上軟下硬復(fù)合地層盾構(gòu)機(jī)中盾本體強(qiáng)度及模態(tài)有限元分析

馬守為

[摘要]上軟下硬復(fù)合地層中盾構(gòu)區(qū)間施工條件復(fù)雜，盾構(gòu)選型是保證施工安全和施工順利推進(jìn)特別重要的一步。通過利用有限元軟件對(duì)盾構(gòu)機(jī)中盾盾體進(jìn)行強(qiáng)度及模態(tài)有限元分析，為盾構(gòu)選型提供理論支撐。

[關(guān)鍵詞]上軟下硬復(fù)合地層 盾本體 有限元分析

一、引言

深圳地鐵7號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間通過上軟下硬復(fù)合地層，施工條件比較復(fù)雜。隧道頂層多為礫質(zhì)粘性土，底層多為強(qiáng)風(fēng)化花崗巖及全風(fēng)化花崗巖，部分為中風(fēng)化花崗巖及微風(fēng)化花崗巖。經(jīng)地質(zhì)補(bǔ)勘發(fā)現(xiàn)區(qū)間左線隧道范圍巖層堅(jiān)硬，微風(fēng)化花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到150MPa，盾構(gòu)推進(jìn)困難。

上軟下硬復(fù)合地層中，盾構(gòu)法隧道能否安全、環(huán)保、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)、快速建成的關(guān)鍵工作之一就是盾構(gòu)選型。除了從安全適應(yīng)性、技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮外，通過利用有限元軟件對(duì)盾構(gòu)機(jī)中盾盾體進(jìn)行強(qiáng)度及模態(tài)有限元分析，為盾構(gòu)選型提供理論支撐。

二、建立計(jì)算模型

（一）中盾本體受力分析

參考日本隧道技術(shù)規(guī)范，對(duì)盾構(gòu)機(jī)中盾本體進(jìn)行受力分析，盾體受力模型如圖1所示。根據(jù)區(qū)間地質(zhì)詳勘資料，計(jì)算各部分壓力值為P1=0.263Mpa，P2=0.189Mpa，P3=0.331Mpa，P4=0.277M pa。

（二）中盾本體有限元建模

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)圖紙，建立中盾本體的三維模型，導(dǎo)入Ansys軟件進(jìn)行有限元分析。根據(jù)計(jì)算載荷對(duì)中盾本體施加壓力載荷，在中盾與前盾連接面施加固定約束，生成中盾本體的有限元模型如圖2所示，盾體材料如表1所示。

（三）中盾盾體強(qiáng)度分析

由圖3（a）可知，已知載荷下作用下中盾本體的最大等效應(yīng)力為70984M pa，發(fā)生在中盾與前盾連接處；在推進(jìn)油缸安裝的位置，由于中盾本體鋼板減薄，等效應(yīng)力較大。兩處的最大等效應(yīng)力均遠(yuǎn)小于16M nR鋼的屈服強(qiáng)度為320M pa，滿足強(qiáng)度要求。從圖3（b）可知，中盾盾體的最大變形量為3mm，發(fā)生在中盾與前盾連接處，中盾盾體整體變形較小，符合使用要求。

（四）中盾盾體模態(tài)分析

盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬地層中掘進(jìn)時(shí)，掘進(jìn)速度較低，外界激勵(lì)頻率較低，故結(jié)構(gòu)的低階頻率對(duì)結(jié)構(gòu)安全影響較大。利用Ansys軟件對(duì)中盾盾體進(jìn)行模態(tài)分析，得前六階固有頻率如表2所示。

由施工經(jīng)驗(yàn)可知，外界的激勵(lì)頻率較低。由計(jì)算結(jié)果可知，中盾盾體的前6階固有頻率范圍是46.368hz-52.8386hz高于外界的激勵(lì)頻率，所以中盾盾體不會(huì)發(fā)生共振，中盾盾體厚度合理，符合選型要求。

三、結(jié)語

通過以上對(duì)深圳地鐵某盾構(gòu)區(qū)間上軟下硬段盾構(gòu)機(jī)中盾盾體進(jìn)行強(qiáng)度及模態(tài)有限元分析，可知該區(qū)間擬選的盾構(gòu)機(jī)強(qiáng)度及中盾體厚度是合理的。