吳 威 李東鑫 陳 鵬 李延秋 朱曉天 柯 杰
(1.國網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟技術研究院 江蘇南京 210009;2.中鐵十四局集團大盾構工程有限公司 江蘇南京 211800;3.中南大學機電工程學院 湖南長沙 410083)
大型水利工程兼顧灌溉、供水、發(fā)電、泄水、防洪抗旱等功能,是關乎國計民生的建設工程。水利隧洞為水利工程的樞紐,解決導流問題,長距離輸水隧洞具有地質(zhì)條件復雜、施工技術及機械配置要求高、工期長等特點,其施工質(zhì)量極大影響整體工程施工質(zhì)量與成本[1]。輸水隧洞傳統(tǒng)施工方法為鉆爆法,其優(yōu)點為地質(zhì)適應性強、施工成本低,但存在施工效率低、安全性差、施工質(zhì)量難以保持穩(wěn)定等問題。隧道掘進機法采用專用的全斷面隧道掘進機施工,集開挖、支護、襯砌為一體,具有安全、高效、環(huán)保、施工質(zhì)量高等優(yōu)點,現(xiàn)已廣泛應用于水利工程輸水隧洞施工[2]。
盾構掘進機是進行隧道掘進工法施工的大型掘進裝備,因其穩(wěn)定、高效、安全等優(yōu)點被廣泛應用于水利水電工程、城市地下工程、公路鐵路隧道、礦山施工等多項地下空間工程建設中[3-5]。臺車是盾構掘進機后配套的重要組成部分,其上可安放液壓、動力、操作、控制等多個系統(tǒng),起承載、連接和運輸作用。若臺車結(jié)構設計不合理,或者臺車上相關設施安放布局不合理,將導致臺車側(cè)傾與變形,嚴重時可使臺車出現(xiàn)刮碰嚴重、垮塌等現(xiàn)象,并且會給設備拆解帶來極大麻煩。臺車的相關研究文獻較為少見,吳遁等[6]針對某盾構掘進機臺車變形問題,對臺車鋼結(jié)構進行了力學分析,提出了相應的改造方案;盛少琴等[7]根據(jù)后配套所包含的各類系統(tǒng),對設備布局和臺車結(jié)構進行了優(yōu)化;王鑫等[8]針對施工方面的因素,對后配套結(jié)構設計與優(yōu)化進行討論。晏勝榮[9]以揚州瘦西湖隧道工程為背景,設計與制造了內(nèi)部結(jié)構同步施工模板臺車,實現(xiàn)盾構掘進與內(nèi)部同步施工;李陽等[10]對南水北調(diào)工程某施工盾構臺車進行精簡改造,使盾構不損失性能情況下完成整體始發(fā)與掘進。趙旭[11]探討了盾構后配套拖車縮徑一次始發(fā)技術,并在工程應用中進行了驗證。由此可見,盾構臺車的研究多限于科普性介紹、整體設計或簡單的結(jié)構改造,而對于特定工況下臺車力學性能分析的研究仍十分缺乏。為提高盾構掘進機設計質(zhì)量,本文對某地下工程盾構掘進機臺車進行有限元分析,研究其應力與應變變化規(guī)律,驗證臺車設計和布置合理性,確保盾構機施工安全。
某盾構工程盾構施工段長度5 468.54 m,管片內(nèi)徑φ10.5 m,外徑φ11.6 m,管片厚度為0.055 m,環(huán)寬2 m,采用一臺12 m級盾構掘進機施工。隧道最大坡度約5%,最大覆土及最大埋深分別為46 m、79.8 m,最大水土壓力為9.4 bar。盾構掘進機施工地層主要包括淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、細粉砂、中粗砂等。
根據(jù)工程背景,該盾構掘進機臺車主要設計要求如下:
(1)臺車應滿足隧洞最大縱坡要求。
(2)保證臺車整體轉(zhuǎn)彎半徑。
(3)臺車的兩側(cè)要預留通道,方便管線埋設與維修。
(4)臺車下方預留足夠空間,安裝箱體,以便管片運輸車等設施通行。
(5)臺車面施加許用載荷后,剛度和強度滿足設計要求。
根據(jù)臺車設計要求,采用門架式臺車方案,臺車下部空間能滿足車輛通行要求。根據(jù)出渣口位置和臺車上設施布置要求,將臺車數(shù)量設置為4節(jié),并根據(jù)隧道最小水平曲線半徑確定臺車橫截面尺寸。
基于臺車設計圖紙,在SolidWorks中建立臺車三維實體模型,臺車為H型鋼和鋼板焊接而成,建模過程中省略了部分倒角、細微間隙以及其上安置的各類設施。由于2號臺車與3號臺車結(jié)構相似,其上布置的設施差異較小,因此本文僅對1號、2號和4號臺車進行靜力學仿真分析。采用ANSYS有限元軟件[12]對臺車進行仿真分析,采用四面體單元(solid187)對3節(jié)臺車進行網(wǎng)格劃分,1號臺車網(wǎng)格劃分后網(wǎng)格單元總數(shù)為377 126,節(jié)點總數(shù)為724 187;2號臺車網(wǎng)格劃分后網(wǎng)格單元總數(shù)為115 803,節(jié)點總數(shù)為221 370;4號臺車網(wǎng)格劃分后網(wǎng)格單元總數(shù)為285 094,節(jié)點總數(shù)為550 984。
