陶 磊，寧向可，賀 飛

（中鐵隧道裝備制造有限公司，河南 鄭州 450016）

0 引言

敞開(kāi)式TBM作為隧道掘進(jìn)機(jī)的重要組成部分，在巖石穩(wěn)定性好、軟弱圍巖較少的隧道施工中有著廣泛的應(yīng)用。在西康秦嶺隧道工程中，鐵道部從德國(guó)威爾特公司引進(jìn)了2臺(tái)直徑Φ8．8m敞開(kāi)式TBM，隧道在1999年掘進(jìn)貫通；遼寧大伙房水庫(kù)輸水隧洞工程中，采用3臺(tái)直徑為Φ8．03m的敞開(kāi)式TBM施工，該項(xiàng)目于2009年正式竣工通水；還有錦屏引水隧洞等等都是敞開(kāi)式TBM成功應(yīng)用的實(shí)例。在國(guó)家經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的帶動(dòng)下，敞開(kāi)式TBM的應(yīng)用前景將會(huì)更加廣闊。

1 敞開(kāi)式TBM主梁模型的建立

敞開(kāi)式TBM主梁一般為箱型鋼結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)約20m，為了制造和運(yùn)輸方便，一般分為前段、中段和尾段。各段之間采用螺栓連接，前段也用螺栓與主驅(qū)動(dòng)機(jī)頭架連接。主大梁承受刀盤(pán)傳遞過(guò)來(lái)的力和扭矩的作用，并將力和扭矩傳遞到與洞壁接觸的撐靴上，因此要求主梁具有足夠的強(qiáng)度和剛度。

敞開(kāi)式TBM的總體構(gòu)造如圖1所示。在主梁的前段安裝有拱架安裝器、錨桿鉆機(jī)和超前鉆機(jī)等設(shè)備；中段安裝有鞍架、物料吊運(yùn)裝置、撐靴和推進(jìn)系統(tǒng)；尾段的后支腿是一個(gè)豎直鋼結(jié)構(gòu)，通過(guò)后支腿液壓缸支撐TBM的后部，并且除塵風(fēng)管也從其中部出來(lái)，連接到后配套上；后配套系統(tǒng)通過(guò)拖拉液壓缸與后支腿相連，隨著主機(jī)一起向掘進(jìn)方向前進(jìn)；主大梁的內(nèi)部還布置有主機(jī)皮帶機(jī)，內(nèi)壁上布置有通向主驅(qū)動(dòng)、刀盤(pán)等的水管、氣管和電纜等管線。

因?yàn)橐獙?duì)不同工況下的主梁進(jìn)行有限元分析，所以在模型中體現(xiàn)每一個(gè)系統(tǒng)和部件是不現(xiàn)實(shí)的，也是不必要的，很多對(duì)分析無(wú)關(guān)的部件可以省略。模型應(yīng)該在保證整體模擬能力的前提下，將那些安裝在主梁上面的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，最終都轉(zhuǎn)化為施加在主梁上的力。這樣既簡(jiǎn)化了模型，又能準(zhǔn)確地對(duì)主梁進(jìn)行計(jì)算分析。經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)化后的主大梁模型如圖2所示。

圖1 敞開(kāi)式TBM的總體構(gòu)造圖

圖2 主大梁的簡(jiǎn)化模型

2 不同工況下的約束狀態(tài)

本文借鑒某隧道工程Φ8 020mm敞開(kāi)式TBM的主要參數(shù)，參照施工狀況，分析主大梁在不同工況下的約束狀態(tài)。通常情況下，主梁在施工中的實(shí)際受載狀態(tài)可以分為以下幾種。

2．1 掘進(jìn)狀態(tài)

TBM在掘進(jìn)過(guò)程中，撐靴伸出頂在巖壁上，后支撐收回，推進(jìn)油缸伸出，通過(guò)主梁兩側(cè)的耳環(huán)推動(dòng)主梁、機(jī)頭架、刀盤(pán)以及后配套等向前移動(dòng)；同時(shí)刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)，滾刀在推力和扭矩的作用下，滾壓切削掌子面。此時(shí)，僅對(duì)主梁而言，其受到重力、垂直方向的壓力、推進(jìn)油缸的推力、機(jī)頭架傳出的扭矩等載荷。

2．2 換步狀態(tài)

TBM在換步過(guò)程中，刀盤(pán)停止旋轉(zhuǎn)，后支撐伸出支在洞底巖壁，撐靴油缸縮回，推進(jìn)油缸縮回，帶動(dòng)撐靴以及鞍架總成沿掘進(jìn)方向移動(dòng)一個(gè)推進(jìn)位移。此時(shí)，主梁受到重力、垂直方向的壓力、推進(jìn)油缸的拉力等載荷。

2．3 水平調(diào)向狀態(tài)

