曹 亞 奇, 游 進(jìn), 歐 陽 天 一, 馮 科 軍, 肖 超, 王 樹 英

(1.中建五局土木工程有限公司,湖南 長沙 410004;2.中南大學(xué)土木工程學(xué)院,湖南 長沙 410075)

0 引 言

目前,在山地城市大縱坡盾構(gòu)隧道施工中,一般采用傳統(tǒng)的有軌運(yùn)輸出渣方式,該出渣方式在長距離大縱坡的隧道施工中存在著極大的風(fēng)險(xiǎn)[1-2]。另一方面,由于施工體量大、隧道環(huán)境潮濕復(fù)雜、軌道安裝精準(zhǔn)性低、施工作業(yè)人員密集、災(zāi)害鏈發(fā)生的嚴(yán)重性和隨機(jī)性等問題,長距離隧道施工過程中常常需要投入大量精力進(jìn)行現(xiàn)場安全技術(shù)管理[3-4]。目前,常規(guī)城市地鐵盾構(gòu)隧道出渣方式絕大部分采用運(yùn)渣車出渣形式,但由于項(xiàng)目施工效率要求越來越高,而制約隧道施工進(jìn)度的主要因素之一就是運(yùn)渣車出渣速度太慢,且在長距離大縱坡隧道內(nèi)極易出現(xiàn)有軌運(yùn)輸溜車、打滑現(xiàn)象[5-6]。因此,有必要對(duì)連續(xù)皮帶機(jī)在山地城市大縱坡盾構(gòu)隧道施工中的運(yùn)行狀況進(jìn)行研究,為工程實(shí)踐提供科學(xué)依據(jù)。

王智遠(yuǎn)和伍智勇[7]以遼寧省大伙房水庫輸水一期工程為例,對(duì)隧道連續(xù)皮帶機(jī)中皮帶的帶寬、材質(zhì)等參數(shù)選擇進(jìn)行詳細(xì)介紹,然后從連續(xù)皮帶機(jī)系統(tǒng)組成、工作原理、結(jié)構(gòu)型式及使用方法等方面進(jìn)行闡述,并對(duì)連續(xù)皮帶機(jī)使用過程中需注意的問題及解決辦法進(jìn)行了總結(jié)。齊夢學(xué)[8]研究了龍門吊垂直提升石渣對(duì)雙護(hù)盾TBM施工效率的影響,調(diào)研了相關(guān)行業(yè)的物料垂直提升方法,從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和工期等方面分析了龍門吊與垂直皮帶機(jī)出渣的差異。齊春杰[9]采用了集渣土改良、出渣量控制和與掘進(jìn)同步進(jìn)行的渣土篩分改良及連續(xù)皮帶出渣系統(tǒng),通過現(xiàn)場出渣情況的記錄、分析及調(diào)整,得到了適合大直徑、長距離土壓平衡盾構(gòu)隧道施工的出渣系統(tǒng)。賈丁等[10]依托成都地鐵18號(hào)線盾構(gòu)隧道工程,對(duì)連續(xù)皮帶機(jī)出渣系統(tǒng)進(jìn)行探討,分析其基本組成并進(jìn)行了工程參數(shù)計(jì)算,通過計(jì)算皮帶張力分析了驅(qū)動(dòng)布置形式和鋪設(shè)長度對(duì)安全系數(shù)的影響。呂勇方[11]研究了在深埋盾構(gòu)隧道施工中使用連續(xù)皮帶機(jī)的可行性和優(yōu)勢,通過分析傳統(tǒng)隧道施工的不足之處,介紹了連續(xù)皮帶機(jī)在施工中的應(yīng)用情況,并探討了其對(duì)施工效率、施工質(zhì)量和工作環(huán)境等方面的影響。楊志勇等[12]以北京地鐵新機(jī)場線一期工程為背景,選取盾構(gòu)渣土運(yùn)輸方式不同的兩相鄰盾構(gòu)區(qū)間,建立了土壓平衡盾構(gòu)施工物料及渣土運(yùn)輸模型,對(duì)有軌運(yùn)輸系統(tǒng)和皮帶輸送機(jī)系統(tǒng)兩種運(yùn)輸方式進(jìn)行了對(duì)比分析。梁國寶和管會(huì)生[13]通過解決移動(dòng)皮帶機(jī)穿越仰拱施工區(qū)的問題,結(jié)合國內(nèi)已有的皮帶機(jī)連續(xù)出渣技術(shù),提出了一種適用于鉆爆法施工的長大隧道皮帶機(jī)連續(xù)出渣系統(tǒng),并討論了該系統(tǒng)所需設(shè)備及其工作過程。

