王勝勇

(上海隧道工程股份有限公司，上海 200032)

0 引言

隧道掘進(jìn)機(jī)是用于地下隧道施工的掘削設(shè)備，常見型式為圓形結(jié)構(gòu)，主要因?yàn)閳A形掘進(jìn)機(jī)殼體受力均勻，且圓形隧道結(jié)構(gòu)具有穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展對地下空間開發(fā)利用的需求增加，尤其在過街地道、地鐵車站的地下走廊等工程中，矩形隧道建設(shè)具有更大的空間開發(fā)優(yōu)勢。利用矩形頂管機(jī)施工所獲得的通道斷面不僅接近于實(shí)際使用的斷面，具有較高的空間利用率，而且還可為工程后期的改造裝修帶來便利，節(jié)省工程成本，具有很好的經(jīng)濟(jì)性。目前，許多發(fā)達(dá)國家都掀起了開發(fā)異形斷面掘進(jìn)機(jī)技術(shù)的高潮，先后進(jìn)行了矩形隧道、橢圓形隧道、雙圓形隧道、多圓形隧道掘進(jìn)機(jī)及施工技術(shù)的試驗(yàn)研究和工程應(yīng)用［1－3］。

矩形頂管機(jī)是一種在殼體圍護(hù)支撐借助安裝于始發(fā)井內(nèi)的后頂進(jìn)千斤頂和相關(guān)機(jī)械裝置向前推進(jìn)的隧道掘進(jìn)設(shè)備。通過組合刀盤切削土體，并由螺旋機(jī)等裝置完成排土作業(yè)，再由頂進(jìn)裝置頂進(jìn)一節(jié)管節(jié)長度的距離后，將頂進(jìn)千斤頂縮回，并將一節(jié)成型管節(jié)放置于機(jī)頭或已安裝管節(jié)與后頂進(jìn)裝置之間的空間后繼續(xù)頂進(jìn)，如此反復(fù)完成整個(gè)隧道掘進(jìn)施工［4］。殼體結(jié)構(gòu)是頂管掘進(jìn)機(jī)中非常重要的承載和圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞關(guān)系到整個(gè)隧道施工工程的成敗。在傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)過程中，通常需要豐富的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)過程相對比較繁瑣復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員的水平?jīng)Q定了殼體設(shè)計(jì)的質(zhì)量好壞。采用有限元方法對頂管機(jī)的殼體進(jìn)行設(shè)計(jì)，將使整個(gè)殼體設(shè)計(jì)過程變得更加簡單快捷，計(jì)算結(jié)果也更準(zhǔn)確，但目前大多數(shù)文獻(xiàn)涉及到的有限元計(jì)算方法主要集中應(yīng)用于對頂管機(jī)施工過程的土體力學(xué)計(jì)算和理論分析［5－6］。

本文根據(jù)實(shí)際工程需求，進(jìn)行示范例4.2 m×6.9 m土壓平衡矩形頂管機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)工作，討論殼體關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要點(diǎn);建立矩形頂管掘進(jìn)機(jī)殼體模型，利用SolidWorks三維分析軟件［7］對示范例矩形頂管機(jī)殼體進(jìn)行相關(guān)研究，形成一套基于SolidWorks建模的殼體設(shè)計(jì)、校驗(yàn)及優(yōu)化的有限元分析方法。

1 殼體總體設(shè)計(jì)概述

頂管機(jī)殼體分前后2個(gè)部分，前殼體與后殼體尺寸大小基本相同。在設(shè)計(jì)過程中，通常采用刀盤超挖形式使刀盤切削斷面略大于殼體和管節(jié)斷面尺寸，這樣有利于頂管機(jī)機(jī)頭進(jìn)出洞控制、掘進(jìn)糾偏和姿態(tài)調(diào)整。另外，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在殼體周邊均勻設(shè)置泥漿壓注孔，通過泥漿孔向前后斷面尺寸差形成的環(huán)形空隙處填注減摩泥漿，殼體減摩泥漿套可有效減小后殼體及管片在土層中的頂進(jìn)阻力，有利于對正面土壓力的控制，提高掘進(jìn)工作效率。

在殼體設(shè)計(jì)中，內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。由于殼體受力復(fù)雜，因此，在殼體內(nèi)合理設(shè)置支撐梁、加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu)，在滿足整體裝配要求的前提下，提高殼體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度［8］。前殼體作為刀盤驅(qū)動和螺旋機(jī)等結(jié)構(gòu)的支撐體，其結(jié)構(gòu)受力最大，安裝的設(shè)備也最為重要，因此，在掘進(jìn)機(jī)殼體設(shè)計(jì)與分析過程中都以前殼體為首要目標(biāo)。

