封、盾構(gòu)始發(fā)及接收等一系列技術(shù)難題的解決，使得盾構(gòu)及其掘進(jìn)技術(shù)有了較快發(fā)展，盾構(gòu)法施工業(yè)已成為一門比較成熟的地下工程施工技術(shù)[1-2]。至今全世界已累計(jì)生產(chǎn)1萬多臺(tái)盾構(gòu)，其中，90%以上是圓形盾構(gòu)，這是因?yàn)閳A形盾構(gòu)具有開挖簡單、設(shè)備制造簡單、推進(jìn)軸線容易控制、施工方便和施工隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力均勻等優(yōu)點(diǎn)[3-4]，但其缺點(diǎn)也是顯而易見的，圓形盾構(gòu)開挖出的截面為圓形，隧道修建完成后，需要對開挖出的圓截面巷道底部進(jìn)行預(yù)制仰拱塊鋪設(shè)等處理[5]，以滿足車輛運(yùn)營使用要求，但此過程無疑是對開挖空間利用率的浪費(fèi)。

在空間利用率較高的異形盾構(gòu)領(lǐng)域，國內(nèi)外在矩形、類矩形和雙圓盾構(gòu)方面發(fā)展迅速，但其適用工況極其有限，因其結(jié)構(gòu)形式限制了盾構(gòu)承受隧道深覆土、大跨距壓力的能力(管片和盾構(gòu)均需立柱支撐，無法做到全開挖面利用)[6-7]。為克服上述圓形盾構(gòu)、普通異形盾構(gòu)缺點(diǎn)，針對具有較高空間利用率，又能適應(yīng)深覆土、大跨距工況的馬蹄形盾構(gòu)展開研究。馬蹄形盾構(gòu)除在小斷面、敞開式方面有少量文獻(xiàn)涉及外(其斷面為矩形加上部起大圓拱、結(jié)構(gòu)形式簡單)[8-9]，大斷面研究基本處于空白，本文主要探索了大斷面、深覆土條件下的載荷分布特性，并進(jìn)行了基于功能需求與載荷仿真分析的盾體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。馬蹄形盾構(gòu)的研制成功將對施工條件惡劣的山嶺公鐵隧道、施工成本極高的深覆土雙線地鐵隧道解放勞動(dòng)力、提高施工安全保障和降低生產(chǎn)成本具有重要的意義。

1 依托工程概況

蒙華鐵路白城隧道位于陜西省靖邊縣內(nèi)，隧道全長3 345 m，為時(shí)速120 km的雙線電氣化鐵路隧道。白城隧道橫斷面如圖1所示，隧道全段位于直線段。隧道最大埋深為81 m，洞身范圍內(nèi)地層主要為粉砂、細(xì)砂和砂質(zhì)新黃土。為提高施工效率，本項(xiàng)目擬采用盾構(gòu)施工，而盾構(gòu)施工既要求滿足雙線火車通行又要承受深覆土條件下的土體壓力，同時(shí)盾構(gòu)輪廓的擬定還需要考慮以下因素： 隧道限界、接觸網(wǎng)懸掛方式、軌道形式、站后預(yù)留管線(管道)及電纜槽要求、施工誤差和結(jié)構(gòu)變形等。

圖1 白城隧道橫斷面圖

依據(jù)TB 10003—2005《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》和GB 146.2—83《標(biāo)準(zhǔn)軌距鐵路建筑》，白城隧道采用線間距4.0 m，建筑限界采用“隧限-2B”，接觸網(wǎng)剛性懸掛、道床為無砟軌道(有砟軌道要求隧道斷面要大10%左右，成本較高)，同時(shí)考慮站后管線、電纜槽預(yù)留以及盾構(gòu)施工誤差、結(jié)構(gòu)變形以及安全余量15 cm等，白城隧道盾構(gòu)施工段隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)如圖2所示。隧道斷面為三心圓形狀，整體呈馬蹄形，上部為圓拱，下部稍扁，左右兩翼下側(cè)的弧度較小。

2 載荷分布特性

馬蹄形盾構(gòu)上部為圓拱，掘進(jìn)時(shí)能夠形成天然卸荷拱，周向載荷分布與常規(guī)圓形盾構(gòu)類似[10-12]，但馬蹄形盾構(gòu)開挖形式不同于常規(guī)圓形單刀盤旋轉(zhuǎn)開挖形式，馬蹄形盾構(gòu)采用多刀盤開挖形式，軸向載荷分布差異較大。因此，馬蹄形盾構(gòu)受載研究對盾體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使其滿足強(qiáng)度(剛度)要求下盡量減小盾體質(zhì)量具有重大的指導(dǎo)意義。

