超大斷面馬蹄形盾構盾體系統研究設計及應用

薛廣記, 董艷萍, 范 磊, 鄭永光

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016)

超大斷面馬蹄形盾構盾體系統研究設計及應用

薛廣記, 董艷萍, 范 磊, 鄭永光

(中鐵工程裝備集團有限公司， 河南 鄭州 450016)

為探索超大斷面馬蹄形盾構盾體載荷分布特性，解決超大馬蹄形盾體設計關鍵技術問題，針對適用于單洞雙線鐵路隧道的超大馬蹄形盾構護盾薄殼體軸向、周向載荷分布特性和傳遞規律展開研究，構建了盾體受載數學模型。基于上述載荷分析與功能需求詳細探究了超大斷面馬蹄形盾構盾體的結構設計，明確了馬蹄形盾體受力的薄弱環節，通過三維建模和有限元分析優化了盾體結構： 殼體結構采用多半分體組合式結構，并通過法蘭連接，滿足了吊裝和運輸要求； 殼體箱型環梁結構設計，在保證結構強度要求的同時節省了材料、減輕了質量； 此外，進行了盾體的梭式結構、帽檐設計和超前注漿通道設計等針對性設計，有效提高了馬蹄形盾構的適應能力。該馬蹄形盾構的應用和盾體變形工業性監測試驗表明，馬蹄形盾構盾體結構滿足整機平穩掘進、盾體微變形的要求，也印證了該數值模擬分析方法的正確性。

大斷面； 馬蹄形盾構； 載荷特性； 盾體結構； 仿真分析

Abstract: The exploration of shield load distribution rule of large cross-section horseshoe-shaped shield and the key design technologies are very important. The axial and circumferential load distribution and transmission rules on shield of large cross-section horseshoe-shaped shield used in single-tube double-line railway tunnel are studied; and the numerical model of shield load is established. And then the shield structural design is discussed; the weak point of shield loading is identified; and shield structure is optimized by 3D modeling and finite element analysis. The optimization of the shield structure includes using split combined structure and flange connection to meet the requirements of hoisting and transportation; the beam structure design of box type shell ring ensures the strength requirements, saving material and reducing weight; in addition, the shuttle structure, brim design, advance grouting channel design improve the horseshoe-shaped shield’s adaptability. The application of the horseshoe-shaped shield and industrial deformation monitoring results indicates the feasibility of the shield system and the validity of the numerical analysis method.

Keywords: large cross-section; horseshoe-shaped shield; load characteristics; shield structure; simulation analysis

0 引言

隧道掘進機問世至今已有近200年歷史，起始于英國，發展于日本、德國。近30年來，隨著土壓平衡、泥水平衡、尾部密封、盾構始發及接收等一系列技術難題的解決，使得盾構及其掘進技術有了較快發展，盾構法施工業已成為一門比較成熟的地下工程施工技術[1-2]。至今全世界已累計生產1萬多臺盾構，其中，90%以上是圓形盾構，這是因為圓形盾構具有開挖簡單、設備制造簡單、推進軸線容易控制、施工方便和施工隧道襯砌結構受力均勻等優點[3-4]，但其缺點也是顯而易見的，圓形盾構開挖出的截面為圓形，隧道修建完成后，需要對開挖出的圓截面巷道底部進行預制仰拱塊鋪設等處理[5]，以滿足車輛運營使用要求，但此過程無疑是對開挖空間利用率的浪費。

在空間利用率較高的異形盾構領域，國內外在矩形、類矩形和雙圓盾構方面發展迅速，但其適用工況極其有限，因其結構形式限制了盾構承受隧道深覆土、大跨距壓力的能力(管片和盾構均需立柱支撐，無法做到全開挖面利用)[6-7]。為克服上述圓形盾構、普通異形盾構缺點，針對具有較高空間利用率，又能適應深覆土、大跨距工況的馬蹄形盾構展開研究。馬蹄形盾構除在小斷面、敞開式方面有少量文獻涉及外(其斷面為矩形加上部起大圓拱、結構形式簡單)[8-9]，大斷面研究基本處于空白，本文主要探索了大斷面、深覆土條件下的載荷分布特性，并進行了基于功能需求與載荷仿真分析的盾體結構優化設計。馬蹄形盾構的研制成功將對施工條件惡劣的山嶺公鐵隧道、施工成本極高的深覆土雙線地鐵隧道解放勞動力、提高施工安全保障和降低生產成本具有重要的意義。