2 前殼體結(jié)構(gòu)方案模型建立

前殼體設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)按照相應(yīng)的外形尺寸設(shè)計(jì)三維模型。在確定了殼體外形尺寸的前提下，根據(jù)施工埋深、結(jié)構(gòu)尺寸及受力狀態(tài)，初定殼體的板厚尺寸。

根據(jù)殼體結(jié)構(gòu)形狀和施工需要，確定刀盤位置。大刀盤驅(qū)動裝置一般設(shè)置于殼體正中心位置，4個(gè)小刀盤(偏心)驅(qū)動裝置則置于其兩側(cè)，螺旋機(jī)安放在殼體的底部。為獲得較大的切削比，同時(shí)考慮到刀盤受力的均衡性，小刀盤(偏心)驅(qū)動安裝位置距殼體側(cè)邊緣的距離與距大刀盤驅(qū)動的距離大致相等，同側(cè)2個(gè)小刀盤驅(qū)動裝置相對殼體中心線上下對稱。整個(gè)頂管機(jī)布置2個(gè)螺旋機(jī)進(jìn)行出土作業(yè)，螺旋機(jī)出土口要盡量靠近殼體底部，布置左右位置時(shí)，要盡量保證完成整個(gè)土艙內(nèi)的渣土輸送，以實(shí)現(xiàn)對正面土壓力的建立和控制。頂管機(jī)前殼體正面視圖如圖1所示。

確定各主體結(jié)構(gòu)的形式及位置后，需布置各種加固結(jié)構(gòu)以增加主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。示范例殼體模型中，加固結(jié)構(gòu)形式一般采用圈板、撐梁及筋板。圈板是沿周向連接殼體內(nèi)緣輪廓的環(huán)狀豎向加強(qiáng)板，主要起到支撐和加固頂管機(jī)外殼體結(jié)構(gòu)，以減少殼體受土壓力而變形的作用。撐梁是用于連接整個(gè)殼體兩側(cè)的結(jié)構(gòu)，包括位于貫穿大刀盤驅(qū)動的橫向撐梁，以及2根貫穿螺旋機(jī)筒體的縱向撐梁。筋板則沿各個(gè)刀盤驅(qū)動的受力中心向四周發(fā)散方向進(jìn)行布置，對殼體有較大的支撐和加固作用，同時(shí)，還可將刀盤驅(qū)動所受的切削應(yīng)力均勻地分散到殼體主結(jié)構(gòu)。前殼體后視圖如圖2所示。

圖1 前殼體正面視圖Fig.1 Frontal view of front shell

圖2 前殼體后視圖Fig.2 Rear view of front shell

3 前殼體模型的三維有限元處理

3.1 約束的確定

在完整地設(shè)計(jì)和建立了前殼體的三維模型后，在SolidWorks三維環(huán)境下使用有限元分析法對前述的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行檢驗(yàn)，以確認(rèn)設(shè)計(jì)方案中的設(shè)定參數(shù)是否符合施工時(shí)受力和變形要求。

前殼體正面及周邊都受到頂進(jìn)反作用力與土壓力作用，而后端則與頂管機(jī)主體部分連接。當(dāng)頂管機(jī)前端受力時(shí)，頂管機(jī)主體不會產(chǎn)生較大的變形，因此，可以將前殼體與頂管機(jī)主體的連接端作為受力分析的相對固定約束面，并施加固定約束，以觀察殼體變形狀況。

殼體的固定約束如圖3所示。圖3中箭頭指向的平面即為殼體模型的固定約束面，此面靠近后殼體，相對于其他連接面受載荷作用較弱，相對應(yīng)力變形較小，在圖3的方向上進(jìn)行位移約束和旋轉(zhuǎn)約束，即表示該面受約束保持固定。

圖3 殼體的固定約束Fig.3 Fixed constraint of the shell

3.2 載荷的確定

設(shè)定約束后對殼體施加外載荷［9－10］。施工時(shí)，由于前殼體受力較復(fù)雜，因此建立模型時(shí)進(jìn)行了相關(guān)簡化，在前殼體模型上施加的主要載荷包括頂部豎向載荷W0、周邊土壓力載荷W1和正面刀盤驅(qū)動等結(jié)構(gòu)受到的頂進(jìn)反力載荷W2。