圖2 白城隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)圖(單位： mm)

2.1 盾體周向載荷分布特性分析

考慮到該隧道覆土較深，且地層為非沼澤土、淤泥土的原狀土，可按普羅托基亞卡諾夫理論建立馬蹄形掘進(jìn)機(jī)周向載荷分布模型，只計(jì)算土層內(nèi)形成的天然卸荷拱以下高為h1破壞區(qū)內(nèi)的土壓力。受力模型如圖3所示。

圖3 馬蹄形斷面載荷模型

馬蹄形截面掘進(jìn)機(jī)頂部卸荷高度

式中：h1為卸荷拱高，m； 2a1為卸荷拱寬，m；φ為tan-1fKP，即fKP=tanφ，fKP為土的堅(jiān)實(shí)系數(shù)；D0為隧洞全高，對于馬蹄形取上圓拱半徑。

采用卸荷拱計(jì)算載荷時(shí)，一般要求滿足fKP≥0.6(即φ≥30°)以及掘進(jìn)機(jī)覆土H≥2h12個(gè)條件(根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，H可適當(dāng)減小，但不得小于1.3h1)，這時(shí)作用在盾構(gòu)上的載荷可按掘進(jìn)機(jī)頂部以上高為h1的土柱考慮。此外，本工程覆土較深，不考慮地面動(dòng)載荷的影響。因此，掘進(jìn)機(jī)垂直土體壓力

Gy=γh1D0。

式中γ為土體容重，kN/m3。

2.2 盾體軸向載荷分布特性分析

馬蹄形盾構(gòu)開挖形式采用多刀盤開挖形式，如圖4所示。刀盤的受力最終直接作用在盾體前隔板驅(qū)動(dòng)環(huán)上，分析異形掘進(jìn)機(jī)的刀盤受力情況對研究盾體的受力形式起到至關(guān)重要的作用。因此，將隔板壓力分解為作用于驅(qū)動(dòng)環(huán)上的刀盤受力傳遞和土艙泥土壓力，而驅(qū)動(dòng)環(huán)上的刀盤傳力又可分為刀盤與土體切削的接觸土壓力和掘進(jìn)機(jī)所處埋深的靜土壓力。

2.2.1 刀盤與土體切削的接觸土壓力

鑒于馬蹄形掘進(jìn)機(jī)單個(gè)刀盤的受力同常規(guī)盾構(gòu)刀盤一樣，因此，借鑒張茜[1]刀盤系統(tǒng)與掘進(jìn)界面土體間相互作用的力學(xué)特征分析方法，通過建立掘進(jìn)界面土體的平衡微分方程，根據(jù)系統(tǒng)相互作用界面力學(xué)特性確定邊界條件，對刀盤系統(tǒng)作用于掘進(jìn)面土體的載荷表達(dá)進(jìn)行求解，實(shí)現(xiàn)刀盤系統(tǒng)載荷問題的解耦。

圖4 馬蹄形盾構(gòu)刀盤布置示意圖

單個(gè)刀盤與掘進(jìn)界面土體間相互作用的接觸力學(xué)模型如圖5所示，單個(gè)刀盤作用在掌子面(Z=0)土體上的法向應(yīng)力為

式中：σz(r，0)為土體上的法向應(yīng)力；E為土體彈性模量，kPa；δ為掘進(jìn)進(jìn)尺即刀盤每轉(zhuǎn)切深，m/r；R為刀盤半徑；μ為土體泊松比；r為任意半徑，0≤r≤R。

圖5 單個(gè)刀盤與掘進(jìn)界面土體間相互作用的接觸力學(xué)簡圖

Fig. 5 Contact mechanics sketch of interaction between single cutterhead and tunneling interface soil

2.2.2 埋深刀盤靜土壓力

在地下施工時(shí)，裝備上方的覆土自重在掘進(jìn)面上會(huì)引起靜土壓力，刀盤系統(tǒng)載荷與埋深有關(guān)，載荷示意圖見圖6。埋深為H0處的靜土壓力

p0=K0γH0。

式中：K0為靜土壓側(cè)向壓力系數(shù)；γ為土體容重，kN/m3。

掘進(jìn)界面上坐標(biāo)為(r,θ)處的靜土壓力

p靜(r,θ)=K0γ(H-rsinθ)。

式中H(m)為地表至設(shè)備某一刀盤中軸線處的埋深，當(dāng)H≥2h1時(shí)，H取卸荷拱高度h1。

圖6 設(shè)備埋深對刀盤載荷的影響

2.2.3 埋深隔板面板靜土壓力

馬蹄形盾構(gòu)前隔板開口諸多，包括驅(qū)動(dòng)開孔、螺機(jī)開口和各種注漿孔等，其中各種注漿孔的大小相比盾體截面比較小，此處忽略不做參考。隔板開口率ξ是表征隔板拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的參數(shù)，馬蹄形掘進(jìn)機(jī)截面面積為A0，則隔板面板靜土壓作用面積為