筆者旨在利用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)隧道渣土連續(xù)皮帶機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)分析,研究其應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布規(guī)律,總結(jié)連續(xù)皮帶機(jī)的現(xiàn)場應(yīng)用效果。首先介紹了依托項(xiàng)目的工程概況,然后建立了連續(xù)皮帶機(jī)的三維有限元模型,并對(duì)其進(jìn)行了網(wǎng)格劃分、材料屬性賦值、載荷施加和邊界條件設(shè)置等前處理操作;接著采用隱式求解方案對(duì)模型進(jìn)行求解,并對(duì)求解結(jié)果進(jìn)行后處理分析,得到了連續(xù)皮帶機(jī)在不同工況下的應(yīng)力應(yīng)變云圖、最大應(yīng)力位置和值等信息,最后對(duì)連續(xù)皮帶機(jī)的現(xiàn)場應(yīng)用效果進(jìn)行總結(jié)。

1 工程概況

重慶軌道交通5號(hào)線北延伸段中央公園西站～椿萱大道站區(qū)間(以下簡稱中～椿區(qū)間)掘進(jìn)長度為1 110.711 m,最小曲線半徑2 000 m,最大縱坡38.07‰,長270 m,占掘進(jìn)長度24.21%。頂部覆土19.1～33.2 m,區(qū)間約401 m位于回填土地層中。左線盾構(gòu)1 095.304 m,右線盾構(gòu)1 095.304 m。中～椿區(qū)間最大縱坡大于38‰,盾構(gòu)掘進(jìn)過程容易栽頭,電瓶車運(yùn)輸渣土容易溜車,不控制好很有可能會(huì)造成嚴(yán)重事故。

區(qū)間采用連續(xù)帶式輸送機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行出渣,盾構(gòu)掘進(jìn)渣土從后配套連續(xù)皮帶機(jī)尾部轉(zhuǎn)運(yùn)到長距離連續(xù)帶式輸送機(jī),由長距離連續(xù)帶式輸送機(jī)輸送到隧道外的渣場。隧道帶式輸送機(jī)尾部安裝在后配套臺(tái)車上并裝有液壓缸,用于調(diào)整帶式輸送機(jī)上下、左右和傾斜方向的跑偏[14]。采用三角支架和管片螺栓將連續(xù)帶式輸送機(jī)固定在隧道下部,隧道內(nèi)連續(xù)皮帶機(jī)布置示意圖見圖1[15]。

圖1 隧道內(nèi)連續(xù)皮帶機(jī)布置示意圖

2 模型建立

有限元分析軟件ABAQUS中的常用單位制見表1,該數(shù)值模擬中采用mm單位制。皮帶機(jī)由輸送帶、托輥和支架三部分組成,在建立數(shù)值模型時(shí),輸送帶、托輥和支架均設(shè)置為彈性材料,輸送帶和托輥通過實(shí)體單元建立,支架通過殼單元進(jìn)行模擬,皮帶機(jī)各部分材料參數(shù)見表2。支架為空心殼體,底部橫桿寬1 000 mm,兩側(cè)立臂高300 mm,支架厚度為20 mm,托輥為空心圓柱,圓柱內(nèi)徑為50 mm,外徑為100 mm,托輥長度為200 mm,輸送帶厚度為20 mm。重慶項(xiàng)目皮帶機(jī)兩相鄰支架之間的距離為800 mm,由于皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,輸送帶在兩支架外側(cè)各延長400 mm。因此,數(shù)值模型中的輸送帶長度為1 600 mm。由于該數(shù)值模擬目的是對(duì)皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析,不考慮托輥轉(zhuǎn)動(dòng)情況,因此,在托輥與支架之間建立綁定約束。同時(shí),為模擬輸送帶與托輥之間相互作用,在兩者之間建立有限滑移接觸,切向特性設(shè)置為庫倫摩擦,摩擦系數(shù)為0.3,法向特性設(shè)置為硬接觸并允許接觸后發(fā)生分離。為模擬皮帶運(yùn)輸渣土?xí)r所受荷載,設(shè)置模型邊界條件為:固定兩支架底端及輸送帶兩側(cè),在輸送帶中間面上施加10 kPa應(yīng)力,在輸送帶兩側(cè)面的下半部分各施加6 kPa應(yīng)力。同時(shí),對(duì)模型施加豎直向下的重力加速度,大小為10 m/s2。連續(xù)皮帶機(jī)的三維有限元模型見圖2。