圖4為頂管機(jī)前殼體的受力簡化模型圖，包括殼體正面和側(cè)面2個(gè)方向。在進(jìn)行三維建模時(shí)，模型的每一個(gè)部件都使用與實(shí)際形狀、大小相等尺寸建立。根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)的材質(zhì)確定結(jié)構(gòu)材料后，可以直接算出結(jié)構(gòu)的實(shí)際質(zhì)量，同時(shí)，在定義自重載荷時(shí)，按計(jì)算所得的實(shí)際質(zhì)量自動確定載荷大小，確保數(shù)值的準(zhǔn)確性。

圖4 殼體受力模型Fig.4 Stress model of shell

圖5為殼體載荷分布圖。圖5中紫色箭頭代表刀盤驅(qū)動受到的正面頂進(jìn)反力W2，正面頂進(jìn)反力的實(shí)際大小為后頂進(jìn)頂力減去頂管機(jī)及管節(jié)所受到的各種阻力［11］。但事實(shí)上，頂管機(jī)后頂進(jìn)力與土體摩擦阻力均是隨著頂管機(jī)向前推進(jìn)而不斷變化增大的，其他形式阻力難以準(zhǔn)確測量，而通過理論計(jì)算得到頂進(jìn)反力的準(zhǔn)確值確實(shí)比較困難;因此，采取了更加直接的方法。在頂管機(jī)正面土倉內(nèi)安裝土壓傳感器，實(shí)際測量得到迎面頂進(jìn)阻力的最大值與殼體安裝驅(qū)動部位的最大允許載荷比較，按大值取值。在本示范例設(shè)計(jì)的殼體結(jié)構(gòu)中，取大刀盤驅(qū)動裝置的設(shè)計(jì)承載極限為400 t，即4 000 kN，小刀盤驅(qū)動裝置的設(shè)計(jì)承載極限為70 t，即700 kN。

圖5中紅色箭頭代表殼體周邊所受的土壓力。土壓力是按照頂管機(jī)頂部最大埋深的施工工況來進(jìn)行相關(guān)計(jì)算的［12］。此次設(shè)計(jì)工況計(jì)算如下:頂管機(jī)頂部埋深10 m，土體比重水土合算取18 kN/m3，則頂部受到的土壓力為180 kN/m2;頂管機(jī)殼體高度為4.2 m，則底部埋深14.2 m，受到的土壓力約為260 kN/m2。殼體兩側(cè)的土壓力為側(cè)向壓力W1，與垂直方向的土壓力W0不同，受土體自立性影響，略小于垂直土壓力，在工程計(jì)算中常取其值為垂直土壓力的0.7倍。側(cè)向土壓力隨埋深的增加而增大，單位深度的壓力增加值為常量，可以通過線性比例計(jì)算得出。

圖5 殼體載荷分布圖Fig.5 Load distribution of shell

3.3 單元網(wǎng)格的劃分

在對殼體模型進(jìn)行施加載荷完畢后，對結(jié)構(gòu)體模型劃分有限元網(wǎng)格，如圖6所示。網(wǎng)格劃分是有限元分析的基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)是以網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)為基礎(chǔ)單位分析計(jì)算的，因此，網(wǎng)格劃分越細(xì)，計(jì)算結(jié)果越精確，但同時(shí)相應(yīng)的計(jì)算量也越大，對計(jì)算機(jī)的性能要求也越高。根據(jù)計(jì)算機(jī)的性能及對結(jié)果的精度要求，設(shè)定四面體實(shí)體網(wǎng)格。在本示范例計(jì)算中，設(shè)定網(wǎng)格大小為160 mm，共劃分得到37 882個(gè)四面體實(shí)體網(wǎng)格。

圖6 有限元網(wǎng)格劃分示意圖Fig.6 Diagrammatic sketch of finite element mesh

4 前殼體模型的三維有限元結(jié)果分析

4.1 計(jì)算結(jié)果

在進(jìn)行有限元計(jì)算處理后，得出殼體應(yīng)力、變形和安全系數(shù)分布圖，如圖7—9所示。

圖7 殼體應(yīng)力分布圖(單位:N/m2)Fig.7 Stress distribution of shell(N/m2)

圖8 殼體變形分布圖(單位:mm)Fig.8 Strain distribution of shell(mm)