Ap=(1-ξ)A0。

2.2.4 隔板整體受力分析

地質(zhì)參數(shù)、埋深、掘進(jìn)速度及隔板拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是影響馬蹄形盾構(gòu)盾體隔板受力的主要因素，盾體隔板法向推力主要包括推進(jìn)中刀盤與土體間的接觸擠壓力F11、埋深引起的靜土壓力F12和土艙壓力作用在隔板面板的力F2。

1)推進(jìn)中刀盤與土體間的接觸擠壓力F11。由刀盤系統(tǒng)與界面土體接觸擠壓應(yīng)力沿有效擠壓面積進(jìn)行積分，

式中：ηi為第i個(gè)刀盤開口率；n為單盤數(shù)量；i為第i個(gè)刀盤。

積分可得：

2)埋深引起的靜土壓力F12。由掘進(jìn)界面靜土壓沿面板部分積分計(jì)算：

積分可得：

3)隔板處的土艙壓力F2。掘進(jìn)過程中，密封艙內(nèi)保持一定的支護(hù)壓力以維持掘進(jìn)面穩(wěn)定，即密封艙壓力需平衡埋深靜土壓力

F2=K0γH(1-ξ)A0。

綜上，建立馬蹄形盾體前隔板軸向受力數(shù)學(xué)模型：

①驅(qū)動(dòng)法蘭座受力為

②隔板面板受力為

F2=K0γH(1-ξ)A0。

式中：E為土體彈性模量，kPa；μ為土體泊松比；K0為靜土壓側(cè)向壓力系數(shù)；γ為土體容重，kN/m3；ηi為第i個(gè)刀盤開口率；Ri為第i個(gè)刀盤半徑，m；H為地表至設(shè)備中軸線處的埋深，m；δ為掘進(jìn)進(jìn)尺，m/r；ξ為隔板開口率；A0為馬蹄形掘進(jìn)機(jī)截面面積。

3 馬蹄形盾構(gòu)盾體設(shè)計(jì)、仿真優(yōu)化及試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 基于功能需求的馬蹄形盾構(gòu)盾體設(shè)計(jì)

馬蹄形盾構(gòu)盾體是刀盤、驅(qū)動(dòng)、螺旋輸送機(jī)和管片拼裝機(jī)等結(jié)構(gòu)支撐載體，為盾構(gòu)前進(jìn)、襯砌拼裝提供護(hù)盾保護(hù)作用。盾體結(jié)構(gòu)的合理與否直接影響隧道建設(shè)的正常進(jìn)行及施工人員安全，是設(shè)計(jì)人員研究探索的重要問題。

馬蹄形盾構(gòu)盾體主要包括前盾、中盾和尾盾3部分，這3部分都是馬蹄狀筒體，前盾和與之焊在一起的承壓隔板用來支撐刀盤驅(qū)動(dòng)，如圖7所示。前盾和中盾通過法蘭用螺栓連接，中盾和尾盾采用現(xiàn)場焊接，尾盾末端裝有密封用的盾尾刷。

圖7 馬蹄形盾體示意圖

3.1.1 盾體大小

由圖2已知滿足雙線火車通行功能要求的隧道內(nèi)輪廓線。參照國內(nèi)外相同級(jí)別、類似地質(zhì)圓形盾構(gòu)管片厚度[13-14]，本項(xiàng)目襯砌厚度采用500 mm，由隧道內(nèi)輪廓線外擴(kuò)500 mm得管片外輪廓?？紤]施工隧道為直線，盾尾間隙采用小間隙設(shè)計(jì)為45 mm，間隙外另有加強(qiáng)環(huán)厚度20 mm，尾盾結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。由于尾盾作為管片拼裝的空間無法布置加強(qiáng)筋板，尾盾初步設(shè)計(jì)采用較厚鋼板，同時(shí)綜合參考相同級(jí)別圓形盾構(gòu)經(jīng)驗(yàn)，采用90 mm厚鋼板(該尾盾厚度經(jīng)后文仿真分析得到驗(yàn)證)，即得到尾盾尺寸。