表1 ABAQUS中常用單位制

表2 皮帶機(jī)各部分材料參數(shù)

圖2 連續(xù)皮帶機(jī)三維有限元模型

3 結(jié)果分析

3.1 應(yīng)力

圖3為數(shù)值模擬得到的連續(xù)皮帶機(jī)應(yīng)力云圖,其中:圖3(a)、圖3(b)分別為皮帶機(jī)整體和支架+托輥的應(yīng)力云圖。由圖3可以看出:輸送帶兩端和中部位置處的應(yīng)力較大,支架與托輥連接處易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,實(shí)際工程中應(yīng)采取增加托輥密度或?qū)ν休亙?nèi)側(cè)進(jìn)行曲面設(shè)計(jì)等方式減小連接處的應(yīng)力集中現(xiàn)象,從而確保整個(gè)皮帶機(jī)在長時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)行條件下的穩(wěn)定性和可靠性。

(a) 應(yīng)力云圖(整體) (b) 應(yīng)力云圖(支架+托輥)

為更準(zhǔn)確獲取不同位置處的應(yīng)力、應(yīng)變和位移變化曲線,設(shè)置三個(gè)截面并對(duì)各截面的應(yīng)力、應(yīng)變和位移特征進(jìn)行提取,其中:A-A截面位于輸送帶中部且與Z軸(即輸送帶縱向,見圖3中坐標(biāo)軸標(biāo)注)垂直,B-B截面位于支架中部且與Z軸垂直,C-C截面位于輸送帶中部且與X軸(即輸送帶橫向,見圖3中坐標(biāo)軸標(biāo)注)垂直。

圖4為連續(xù)皮帶機(jī)不同截面應(yīng)力曲線圖,其中:圖4(a)為A-A截面輸送帶應(yīng)力曲線圖,圖4(b)為B-B截面支架應(yīng)力曲線圖,圖4(c)為C-C截面輸送帶應(yīng)力曲線圖,圖4(d)為B-B截面輸送帶應(yīng)力曲線圖。由圖4可以看出:A-A截面上的輸送帶最大應(yīng)力為0.22 MPa,位于截面兩端,最小應(yīng)力為0.14 MPa,位于截面中部;B-B截面上的支架最大應(yīng)力為0.9 MPa,位于中間托輥與支架連接處,兩側(cè)托輥與支架連接處的最大應(yīng)力為0.6 MPa,托輥與支架連接處呈現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象;C-C截面最大應(yīng)力為0.11 MPa,位于距兩端0.1 m處,輸送帶中部應(yīng)力為0.09 MPa。兩者之間的差別可能是由于邊界條件的設(shè)置,導(dǎo)致兩端應(yīng)力偏大,C-C截面的最小應(yīng)力為0.02 MPa,位于距兩端0.4 m(即支架所在位置)處,較輸送帶中部應(yīng)力減小約78%,表明支架可以有效為輸送帶提供支撐,減小輸送帶自身應(yīng)力;B-B截面上的輸送帶最大應(yīng)力為0.11 MPa,位于距兩端0.2 m(即兩側(cè)托輥與支架連接位置)處,輸送帶中部應(yīng)力為0.03 MPa。