1號臺車加載方案與邊界條件如圖1所示,臺車1樓主要布置泥漿泵、電機和控制臺,在此施加19 953 kg重量;2樓承受主控室42 kg、配電箱740 kg、泥漿攪拌罐22 665 kg以及液壓油箱16 760 kg;3 樓承載休息室2 520 kg、變壓器23 100 kg和風筒1 855 kg。除施加相應設備重量外,為臺車整體施加重量加速度,而約束則施加在底部6個支撐梁上。
圖1 1號臺車加載方案與約束
2號臺車加載方案與邊界條件如圖2所示,約束施加在4個支腿底部,空壓機重量3 453 kg施加在側(cè)邊平臺上,風筒重量763.36 kg施加于頂部,箱涵吊機和箱涵重量施加在吊機軌道,臺車整體施加重力加速度。
4號臺車加載方案與約束如圖3所示,水卷盤3 305 kg和水管導向輪61 kg施加于側(cè)邊平臺,廢水箱4 500 kg、風筒1 121 kg和風機308.46 kg施加于臺車頂部,發(fā)電機重量施加于懸掛平臺,整體施加重力加速度并在4個支腿底部施加約束。
圖2 2號臺車加載方案與約束
圖3 4號臺車加載方案與約束
1號臺車力學性能分析結(jié)果如圖4所示。應力較大區(qū)域出現(xiàn)在平臺與支撐梁連接位置,最大應力出現(xiàn)在1樓平臺與中間支撐梁連接處,達到109.37 MPa,這是由于建模時簡化模型,忽略了圓角、倒角,導致了此處出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象。最大應力小于材料的屈服極限235 MPa,安全系數(shù)為2.15。1號臺車其他位置應力值均較小,安全性較高。
圖4 1號臺車應力云圖
圖5為1號臺車變形云圖,從圖中可以看出,1號臺車應變量呈現(xiàn)中間變形大,兩邊逐漸減小的趨勢,3樓與2樓的變形量顯著大于1樓,這與臺車支撐和加載形式相符。靜力作用下變形最大的位置出現(xiàn)在2樓平臺中間邊緣處,最大變形量為7.356 9 mm。
圖5 1號臺車變形云圖
對2號臺車進行力學性能分析,如圖6所示,2號臺車上應力較大區(qū)域集中在支撐梁處,可見2號臺車的布置方式使支撐梁承載較大,最大應力出現(xiàn)在導軌與支撐梁的連接處,達到45.049 MPa,遠小于材料的屈服極限235 MPa,安全系數(shù)為5.22。2號臺車其他位置應力值均較小,有充足的安全余量。
圖7為2號臺車變形云圖,由圖可知,2號臺車應變量較大區(qū)域集中在臺車上部,并且呈現(xiàn)中間變形大兩邊變形小趨勢。由于頂部中心區(qū)域支撐梁為懸空設計,其上加載了風筒重量,在靜力作用下變形最大的位置出現(xiàn)在頂部中心支撐梁處,最大變形量為1.341 5 mm。
圖6 2號臺車應力云圖
圖7 2號臺車變形云圖
4號臺車的力學性能分析如圖8所示,應力較大區(qū)域出現(xiàn)在支撐梁、側(cè)邊加強筋板、臺車頂部筋板處,最大應力出現(xiàn)在行走架與支撐梁的連接處,達到81.984 MPa,小于材料的屈服極限235 MPa,安全系數(shù)為2.87。臺車其余部位應力值均小于9 MPa,說明4號臺車強度滿足設計要求。
圖8 4號臺車應力云圖
圖9為4號臺車變形云圖,從圖中可以看出,在靜力作用下變形最大的位置出現(xiàn)在行走架中間邊緣處,最大變形量為5.867 4 mm,此外臺車頂部中心區(qū)域由于設計距離較長且無支撐結(jié)構,其變形量也較大。
圖9 4號臺車變形云圖
總結(jié)上述臺車有限元分析結(jié)果如表1所示。由表可知,1號臺車的最大應力值和最大變形量在所有臺車中最大,其安全系數(shù)相應最低,而2號臺車應力值和變形量最小,安全系數(shù)最高,這與2號臺車橫向尺寸較小并且其上的設備安放布局較合理相關。臺車總體設計滿足強度剛度要求,若追求更小的變形量,可對1號臺車與3號臺車結(jié)構和設施布置進一步優(yōu)化。
表1 臺車應力應變值
由仿真分析結(jié)果可知,該盾構臺車布置較為合理,最大等效應力及最大變形均較小,在強度和剛度上基本滿足設計要求。按照設計圖紙,對臺車進行加工制造。后續(xù)施工發(fā)現(xiàn),該臺車結(jié)構簡單,操作方便,投入使用后,現(xiàn)場施工合理,可實現(xiàn)施工與運輸互不干擾,在箱涵及管片拼裝、工序銜接、結(jié)構強度等方面體現(xiàn)出一定優(yōu)勢,施工過程中未出現(xiàn)明顯變形現(xiàn)象。
本文以某盾構施工工程為研究背景,采用SolidWorks建立該工程盾構掘進機臺車三維模型,應用ANSYS仿真軟件對臺車進行有限元分析,得到1號、2號和4號臺車應力及應變分布規(guī)律。仿真結(jié)果表明1號臺車應力值和變形量最大,4號臺車次之,2號臺車最小,因而2號臺車安全性最高。臺車整體應變值和變形量較小,強度和剛度基本滿足設計施工要求,后續(xù)實際施工過程中臺車表現(xiàn)出優(yōu)異的使用性能,驗證了仿真結(jié)果。本文有限元仿真分析可為盾構臺車設計和設施優(yōu)化布置提供重要參考。