圖8 尾盾局部示意圖

為克服大型盾構(gòu)軟土層防卡盾問題，盾體創(chuàng)新采用梭式結(jié)構(gòu)針對性設(shè)計(jì)，在尾盾外尺寸基礎(chǔ)上，中盾較尾盾、前盾較尾盾單邊依次階梯增大。最終，馬蹄形盾構(gòu)前盾尺寸定為寬11 880 mm、高10 930 mm的三心圓馬蹄形，斷面面積約為105 m2。

3.1.2 盾體結(jié)構(gòu)

馬蹄形盾構(gòu)盾體功能同常規(guī)盾構(gòu)類似，如圖9所示。盾體結(jié)構(gòu)具有能夠支撐刀盤/驅(qū)動(dòng)的連接座、安裝螺旋輸送機(jī)的連接座、安裝人艙的連接座、安裝管片拼裝機(jī)“米”字梁的連接座及附屬結(jié)構(gòu)，除此以外，馬蹄形盾構(gòu)盾體還做出了如下針對性設(shè)計(jì)。

圖9 前盾結(jié)構(gòu)示意圖

1)帽檐設(shè)計(jì)。在前盾切口環(huán)端半圓頂部，盾體外側(cè)焊接貼板，在貼板內(nèi)預(yù)留有注漿通道口，如圖10所示。盾構(gòu)推進(jìn)所需要的力必須克服迎面阻力和盾體摩擦阻力，設(shè)計(jì)帽檐結(jié)構(gòu)，一方面可以增長單向注漿單元壽命，另一方面還可以減小盾體摩擦阻力，并且防止減摩劑流入到土艙，造成浪費(fèi)。

圖10 前盾局部示意圖

2)環(huán)形筋板設(shè)計(jì)。中盾采用70 mm厚鋼板，而內(nèi)側(cè)需懸掛較重的主頂油缸，考慮強(qiáng)度需求，中盾內(nèi)側(cè)設(shè)計(jì)環(huán)形筋板，其截面示意圖如圖11所示。

圖11 中盾局部示意圖

3)超前注漿單元設(shè)計(jì)。為拓展馬蹄形盾構(gòu)在多種地層中的應(yīng)用，也為在未知極端地質(zhì)情況下人員進(jìn)艙處理異物提供安全保障，盾體外周圈和前盾隔板設(shè)計(jì)多處超前注漿單元接口(如圖11所示)，可在需要時(shí)連接超前鉆機(jī)進(jìn)行預(yù)先地層處理，馬蹄形盾構(gòu)超前注漿示意圖如圖12所示。

圖12 超前注漿示意圖

4)形狀保持架設(shè)計(jì)。尾盾內(nèi)側(cè)作為管片拼裝的空間，無法布置過多筋板，在吊裝、運(yùn)輸過程中無法依托與之焊接為一體的前盾為支撐，也無法依靠正常掘進(jìn)過程中盾尾油脂壓力支撐，其強(qiáng)度相對薄弱，為防止吊裝、運(yùn)輸尾盾變形，針對性地設(shè)計(jì)了形狀保持架，如圖13所示。

圖13 尾盾形狀保持架示意圖

5)盾體分塊設(shè)計(jì)。一般結(jié)構(gòu)件大小設(shè)計(jì)必須要綜合考慮機(jī)床加工能力、吊裝起重能力和運(yùn)輸限制條件等因素，而馬蹄形盾構(gòu)的尺寸超過10 m，前、中、尾盾整體設(shè)計(jì)已不再可行。因此，將盾體采用分塊設(shè)計(jì)，前盾因有隔板支撐采用上下分半； 中盾分為上下左右4塊，塊與塊間設(shè)置密封，采用螺栓連接； 尾盾依靠形狀保持架支撐也設(shè)計(jì)為上下分半，施工現(xiàn)場上下半組焊后再與中盾焊接。

3.2 基于載荷仿真分析的盾體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

使用有限元分析的目的是確定馬蹄形薄殼體在給定工況對應(yīng)載荷作用下的變形趨勢和變形量、應(yīng)力分布趨勢和應(yīng)力值，并對其強(qiáng)度、剛度進(jìn)行校核，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。前盾是超大斷面馬蹄形盾構(gòu)的核心結(jié)構(gòu)部件，在掘進(jìn)過程中承受刀盤傳遞過來的掘進(jìn)阻力、來自土壓艙平衡掌子面的泥土壓力、殼體外表面與土體摩擦力和上部土體對前盾的正壓力等。本文以前盾為例，對其進(jìn)行詳細(xì)仿真模擬分析，對中盾、尾盾仿真分析進(jìn)行簡述。