圖4 連續(xù)皮帶機(jī)不同截面應(yīng)力曲線圖

3.2 應(yīng)變

圖5為通過數(shù)值模擬方法得到的連續(xù)皮帶機(jī)應(yīng)變云圖。其中,圖5(a)展示了皮帶機(jī)整體結(jié)構(gòu)的應(yīng)變云圖,能夠直觀地反映整個(gè)皮帶機(jī)在工作過程中的應(yīng)力分布情況。圖5(b)則重點(diǎn)關(guān)注了支架和托輥部分的應(yīng)變云圖,這些部件在皮帶機(jī)中承受了較大的荷載,因此對(duì)其應(yīng)變分析尤為關(guān)鍵。由圖5可以看出:輸送帶兩端和中部位置的應(yīng)變較大,這可能是由于輸送帶的兩端和中部位置在傳輸過程中受到的載荷分布不均勻。

(a) 應(yīng)變云圖(整體) (b) 應(yīng)變云圖(支架+托輥)

圖6為連續(xù)皮帶機(jī)不同截面應(yīng)變曲線圖,其中:圖6(a)為A-A截面輸送帶應(yīng)變曲線圖,圖6(b)為B-B截面支架應(yīng)變曲線圖,圖6(c)為C-C截面輸送帶應(yīng)變曲線圖,圖6(d)為B-B截面輸送帶應(yīng)變曲線圖。由圖6可以看出:C-C截面上的輸送帶最大應(yīng)變?yōu)?.2×10-4,位于截面兩端,最小應(yīng)變約為0.15,位于截面中部0.05～0.65 m范圍內(nèi);B-B截面上的支架最大應(yīng)變?yōu)?×10-4,位于中間托輥與支架連接處,中間托輥的應(yīng)變約為1.5×10-4,兩側(cè)托輥的應(yīng)變基本為0,表明中間托輥與支架連接處易發(fā)生結(jié)構(gòu)失效;C-C截面上的輸送帶最大應(yīng)變位于輸送帶中部,約為3.1×10-4,最小應(yīng)變?yōu)?×10-5,位于距截面兩端0.4 m(即支架所在位置)處;B-B截面上的輸送帶最大應(yīng)變?yōu)?.9×10-4,位于距截面兩端0.2 m(即兩側(cè)托輥與支架連接位置)處,輸送帶中部應(yīng)變約為8×10-5,相較兩側(cè)托輥與支架連接處應(yīng)變減小約72%。

圖6 連續(xù)皮帶機(jī)不同截面應(yīng)變曲線圖

3.3 位移

圖7為數(shù)值模擬得到的連續(xù)皮帶機(jī)位移云圖,其中,圖7(a)、圖7(b)分別為皮帶機(jī)整體和“支架+托輥”的位移云圖。由圖7可以看出:輸送帶在兩端和中部位置處的位移較大,這可能是輸送帶在兩端和中部位置處受到的載荷較大,導(dǎo)致皮帶在運(yùn)行過程中發(fā)生彎曲和伸縮。為了在實(shí)際工程中避免這種情況,可以采取以下措施:(1)減小相鄰支架之間的距離。這將有助于提高皮帶機(jī)的整體剛度,降低位移,從而減少渣土在運(yùn)輸過程中的掉落風(fēng)險(xiǎn)。(2)優(yōu)化托輥布置。合理布置托輥可以平衡載荷分布,避免局部過大的位移。例如,可以在位移較大的區(qū)域增加托輥的密度,以提高支撐能力。(3)選用高強(qiáng)度、高剛度的輸送帶材料。選用性能優(yōu)良的輸送帶可以減小位移,提高運(yùn)輸穩(wěn)定性,從而降低渣土掉落的風(fēng)險(xiǎn)。(4)增加皮帶機(jī)的防滑設(shè)施。例如,在輸送帶兩側(cè)增設(shè)防護(hù)擋板,以防止因位移過大而導(dǎo)致的渣土掉落。

(a) 位移云圖(整體) (b) 位移云圖(支架+托輥)

