基于圖算法的盾構殼體設計及其應用研究

梁興生， 周斌， 彭正陽

（中國鐵建重工集團有限公司，長沙410100）

基于圖算法的盾構殼體設計及其應用研究

梁興生， 周斌， 彭正陽

（中國鐵建重工集團有限公司，長沙410100）

簡述了圖算法的理論產生基礎，在受外壓圓筒設計計算時避免了使用傳統繁瑣的解析法；對土壓平衡盾構的工作原理及結構作了簡要描述。根據土壓平衡盾構盾殼作為受外壓的圓筒，承受徑向外壓不受軸向外壓的特點，以目前盾構殼體設計計算經驗公式計算理論為切入點，引入圖算法來校核經驗公式設計計算結果的正確有效性，并相互比較，對比出盾構殼體設計計算中，圖算法對受外壓殼體的設計與分析能夠有效提高盾構殼體結構設計的直觀性和準確性，并達到了較好的設計效果。

圖算法；經驗公式；土壓平衡盾構；筒體

1 圖算法的理論產生基礎

受外壓的圓筒設計，根據其穩定性分析，為計算筒體的許用外壓力，首先必須假設圓筒的名義厚度，計算有效厚度，求出臨界長度，將圓筒的外壓計算長度與臨界長度進行比較，判斷是否屬于長圓筒或短圓筒，然后根據類型，選用相應的計算公式計算臨界壓力，再選取合適的穩定性安全系數，計算許用外壓，比較設計壓力臨界壓力的大小。若設計壓力小于或等于臨界壓力或較為接近，則假設的名義厚度符合要求；否則應重新假設名義厚度，重復以上步驟，直到滿足要求為止。上述過程為解析法求取外壓容器的許用壓力的設計步驟，是一個反復試算過程，較為繁瑣，且效率低下，缺陷明顯。為避免解析法的設計不足，目前，各國設計規范均推薦采用圖算法來設計計算受外壓圓筒，但從未有學者引用過圖算法計算方法來設計盾構殼體。

2 土壓平衡盾構簡介

2.1 土壓平衡盾構原理與結構

土壓平衡盾構就是在盾構開挖時，利用土倉內的土壓或加注輔助材料產生的壓力來平衡開挖面的土壓及地下水壓力，以避免掌子面坍塌或地層失水過多而引起地表下沉的一種盾構掘進模式的設備。其主要結構由刀盤體、盾體、主軸承、螺栓輸送機、人艙、管片拼裝機、后配套等結構組成。

2.2 盾體結構

盾體即屬于盾構主機，是由前盾、中盾、盾尾、人艙等主要部件組成，盾構殼體主要是指盾體的前盾、中盾、盾尾的外圓筒體。

前盾要承擔主軸承的連接與載荷、與刀盤配合形成的土艙、連接人艙等等。

中盾的H架連接管片拼裝機的行走梁，為管片拼裝機安裝提供固定基礎，并承擔其所有動作的載荷；盾構的推力為中盾中配置的推進油缸產生，且盾構轉彎所需調整盾構姿態的鉸接油缸亦配置在中盾與盾尾的鉸接段，利于轉向。

盾尾鉸接段如上所述，盾尾上布置有注漿板，注漿板承擔管片的注漿和盾尾油脂的輸送。尾部布置有三環盾尾刷形成兩環密封腔，通過注漿板輸送進的油脂進入盾尾刷形成兩環密封腔，具有密封的功能。

人艙主要是在刀盤體刀具磨損需要更換時，人員進出土艙壓力調整的過渡裝置。

3 經驗公式法設計盾構盾體結構

3.1 工程對象參數

某區間設計為單線單洞圓形斷面形式：盾構法施工，盾構機選用土壓平衡盾構機。區間隧道均采用單層襯砌，具體參數如表1。

表1

3.2 設計計算流程

盾體設計計算流程如圖1。

3.3 經驗公式法盾體設計計算［3］

根據結構設計的管片內外徑尺寸，進行盾尾外徑的計算：

圖1 盾體設計計算流程

式中：d為管片外徑（φ6 200 mm）；t為盾殼盾尾厚度；c為盾尾間隙；p為盾尾襯板（常規30 mm）。

1）盾尾間隙C。

圖2 盾尾間隙示意圖

C1為盾構在曲線上施工和轉彎時最小的富裕量；C2為盾尾工作富裕量，一般根據盾構建筑間隙為襯砌外徑的5%～0.8%之間，亦可以取經驗值20～40 mm，主要因為存在著管片制作誤差、拼裝誤差、盾尾自重等因素造成的變形量。

式中：R為隧道最小轉彎半徑，R＝250 m；L為盾尾覆蓋管片安裝時的長，L＝2.42 m。

所以，按式（3）計算結果為6 mm，按式（2）計算結果為36 mm，與經驗值20～40 mm接近，可以取盾尾間隙為30 mm。

2）盾尾厚度t。

盾尾厚度可參考已有的盾構盾尾厚度，或者同類的盾構厚度，在滿足剛度和強度的前提下盡量小。計算盾殼厚度常用經驗公式為：

式中：D為盾構外徑，m。當D＜4 m時，式中第二項為零。

我國采用的盾殼鋼板厚度通常如表2所示。

表2 我國采用的盾殼鋼板厚度

3）盾尾外徑。按式（1）計算結果為6 390 mm。筆者認為，盾構由于其特殊工作方式，通過土艙壓力來平衡掌子面，而從掌子面到盾尾的密封刷之間形成的壓力空間對盾體來言，完全可以理解為盾體是一個受外壓的壓力容器。僅單獨地考慮受土壓的載荷是遠遠不夠的，而應該按受外壓的容器來進行承壓計算，但由于外壓圓筒壁厚的理論計算方法很繁雜，目前各國設計規范均推薦采用圖算法來設計計算受外壓圓筒以確定外壓圓筒的壁厚。其優點是計算方便，理論計算結果為：許用外壓力［p］應等于或大于計算外壓力Pc為合格。