3.2.1 模型建立及網(wǎng)格劃分

采用Solidworks三維軟件對馬蹄形盾構(gòu)前盾進(jìn)行建模，并導(dǎo)入有限元仿真軟件ANSYS Workbench[15]。為得到接近實(shí)際情況的應(yīng)力分布情況，兼顧計(jì)算精度和計(jì)算效率，使用20個(gè)節(jié)點(diǎn)四面體solid195單元，設(shè)定單元長度為30 mm，單元數(shù)量為264.7萬個(gè)，模型網(wǎng)格離散結(jié)構(gòu)見圖14。簡化圖紙中倒角、圓角，視各個(gè)焊接板材的焊縫沒有缺陷，將螺栓連接法蘭面視為固定接觸，各類布線管路的通孔皆不考慮。

圖14 馬蹄形薄殼體網(wǎng)格劃分

3.2.2 相關(guān)材料的參數(shù)

前盾的制作材料為Q345B鋼，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3[16]，重力加速度g=9.8 m/s2。Q345B的力學(xué)性能見表1[16]。

表1 前盾用鋼板的力學(xué)性能

注： 許用應(yīng)力的確定考慮了2倍的安全系數(shù)。

3.2.3 載荷施加方式

依據(jù)工業(yè)性試驗(yàn)項(xiàng)目的工況，參照本文第2部分針對馬蹄形盾構(gòu)載荷分布特性，將土體視為連續(xù)的線彈性的、各向同性體，初步計(jì)算出工業(yè)性試驗(yàn)條件下的豎直載荷與軸向載荷。依據(jù)上述數(shù)據(jù)依次對有限元模型施加加載面壓力： 前盾隔板及切口環(huán)施加0.4 MPa軸向土壓靜載荷，所有驅(qū)動(dòng)環(huán)施加刀盤反作用力平均載荷3 MPa； 豎向載荷分上半盾體豎直向下的載荷0.38 MPa和下半盾體豎直向上的載荷0.42 MPa。由于前盾與中盾通過靜密封連接，因此，這里將前盾與中盾的連接法蘭處進(jìn)行軸向約束處理，詳見圖15。

圖15 模型載荷加載方式、邊界條件

3.2.4 應(yīng)力及變形量分布云圖

馬蹄形薄殼體為Q345B鋼板焊接組對的大型結(jié)構(gòu)件，根據(jù)有限元分析結(jié)果，經(jīng)多次優(yōu)化盾體筋板大小及布置形式，最終使馬蹄形薄殼體所承受應(yīng)力主要在166 MPa以下，滿足使用要求(見圖16)。馬蹄形前盾盾殼最大應(yīng)力發(fā)生在盾體上下殼體的支撐筋板連接處258.47 MPa(見圖16)，且為壓應(yīng)力，后期經(jīng)過筋板圓角、倒角處理，解決了應(yīng)力集中問題。殼體變形量最大處發(fā)生在盾體箱體后部的中間位置，變形值為3.07 mm(見圖17)，主驅(qū)動(dòng)面板的變形很小，可以滿足刀盤的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，故強(qiáng)度和剛度均能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖16 馬蹄形薄殼體應(yīng)力分布云圖(單位： MPa)

Fig. 16 Stress distribution nephogram of horseshoe-shaped shield (unit: MPa)

圖17 馬蹄形薄殼體變形量分布云圖(單位： mm)

Fig. 17 Deformation distribution nephogram of horseshoe-shaped sheild (unit: mm)

3.2.5 中盾、尾盾仿真分析簡述

中盾、尾盾仿真分析同前盾類似，考慮該馬蹄形盾構(gòu)中盾和尾盾連接為焊接，故采用中盾、尾盾一體的方式進(jìn)行分析，三維模型導(dǎo)入ANSYS Workbench劃分網(wǎng)格后，除同前盾施加相似的載荷外，在盾尾刷位置施加環(huán)向正壓力，油脂壓力設(shè)置為0.25 MPa，約束中盾前法蘭面，如圖18所示。