TBM在水平調(diào)向過(guò)程中，刀盤(pán)停止旋轉(zhuǎn)，撐靴伸出頂在巖壁上，后支撐收回，通過(guò)兩側(cè)撐靴油缸的伸縮動(dòng)作，帶動(dòng)鞍架推動(dòng)主梁尾端水平方向移動(dòng)，進(jìn)而使機(jī)頭架以及刀盤(pán)沿水平方向產(chǎn)生一定的角度，最終完成水平方向調(diào)向。此時(shí)，主梁受到重力、垂直方向壓力、一側(cè)滑動(dòng)軌道的推力等載荷。

2．4 垂直調(diào)向狀態(tài)

TBM在垂直調(diào)向過(guò)程中，刀盤(pán)停止旋轉(zhuǎn)，撐靴伸出頂在巖壁上，后支撐收回，通過(guò)兩側(cè)的扭矩油缸伸出或者縮回，帶動(dòng)鞍架推動(dòng)主梁尾端垂直方向移動(dòng)，進(jìn)而使機(jī)頭架以及刀盤(pán)垂直方向產(chǎn)生一定的角度，最終完成垂直方向調(diào)向。此時(shí)，主梁受到重力、垂直方向壓力、兩側(cè)滑動(dòng)軌道上部或者下部的推力等載荷。

2．5 應(yīng)急支護(hù)狀態(tài)

在出現(xiàn)上部圍巖松動(dòng)，需要臨時(shí)應(yīng)急支護(hù)時(shí)，刀盤(pán)停止旋轉(zhuǎn)及掘進(jìn)，撐靴伸出頂在巖壁上，后支撐收回，支架一端頂在主梁上部平面，一端支撐圍巖。此時(shí)，主梁受到重力、垂直方向壓力、支反力等載荷。

3 主梁的受力計(jì)算

根據(jù)對(duì)上述工況的分析，再與簡(jiǎn)化的模型相結(jié)合，按照所承受的力施加載荷，同時(shí)考慮到各種設(shè)備的自重，最大程度地模擬其實(shí)際狀況。

表1為本隧道工程所使用的敞開(kāi)式TBM主梁受力及扭矩?cái)?shù)據(jù)。

表1 主梁受力及扭矩?cái)?shù)據(jù)

圖3為掘進(jìn)狀態(tài)下主大梁的邊界條件。有限元分析計(jì)算得到的其等效應(yīng)力、最大變形分別見(jiàn)圖4和圖5。通過(guò)計(jì)算結(jié)果可以看出，掘進(jìn)狀態(tài)下的最大應(yīng)力發(fā)生在主梁的中段和尾段的連接處；最大變形發(fā)生在主大梁前段和主機(jī)的連接處。其中，最大應(yīng)力為236．55MPa，最大變形為17．151mm。

圖3 掘進(jìn)狀態(tài)下主大梁的邊界條件

圖4 掘進(jìn)狀態(tài)下的等效應(yīng)力

圖5 掘進(jìn)狀態(tài)下的最大變形

同理可以計(jì)算出其他工況下的最大應(yīng)力和最大變形的數(shù)值，見(jiàn)表2。

表2 各工況下的有限元計(jì)算結(jié)果

由表2可以看出，除水平調(diào)向外，各工況的受力情況及變形均在合理的范圍之內(nèi)，而水平調(diào)向狀態(tài)在一點(diǎn)出現(xiàn)大應(yīng)力，如圖6圈中所示。由圖6可以看出，主梁大部分的應(yīng)力都是在200MPa以內(nèi)，只有在標(biāo)記處周圍有小部分應(yīng)力超過(guò)200MPa，這是局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，需要采取一定的改善措施；而大變形狀況是因?yàn)樵谶M(jìn)行水平調(diào)向，這個(gè)數(shù)值也是在合理范圍之內(nèi)。

圖6 水平調(diào)向狀態(tài)下的等效應(yīng)力圖

4 結(jié)語(yǔ)

大型裝備的研制和生產(chǎn)是國(guó)家發(fā)展水平的重要體現(xiàn)，也是國(guó)家“973”發(fā)展規(guī)劃的重要組成部分，加大對(duì)敞開(kāi)式TBM的研發(fā)力度勢(shì)在必行。雖然本工程的強(qiáng)度和剛度滿足施工的要求，但是局部的應(yīng)力集中現(xiàn)象不容忽視。TBM設(shè)計(jì)人員應(yīng)細(xì)致地分析其受力和變形情況，改變局部結(jié)構(gòu)，以消除應(yīng)力集中。

［1］ 杜彥良，杜立杰．全斷面巖石隧道掘進(jìn)機(jī)——系統(tǒng)原理與集成設(shè)計(jì)［M］．武漢：華中科技大學(xué)出版社，2011．

［2］ 張高峰，李志博．基于CATIA的TBM主機(jī)結(jié)構(gòu)有限元分析［J］．計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用，2007，34（7）：39－41．

［3］ 高耀東，劉學(xué)杰．ANSYS機(jī)械工程應(yīng)用精華50例［M］．北京：電子工業(yè)出版社，2011．