李林 王平 楊軍

(中鐵十九局集團第五工程有限公司 遼寧大連 116000)

1 引言

目前，隧道襯砌施工由過去的手工操作走向綜合機械化，提高隧道襯砌質量和工作效率是施工的第一要點。

一些專家學者進行隧道襯砌臺車方面的研究，并取得豐富成果。劉文武[1]等提出一種臺車的特別設計解決了止水帶施工問題。龔成明[2]等通過注入高流動性微膨脹早強速凝充填砂漿對傳統(tǒng)隧道襯砌臺車進行改造。李華[3]通過有限元軟件對無骨架臺車進行結構受力分析并匯總材料數據，提出鉸接式臺車方案。姬海東[4]等研制出一款可帶壓澆筑的新型隧道數字化襯砌臺車。陳文義[5]等提出以襯砌施工信息為基礎的襯砌病害控制方法，提高了襯砌施工質量。此外，諸多專家學者研發(fā)了一些新型智能控制臺車、檢測臺車等[6－8]。

本文采用Ansys有限元分析軟件對隧道襯砌臺車進行分析優(yōu)化，以達到節(jié)省原材料、降低制造成本的目的[9－12]。

2 技術要求及變截面隧道襯砌臺車設計

2.1 技術要求

變截面隧道截面幾何尺寸不等，有些甚至相差較大，對隧道襯砌臺車提出更高要求。變截面隧道進行二次襯砌時所使用的隧道襯砌臺車需滿足以下要求:

(1)隧道襯砌臺車在隧道截面發(fā)生變化時可以輕松切換，并且操作簡單。

(2)臺車在多次尺寸轉換條件下，其強度、剛度以及穩(wěn)定性不發(fā)生明顯降低。

(3)隧道襯砌臺車輸送混凝土的效率要保持穩(wěn)定，以防止發(fā)生跑臺的情況。

針對以上幾點，在隧道工程施工中常用到的液壓頂推移動襯砌臺車無法滿足，需設計一種新型隧道襯砌臺車來適應變截面隧道。臺車襯砌頂模板長度為12 m，適用于寬度8 m、高度7 m的隧道。

頂模板襯砌長度:L＝12 m；

門架榀數:k＝6；

頂模板厚度:10 mm；

爬行能力:4%；

行走速度:8 m/min；

總功率:22.5 kW(行走電機7.5 kW×2＝15 kW，油泵電機7.5 kW)；

液壓系統(tǒng)壓力:Pmqx＝16 MPa；

模板單邊脫模量:Amin＝150；

水平油缸左右調整量:Bmax＝100 mm；

頂升油缸行程:300 mm；

水平油缸行程:250 mm；

襯砌厚度:400 mm；

隧道襯砌臺車頂模板外部弧長:L1＝8.7 m。

2.2 變截面襯砌臺車設計

為設計此類隧道變截面襯砌臺車，特設計一種伸縮桿件，在需要小幅度改變隧道襯砌臺車尺寸時使用，由厚度10 mm、直徑108 mm的鋼管構成主體結構。變截面襯砌臺車如圖1所示。

圖1 隧道變截面襯砌臺車斷面

當伸縮桿伸長量達到最大仍未滿足尺寸要求，需大幅改變隧道襯砌臺車尺寸時，便需對變截面襯砌臺車進行切換，總體加寬，具體步驟如下:

(1)切換前隧道變截面襯砌臺車如圖2所示，由左右兩部分組合而成。

圖2 切換前變截面襯砌臺車

(2)將模板和門架臨時托起，在其下方臨時墊放鋼塊，保持模板以及門架穩(wěn)定，為之后操作打下基礎；鋼軌由豎向調整為橫向，將模板與門架下方車輪旋轉90°。

(3)在主橫梁上加設臨時可移動立柱，連接電動控制裝置及下方橫向鋼軌，如圖3所示。

圖3 安裝臨時可移動立柱

(4)將模板、門架連接回車輪，操作移動系統(tǒng)，將臺車左右部分分別移動至工作位置，中間預留可用于安裝加寬塊位置。

(5)在臺車中間安裝加寬塊，各連接位置要保證連接質量，如圖4所示。

圖4 安裝加寬塊

(6)拆除臨時立柱，隧道襯砌臺車切換完成。

3 隧道襯砌臺車荷載計算與數值模擬

3.1 頂模板荷載計算

進行荷載計算時，工況主要有兩種:工作工況及非工作工況。工作工況以其承受的最大荷載為計算分析依據，非工作工況荷載為自重，由于自重較小，可忽略。本隧道變截面襯砌臺車承受荷載主要有三種，分別為:混凝土自重、輸送泵壓力以及注漿口封口處的壓力。

(1)混凝土自重

假定臺車上方混凝土自重全部由頂模板承擔?；炷烈r砌厚度δ＝400 mm，混凝土密度ρ＝2.45 t/m3。

混凝土自重:

單位面荷載:

(2)混凝土澆筑所產生荷載

通過查閱文獻取混凝土澆筑影響壓力μ＝46.06 kPa。

則混凝土澆筑時產生荷載:

單位面荷載:

(3)頂模板總荷載

總單位面荷載:

3.2 門架荷載計算

(1)門架主橫梁荷載計算

模型頂模板承受總荷載W＝583.2 t，則:

式中:n為隧道襯砌臺車豎向千斤頂個數；F為每榀門架主橫梁所承受的面荷載；W為頂模板承受荷載；g為自重加速度。

(2)門架主豎梁荷載計算

邊模板弧長L2＝3 m。

邊模板水平荷載:

因此，每個水平千斤頂所受荷載為:

式中:n為隧道襯砌臺車單邊豎向千斤頂組數。

3.3 頂模板模型分析

(1)頂模板模型網格劃分

頂模板模型網格劃分采用六面體劃分法，單元類型為20節(jié)點六面體以及10節(jié)點四面體。設定單元尺寸為30 mm，選取劃分場為物理場，最終劃分出430 070個節(jié)點以及139 669個單元。

(2)頂模板荷載、邊界條件施加

頂模板施加荷載分別為面荷載、自重，約束條件為接觸面約束。

(3)模型受力分析

對施加荷載以及邊界條件下的頂模板模型進行分析，位移云圖以及應力云圖如圖5所示。

圖5 頂模板位移和應力云圖

由位移云圖可知，最大位移量為0.244 65 mm，出現在頂模板頂部中間區(qū)域，遠小于設計要求的10 mm；由應力云圖可知，最大應力值為27.996 MPa，遠小于材料Q345的許用應力170 MPa。

3.4 門架模型分析

(1)門架模型建立

各構件初步采用方案如下:主橫梁采用窄翼緣HN700×300型鋼，主豎梁采用窄翼緣HN450×200型鋼，斜撐桿采用 25b型鋼，橫撐桿采用 20a型鋼，其主要參數如表1所示。

表1 各構件截面參數

模型采取八字門架構造方法，主橫梁正上方兩側各布置1個千斤頂，主豎梁每側布置4組千斤頂，模型簡化后如圖6所示。

圖6 門架模型

(2)門架網格劃分

型鋼材料為Q345，密度σ＝7 850 kg/m3，彈性模量E＝2.1×105MPa，泊松比μ＝0.30。選擇關聯mesh板塊，最終劃分出133 717個節(jié)點及24 333個實體單元。

(3)門架荷載施加

臺車主橫梁上豎向千斤頂傳遞476.28 kN的荷載，主豎梁上千斤頂傳遞荷載為69.09 kN。

(4)門架受力分析

門架位移云圖、應力云圖如圖7所示。

圖7 門架位移和應力云圖

門架最大位移量為0.693 24 mm，遠小于設計要求的10 mm；最大應力值為151.56 MPa，遠小于材料Q345的許用應力170 MPa。

4 隧道襯砌臺車模型參數化優(yōu)化

4.1 參數化優(yōu)化概念

利用Ansys進行參數化優(yōu)化，主要由3個元素構成，分別為設計變量、目標函數以及約束條件。

(1)設計變量

設計變量的總體為1組變量，可以表示為1個列向量。主橫梁截面圖和主豎梁截面圖如圖8所示。

圖8 主橫梁和主豎梁截面(單位:mm)

針對門架的參數化優(yōu)化，將圖8兩截面參數分別設置為設計變量，并對該部分進行參數優(yōu)化，而橫撐梁以及斜撐梁保持不變。

(2)約束條件

約束條件是指對設計變量的變化加以約束，根據約束性質可以分為性能約束和側面約束兩大類。本文的約束條件為型鋼的選型，具體方案根據優(yōu)化結果選取。

(3)目標函數

根據實際工程以及規(guī)范要求，其目標函數如下:

式中:Q1為隧道變截面襯砌臺車頂模板重量；Q2為隧道變截面襯砌臺車單榀門架重量；Q為隧道變截面襯砌臺車總重量；N為隧道變截面襯砌臺車榀數；σmax為最大應力；[σ]為材料Q345許用應力，170 MPa；Smax為最大位移量；S為容許位移量，10 mm。

4.2 門架參數化優(yōu)化

主橫梁寬度上下限設定為200～300 mm，高度上下限設定為400～700 mm；主豎梁寬度上下限設定為100～200 mm，高度上下限設定為200～450 mm。在152組數據中，只有第7組以及第10組符合設計要求。第7組數據計算結果:位移最大值為0.812 99 mm，應力最大值為165.29 MPa；第10組數據計算結果:位移最大值為0.817 4 mm，應力最大值為164.3 MPa；其余150組數據中位移全部滿足設計要求，但應力值全部高于材料Q345許用應力170 MPa。

第7組:通過優(yōu)化最終得出主橫梁與主豎梁幾何尺寸，結合型鋼規(guī)范得出最終優(yōu)化結果。優(yōu)化后主橫梁采用HM450×300型鋼，主豎梁采用HN350×175型鋼，具體參數如表2所示。

表2 第7組優(yōu)化后主橫梁、主豎梁參數

主橫梁與主豎梁長度不變，分別為4.5 m、3 m。經計算，主橫梁與主豎梁優(yōu)化前重量為1 043.7 kg，優(yōu)化后重量為668.1 kg，共計優(yōu)化36%。

第10組:通過優(yōu)化最終得出主橫梁與主豎梁幾何尺寸，優(yōu)化后主橫梁采用HM550×300型鋼，主豎梁采用HN350×175型鋼，具體參數如表3所示。

表3 第10組優(yōu)化后主橫梁、主豎梁參數

經計算，主橫梁與主豎梁優(yōu)化后重量為645.6 kg，較優(yōu)化前相比降低38.1%。

5 結論

(1)設計一種新型隧道變截面襯砌臺車，當隧道截面變化不大時，使用伸縮桿件，當隧道截面變化較大時，需要對臺車進行切換。

(2)結合臺車受力特點以及施工工況計算出隧道襯砌臺車受力后，使用Solid Works建模軟件對門架進行簡化建模計算，門架總位移量為0.693 24 mm，應力最大值為151.56 MPa；使用Space Claim對頂模板進行建模，施加荷載以及邊界條件后，得出分析結果，總位移量為0.244 65 mm，應力最大值為27.996 MPa。

(3)對門架進行參數化優(yōu)化，最終選定第10組數據結果為最優(yōu)，可為門架主橫梁以及主豎梁節(jié)省38%的材料。