4 圖算法設計盾構盾體結構

預設一個假設的盾尾筒體板厚值δn，并確定盾體的實際長度L；計算臨界長度Lcr，確定是否需要加強筒體;依據δe/D0和L/D，查相應的設計算圖求取臨界應變εcr＝A，然后再查相應的所選材料及設計溫度下的算圖曲線，求出參數B＝2E·ε/3；由式（5）計算許用壓力

比較計算外壓力Pc與許用外壓力［p］，若pc≤［p］且較接近，則假設的名義厚度δn合理，否則應再假設名義厚度，重復上訴步驟直到滿足為止［1］。

上述式中名稱代號如下：δn為盾尾筒體板厚值，mm；D0為圓筒外直徑，mm；Lcr為臨界長度，mm；L為盾體的實際長度，mm；εcr為臨界應變；δe為圓筒的有效厚度，mm；B為系數，查文獻［1］中的圖6-2和圖6-6；A為系數，查文獻［1］中的圖6-2和圖6-6；E為設計溫度下材料的彈性模量，MPa；［p］為許用外壓；pc為計算外壓力。

根據以上圖算法思路進行盾體的計算，假設條件如表3。

表3 盾體計算假設條件

筒體有效壁厚公式

計算結果為δe＝38 mm，則：D0/δe＝98.94，即：D0/δe＞20。

在文獻［1］中的圖6-2中找出L/D0點，將此點沿水平方向右移與D0/δe線相交（遇中間值用內插法），若L/D0＞50，則用L/D0＝50查圖，若L/ D0＜0.05，則用L/D0＝0.05查圖。經查表，系數A＝0.000 875，利用文獻［1］中的圖6-6找到A＝0.000 875對應的點，此點落在材料溫度線的下方。根據所用材料選用圖，在圖的下方找出B＝80 MPa，因A落在材料線的下方，故用式（5）計算，得［p］＝0.080 85 MPa。

因PC＜［p］，符合圖算法要求，即盾體假設最小板厚40 mm滿足工況使用要求。由于盾體的最小板厚40 mm能滿足工況需求，即可以按經驗公式推算出前盾、中盾的板厚及直徑。主要是為減少盾構機的推進時的阻力，將盾構前面部分設計成前部較大，后部較小，且盾尾、中盾、前盾直徑相差10 mm為好。即：

表4 經驗公式法與圖算法對比表

盾尾直徑為：6310+40×2=6 390 mm，中盾直徑為：6390+10=6 400 mm，前盾直徑為：6400+10=6 410 mm。

經驗公式法與圖算法設計計算對比見表4所示。

5 結語

文中首次將壓力容器設計規范中的圖算法設計理論應用到土壓平衡盾構殼體設計計算過程中，結果表明，與傳統的經驗公式計算法相比，該設計與分析方法能夠有效提高盾體結構設計的直觀性和準確性，達到了較好的設計效果。

［1］ GB150-1998鋼制壓力容器［S］.北京：中國標準出版社，1999.

［2］ 管會生.土壓平衡盾構機關鍵參數與力學行為的計算模型研究［D］.成都：西南交通大學，2007.

［3］ 唐經世.掘進機與盾構機［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

［4］ 鄭津洋，董其伍，桑芝.過程設備設計［M］.北京：化學工業出版社，2001.

［5］ 陳饋，洪開榮，吳學松.盾構施工技術［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［6］ 陳韶章，洪開榮.復合底層盾構設計概論［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［7］ 鄭智敏.盾構推進系統設計［J］.隧道建設，2006（4）：84-87.

［8］ 尹旅超，朱振宏，李玉珍，等.日本盾構隧道新技術［M］.武漢：華中理工大學出版社，1999.

（編輯啟 迪）

Application Research on Graphical Technique to Design for the Shield Shell

LIANG Xingsheng， ZHOU Bin， PENG Zhengyang
（China Railway Construction Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha 410100，China）

The generating of binary decision diagram （BDD）Algorithm theory is introduced to prevent the traditional complex analytics in the shell designing and calculation.The working principle and structure of earth pressure balance shield are illustrated.The shield shell bears radial external pressure instead of axial external pressure，according to such characteristics，the correctness and validity of the empirical equations results are identified by BDD Algorithm. The analysis and comparison indicated that BDD Algorithm can improve the intuition and validity of shell structural design in shield machine.Finally，the satisfied result is achieved.

graph algorithm;empirical formula;EPB shield;cylinder

U455.3

A

1002－2333（2014）05－0072－03

梁興生（1977—），男，工程師，主要從事隧道施工機械的研發與制造工藝。

2014-02-25