圖8為連續(xù)皮帶機(jī)不同截面位移曲線圖,其中:圖8(a)為A-A截面輸送帶位移曲線圖,圖8(b)為B-B截面支架位移曲線圖,圖8(c)為C-C截面輸送帶位移曲線圖,圖8(d)為B-B截面輸送帶位移曲線圖。由圖8可以看出:A-A截面輸送帶最大位移為4.8 cm,位于截面兩端,最小位移位于截面中部0.05～0.65 m范圍內(nèi);B-B截面上的支架最大位移為0.23 cm,位于截面中部,最小位移位于截面兩端,為0.12 cm;C-C截面上的輸送帶最大位移約為0.7 cm,位于距截面兩端0.3 m處,輸送帶中部位移約為0.4 cm,距截面兩端0.4 m(即支架所在位置)處位移約為0.3 cm,相較輸送帶中部減小約25%,支架對(duì)輸送帶的位移限制作用較為明顯;B-B截面上的輸送帶最大位移為0.26 cm,位于輸送帶中部位置處,在兩側(cè)托輥與中間托輥之間位置處,輸送帶位移產(chǎn)生先減小后增大的趨勢,可能是兩側(cè)托輥對(duì)輸送帶的支撐作用導(dǎo)致輸送帶自身產(chǎn)生翹曲而使位移增大。

圖8 連續(xù)皮帶機(jī)不同截面位移曲線圖

4 現(xiàn)場實(shí)施效果

對(duì)皮帶機(jī)的現(xiàn)場實(shí)施效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),共統(tǒng)計(jì)了2020年6月、7月、9月和10月的盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)尺。其中6月和7月采用傳統(tǒng)渣土車運(yùn)輸方式進(jìn)行出渣,9月和10月采用連續(xù)皮帶機(jī)方式進(jìn)行出渣。采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣方式時(shí)的日平均進(jìn)尺和日最高進(jìn)尺相比渣土車出渣方式均有較大提高,盾構(gòu)掘進(jìn)效率得到了很大的提高,單月掘進(jìn)進(jìn)尺超過400.0 m,為渣土車出渣方式的2～3倍,日最高進(jìn)尺達(dá)到21.6 m,比渣土車出土日最高進(jìn)尺高出12.6 m。盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)表見表3。

表3 盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)表

圖9為不同月份盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)尺柱狀圖,由圖9可以看出:6月份和7月份采用渣土車出渣,單日的掘進(jìn)進(jìn)尺均小于10 m,9月份和10月份采用連續(xù)皮帶機(jī)方式出渣,單日掘進(jìn)進(jìn)尺基本位于10 m以上,掘進(jìn)效率相比渣土車出渣方式有較大提高。

(a) 6月份掘進(jìn)進(jìn)尺 (b) 7月份掘進(jìn)進(jìn)尺

5 結(jié) 語

筆者采用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)隧道渣土連續(xù)皮帶機(jī)進(jìn)行了靜力學(xué)分析,研究其應(yīng)力、應(yīng)變和位移分布規(guī)律,總結(jié)了連續(xù)皮帶機(jī)在重慶地鐵5號(hào)線北延長線的現(xiàn)場應(yīng)用效果,主要結(jié)論如下:

(1) 輸送帶兩端和中部位置處的應(yīng)力、應(yīng)變和位移較大,實(shí)際工程中可減小相鄰支架之間距離以避免輸送帶運(yùn)輸渣土過程中產(chǎn)生較大位移而使渣土掉落。另一方面,支架與托輥連接處易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,實(shí)際工程中應(yīng)采取對(duì)托輥內(nèi)側(cè)進(jìn)行曲面設(shè)計(jì)等方式減小連接處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2) 支架所在位置處的輸送帶應(yīng)力和位移相較輸送帶中部分別減小約78%和25%,表明支架可以有效為輸送帶提供支撐,減小輸送帶自身應(yīng)力,限制輸送帶位移。另一方面,在兩側(cè)托輥與中間托輥之間位置處,輸送帶位移產(chǎn)生先減小后增大的趨勢,可能是兩側(cè)托輥對(duì)輸送帶的支撐作用導(dǎo)致輸送帶自身產(chǎn)生翹曲而使位移增大。

(3) 對(duì)皮帶機(jī)的現(xiàn)場實(shí)施效果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果表明:采用連續(xù)皮帶機(jī)出渣方式時(shí)的日平均進(jìn)尺和日最高進(jìn)尺相比渣土車出渣方式均有較大提高,盾構(gòu)掘進(jìn)效率得到了很大的提高。