上海市機(jī)械施工集團(tuán)有限公司 上海 200072

1 概述[1-4]

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，主要依靠盾殼結(jié)構(gòu)來承受各種施工載荷。盾殼通常由切口環(huán)、支承環(huán)和盾尾3 部分組成，由于切口環(huán)和支承環(huán)內(nèi)部有胸板、法蘭、立柱以及縱環(huán)筋等結(jié)構(gòu)作為加強(qiáng)，結(jié)構(gòu)變形并不嚴(yán)重。但盾尾因其內(nèi)部空間為管片拼裝作業(yè)區(qū)，無法通過增加支撐梁加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，因此盾尾的變形一般較大，成為盾殼中最薄弱的環(huán)節(jié)。為了保證盾尾在自重、土壓力等荷載作用下有足夠的強(qiáng)度和剛度，需要對盾尾進(jìn)行計(jì)算。

對于圓形盾構(gòu)，由于圓形在四周土壓力作用下，盾尾變形一般較小，通過加大盾尾鋼板厚度便可以解決盾尾變形過大的問題。但對于大斷面大跨度的矩形盾構(gòu)而言，受到四周土壓時(shí)，盾構(gòu)機(jī)殼體中部會(huì)產(chǎn)生極大的彎矩，因此大斷面矩形盾構(gòu)的盾尾變形要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圓形盾構(gòu)，僅靠增大盾尾鋼板厚度的方法已經(jīng)無法解決矩形盾構(gòu)盾尾變形過大的問題（圖1）。

圖1 矩形盾構(gòu)機(jī)殼體模型

2 防變形裝置的設(shè)計(jì)原理

為了解決上述問題，本文提出一種新型盾尾防變形裝置。本裝置通過在盾尾加支點(diǎn)的方式減少盾尾變形，盾尾支點(diǎn)安裝在盾尾四周。在盾尾殼體未發(fā)生變形時(shí)，盾尾支點(diǎn)與盾尾內(nèi)的管片間有10 mm間隙。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，由于受到土壓作用，盾尾發(fā)生變形，當(dāng)變形達(dá)到一定程度后，盾尾支點(diǎn)接觸到管片，管片為盾尾支點(diǎn)提供了支撐，支撐反作用力就抵抗了盾尾的變形。

在設(shè)計(jì)中，預(yù)先在管片表面埋設(shè)了鋼制滑道，并且保證盾尾支點(diǎn)的材料強(qiáng)度弱于滑道強(qiáng)度，保證了當(dāng)四周土壓過大時(shí)盾尾支點(diǎn)先于管片滑道損壞，不會(huì)破壞管片。而在管片設(shè)計(jì)中，預(yù)先考慮了盾尾支點(diǎn)的支承反力，該盾尾支點(diǎn)的反力不會(huì)對管片造成破壞。

3 新型防盾尾變形裝置

本裝置主體結(jié)構(gòu)包括支點(diǎn)耐磨材料和鋼板底座，鋼板底座焊接在盾尾殼體內(nèi)壁。支點(diǎn)耐磨材料使用螺釘固定在連接鋼板上，鋼板底座與盾尾鋼絲刷持平。

矩形盾構(gòu)機(jī)共安裝有8 塊這樣的裝置，上下位置各安裝2 塊，左右位置各安裝2 塊。本裝置位于盾尾第2道與第3道鋼絲刷之間，并且這2 道鋼絲刷之間留有足夠的空間，當(dāng)鋼絲刷碰到管片變形后，不會(huì)與防變形裝置產(chǎn)生干涉，影響盾尾密封效果（圖2、圖3）。

圖3 盾尾防變形裝置結(jié)構(gòu)

4 分析計(jì)算

4.1 正常工況下支點(diǎn)的受力計(jì)算

根據(jù)施工工況，上覆土壓為0.128 MPa，側(cè)向土壓為0.064 MPa。管片與盾尾支點(diǎn)的初始間隙為10 mm。

使用通用有限元計(jì)算軟件進(jìn)行實(shí)體建模以及計(jì)算。對于大跨度矩形盾構(gòu)機(jī)，盾尾殼體左右方向的變形小于上下方向的變形，因此主要考慮上下方向的變形情況。為了便于計(jì)算，只考慮盾構(gòu)機(jī)上部殼體變形對于盾尾支點(diǎn)和管片的影響，盾構(gòu)機(jī)下部完全剛接。由于管片的變形極小，假設(shè)管片為固定剛體，盾尾支點(diǎn)與管片之間采用不穿透彈性接觸。

當(dāng)管片拼裝無誤差，即管片與盾尾支點(diǎn)的初始間隙為10 mm的情況下，盾構(gòu)機(jī)防變形裝置能有效減少盾尾的變形情況，將盾尾變形由原來的17.4 mm減少為12.3 mm，保證了管片拼裝的間隙要求。此時(shí)盾尾支點(diǎn)完全接觸在管片上，單個(gè)盾尾支座反力為132 kN，管片受力在設(shè)計(jì)載荷范圍內(nèi)，使用安全。

4.2 非正常工況下支點(diǎn)的受力計(jì)算

當(dāng)管片拼裝產(chǎn)生誤差時(shí)，盾尾支點(diǎn)與管片之間的初始間隙不一定是10 mm，可能變大也可能變小，應(yīng)當(dāng)考慮在極限工況下支點(diǎn)對于管片受力的影響范圍，作為管片設(shè)計(jì)的依據(jù)之一。

上述計(jì)算模型中，設(shè)盾尾支點(diǎn)與管片的初始間隙在0～10 mm范圍內(nèi)變化，其中0 mm表示初始狀態(tài)下盾尾支點(diǎn)與管片沒有間隙。計(jì)算中討論了不同初始間隙下的盾尾支點(diǎn)反力的變化情況（圖4）。

圖4 間隙-反力變化示意

由圖4可知，盾尾和管片的初始間隙與盾尾支點(diǎn)的反力成線性變化，當(dāng)初始間隙小于5 mm時(shí)，支點(diǎn)反力均超過300 kN，管片設(shè)計(jì)載荷過大，沒有充分利用盾尾殼體的自身剛度，設(shè)計(jì)中應(yīng)避免此種情況，即應(yīng)允許盾尾發(fā)生大于5 mm的變形。當(dāng)初始間隙為5 mm時(shí)，支點(diǎn)反力為291 kN，盾尾最大變形為6.4 mm，說明理論上本裝置最大能降低11 mm盾尾變形。

本次計(jì)算為了便于計(jì)算，簡化了一定的模型以及邊界條件，未考慮土體對于盾構(gòu)機(jī)以及管片的影響，也未考慮管片自身剛度對于整體計(jì)算的影響和盾尾注漿對于管片以及盾構(gòu)機(jī)的影響。今后將對整個(gè)工況的建模計(jì)算作為一個(gè)研究的方向。

5 結(jié)語

本文以大斷面矩形盾構(gòu)研發(fā)為背景，設(shè)計(jì)了一種簡單可靠的盾尾防變形裝置，在不影響管片拼裝以及盾尾密封的情況下，可以有效地控制盾尾變形。為今后防止更大斷面的矩形盾構(gòu)機(jī)的盾尾變形提供了一種新的思路。