圖9 安全系數(shù)分布圖Fig.9 Safety factor distribution of shell

從圖7中可以看出:模型應(yīng)力分布區(qū)域大部分呈藍(lán)色，應(yīng)力約在30 MPa以下，最大應(yīng)力為300 MPa，位于中心大刀盤驅(qū)動安裝孔下部的筋板上;筋板上的應(yīng)力明顯比結(jié)構(gòu)本體要大，說明筋板的布置位置基本位于應(yīng)力較大區(qū)域，分擔(dān)了殼體應(yīng)力，是比較合理的。

從圖8中可以看出:受到迎面阻力的大刀盤安裝孔處及受到豎直土壓力的上下殼體中間部分變形弧度較大，這也與受力情況相符;數(shù)據(jù)結(jié)果顯示最大變形位移為1.37 mm，在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)。

從圖9中可以看出:大部分區(qū)域安全系數(shù)大于4，而設(shè)定安全系數(shù)的上限顯示為5;筋板處的安全系數(shù)相對較小，說明筋板處應(yīng)力較大;安全系數(shù)最小值為0.65，發(fā)生在應(yīng)力最大處。

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)對以上結(jié)果的分析，殼體模型結(jié)構(gòu)在載荷作用下基本都能滿足強(qiáng)度要求，但在筋板尺寸急劇變化區(qū)域容易出現(xiàn)應(yīng)力集中，這些地方的最大局部應(yīng)力達(dá)到了300 MPa，超過了材料屈服強(qiáng)度，屬于危險(xiǎn)區(qū)域。

應(yīng)力集中區(qū)域的主要特點(diǎn)是應(yīng)力遠(yuǎn)大于正常值，且作用面積小，隨距離擴(kuò)展急速衰減。殼體中心驅(qū)動的安裝結(jié)構(gòu)為一環(huán)套，后方的加固筋板以直角的形式卡住環(huán)套的外徑和背面，達(dá)到固定的目的，這一直角鎖緊區(qū)域的應(yīng)力最大，其結(jié)構(gòu)形式和應(yīng)力分析結(jié)果都與應(yīng)力集中的現(xiàn)象相符合。因此，要消除危險(xiǎn)區(qū)域，就要改善應(yīng)力集中，可以采用對直角接觸部位圓角過渡的方式進(jìn)行改善。

圖10為改進(jìn)圓弧面設(shè)計(jì)示意圖。對筋板、驅(qū)動套筒的接觸部位設(shè)定為圓角，保證裝配時(shí)接觸面圓滑過渡，避免產(chǎn)生銳角。

圖10 改進(jìn)圓弧面設(shè)計(jì)示意圖Fig.10 Diagrammatic sketch of improvement of arc surface

圖11為改進(jìn)后的殼體應(yīng)力分布圖。從改進(jìn)后的分析結(jié)果可以看出，最大應(yīng)力降至227 MPa，小于普通碳鋼的屈服強(qiáng)度(235 MPa)，但應(yīng)力集中點(diǎn)仍然存在，已經(jīng)不會對結(jié)構(gòu)造成破壞性影響，證明利用圓角改善應(yīng)力集中是切實(shí)可行的。

圖11 改進(jìn)后的殼體應(yīng)力分布圖(單位:N/mm2)Fig.11 Stress distribution of shell after improvement(N/mm2)

5 討論及展望

本文應(yīng)用SolidWorks建模及有限元分析方法對頂管機(jī)殼體結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)，不僅使設(shè)計(jì)過程變得更加簡單快捷，而且使設(shè)計(jì)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

1)依據(jù)實(shí)際的應(yīng)力和變形，對殼體進(jìn)行設(shè)計(jì)校驗(yàn)。設(shè)計(jì)的模型存在不安全結(jié)構(gòu)區(qū)域，大部分位于殼體中心驅(qū)動裝置部位，采取加強(qiáng)筋板布置和加固薄弱部位，保證結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度。

2)針對分析結(jié)果中筋板的應(yīng)力集中缺陷，采用了接觸邊倒圓角的方法來解決，實(shí)際施工效果證明了這一措施的可行性。

本文對矩形掘進(jìn)機(jī)前殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了討論，并對結(jié)構(gòu)建模、約束設(shè)定和載荷確定進(jìn)行了相應(yīng)的簡化，形成了基于SolidWorks建模的前殼體設(shè)計(jì)、校驗(yàn)步驟及優(yōu)化方法，對矩形頂管掘進(jìn)機(jī)殼體的設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。

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