圖18 尾盾載荷加載方式、邊界條件

通過對中盾、尾盾仿真模擬，找到了其受力薄弱環(huán)節(jié)，對盾體板材厚度及中盾環(huán)形支撐梁結(jié)構(gòu)布置形式進(jìn)行了反復(fù)優(yōu)化，并于尾盾末端尾刷安裝處增加鋼環(huán)結(jié)構(gòu)，最終解決了中盾、尾盾部分位置強(qiáng)度和剛度低及局部應(yīng)力集中問題。

3.3 馬蹄形盾構(gòu)工業(yè)性試驗(yàn)及盾體變形檢測

該馬蹄形盾構(gòu)已完成蒙華鐵路白城隧道工業(yè)性試驗(yàn)段施工，馬蹄形盾構(gòu)整機(jī)及成型隧道如圖19所示。整個(gè)施工階段盾體均未出現(xiàn)質(zhì)量問題，對保證隧道施工質(zhì)量、保障人員施工安全具有重要意義。

(a) 馬蹄形盾構(gòu)

(b) 成型隧道

施工過程中，尾盾的變形將直接影響到盾尾間隙的變化，為保證盾尾刷的密封效果、防止隧道滲水或地表沉降、保障隧道施工精度，需對盾體變形進(jìn)行定期檢測。本項(xiàng)目根據(jù)人工盾尾間隙測量原理，引入全站儀高性能測量設(shè)備，對馬蹄形盾體周邊的多個(gè)棱鏡布置點(diǎn)進(jìn)行檢測，采取信號(hào)差分采集手段，實(shí)現(xiàn)盾體形狀自動(dòng)檢測。

施工過程中該馬蹄形盾構(gòu)盾體很好地承受了來自土體的壓力。工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)束后，盾體尾端頂部中心最大變形量為5 mm，無疲勞裂紋現(xiàn)象產(chǎn)生，滿足管片拼裝盾尾間隙需求，薄殼體整體結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度、穩(wěn)定性均在設(shè)計(jì)控制范圍之內(nèi)。

4 結(jié)論與討論

本文探索了大斷面、深覆土(具體為非沼澤土、淤泥土的原狀土)條件下的載荷分布特性，著重分析了多刀盤驅(qū)動(dòng)模式下的盾體軸向受載，構(gòu)建了軸向載荷數(shù)學(xué)模型； 基于功能需求與載荷仿真分析探究了盾體結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)； 進(jìn)行了多半分體組合式結(jié)構(gòu)、箱型環(huán)梁結(jié)構(gòu)、梭試結(jié)構(gòu)、減摩帽檐結(jié)構(gòu)和超前注漿接口等多項(xiàng)針對性設(shè)計(jì)。馬蹄形盾構(gòu)在蒙華鐵路白城隧道的工業(yè)性試驗(yàn)表明，該盾體結(jié)構(gòu)滿足了整機(jī)平穩(wěn)掘進(jìn)、盾體微變形的要求，同時(shí)也印證了該盾體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法的合理性。通過研究，掌握了馬蹄形盾體的載荷分布特性、力學(xué)模型及有限元分析優(yōu)化方法，形成了一套完整的馬蹄形盾構(gòu)盾體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，以期為以后馬蹄形盾構(gòu)或其他異形隧道掘進(jìn)機(jī)盾體設(shè)計(jì)提供參考。由于該項(xiàng)目為直線型隧道，僅依靠主頂油缸即可滿足微角度調(diào)整，而對于適應(yīng)馬蹄形曲線隧道掘進(jìn)的盾體結(jié)構(gòu)，中盾和尾盾鉸接結(jié)構(gòu)、密封形式等應(yīng)是科研人員下一步著重探討的方向。

此次馬蹄形盾構(gòu)工法在鐵路山嶺軟土隧道領(lǐng)域首次運(yùn)用，提高了隧道空間利用率，較圓形截面減少了10%～15%的開挖面積，是全球首創(chuàng)的隧道新型開挖模式，設(shè)備的成功研制也標(biāo)志著盾構(gòu)產(chǎn)品向著異形化發(fā)展邁出了重要一步。

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DesignandApplicationofShieldSystemofLargeCross-sectionHorseshoe-shapedShield

XUE Guangji, DONG Yanping, FAN Lei, ZHENG Yongguang

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

U 455.3

A

1672-741X(2017)09-1179-08

2017-04-12;

2017-06-19

薛廣記 (1989—)，男，山東巨野人，2015年畢業(yè)于濟(jì)南大學(xué)，機(jī)械工程專業(yè)，碩士，助理工程師，主要從事隧道與地下工程裝備設(shè)計(jì)與研發(fā)工作。E-mail: xuegj.1990@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.09.018