1 依托工程概況

蒙華鐵路白城隧道位于陜西省靖邊縣內，隧道全長3 345 m，為時速120 km的雙線電氣化鐵路隧道。白城隧道橫斷面如圖1所示，隧道全段位于直線段。隧道最大埋深為81 m，洞身范圍內地層主要為粉砂、細砂和砂質新黃土。為提高施工效率，本項目擬采用盾構施工，而盾構施工既要求滿足雙線火車通行又要承受深覆土條件下的土體壓力，同時盾構輪廓的擬定還需要考慮以下因素： 隧道限界、接觸網懸掛方式、軌道形式、站后預留管線(管道)及電纜槽要求、施工誤差和結構變形等。

圖1 白城隧道橫斷面圖

依據TB 10003—2005《鐵路隧道設計規范》和GB 146.2—83《標準軌距鐵路建筑》，白城隧道采用線間距4.0 m，建筑限界采用“隧限-2B”，接觸網剛性懸掛、道床為無砟軌道(有砟軌道要求隧道斷面要大10%左右，成本較高)，同時考慮站后管線、電纜槽預留以及盾構施工誤差、結構變形以及安全余量15 cm等，白城隧道盾構施工段隧道內輪廓設計如圖2所示。隧道斷面為三心圓形狀，整體呈馬蹄形，上部為圓拱，下部稍扁，左右兩翼下側的弧度較小。

2 載荷分布特性

馬蹄形盾構上部為圓拱，掘進時能夠形成天然卸荷拱，周向載荷分布與常規圓形盾構類似[10-12]，但馬蹄形盾構開挖形式不同于常規圓形單刀盤旋轉開挖形式，馬蹄形盾構采用多刀盤開挖形式，軸向載荷分布差異較大。因此，馬蹄形盾構受載研究對盾體結構設計、使其滿足強度(剛度)要求下盡量減小盾體質量具有重大的指導意義。

圖2 白城隧道內輪廓設計圖(單位： mm)

2.1 盾體周向載荷分布特性分析

考慮到該隧道覆土較深，且地層為非沼澤土、淤泥土的原狀土，可按普羅托基亞卡諾夫理論建立馬蹄形掘進機周向載荷分布模型，只計算土層內形成的天然卸荷拱以下高為h1破壞區內的土壓力。受力模型如圖3所示。

圖3 馬蹄形斷面載荷模型

馬蹄形截面掘進機頂部卸荷高度

式中：h1為卸荷拱高，m； 2a1為卸荷拱寬，m；φ為tan-1fKP，即fKP=tanφ，fKP為土的堅實系數；D0為隧洞全高，對于馬蹄形取上圓拱半徑。

采用卸荷拱計算載荷時，一般要求滿足fKP≥0.6(即φ≥30°)以及掘進機覆土H≥2h12個條件(根據實踐經驗，H可適當減小，但不得小于1.3h1)，這時作用在盾構上的載荷可按掘進機頂部以上高為h1的土柱考慮。此外，本工程覆土較深，不考慮地面動載荷的影響。因此，掘進機垂直土體壓力

Gy=γh1D0。

式中γ為土體容重，kN/m3。

2.2 盾體軸向載荷分布特性分析

馬蹄形盾構開挖形式采用多刀盤開挖形式，如圖4所示。刀盤的受力最終直接作用在盾體前隔板驅動環上，分析異形掘進機的刀盤受力情況對研究盾體的受力形式起到至關重要的作用。因此，將隔板壓力分解為作用于驅動環上的刀盤受力傳遞和土艙泥土壓力，而驅動環上的刀盤傳力又可分為刀盤與土體切削的接觸土壓力和掘進機所處埋深的靜土壓力。

2.2.1 刀盤與土體切削的接觸土壓力

鑒于馬蹄形掘進機單個刀盤的受力同常規盾構刀盤一樣，因此，借鑒張茜[1]刀盤系統與掘進界面土體間相互作用的力學特征分析方法，通過建立掘進界面土體的平衡微分方程，根據系統相互作用界面力學特性確定邊界條件，對刀盤系統作用于掘進面土體的載荷表達進行求解，實現刀盤系統載荷問題的解耦。

圖4 馬蹄形盾構刀盤布置示意圖

單個刀盤與掘進界面土體間相互作用的接觸力學模型如圖5所示，單個刀盤作用在掌子面(Z=0)土體上的法向應力為

式中：σz(r，0)為土體上的法向應力；E為土體彈性模量，kPa；δ為掘進進尺即刀盤每轉切深，m/r；R為刀盤半徑；μ為土體泊松比；r為任意半徑，0≤r≤R。

圖5 單個刀盤與掘進界面土體間相互作用的接觸力學簡圖

Fig. 5 Contact mechanics sketch of interaction between single cutterhead and tunneling interface soil

2.2.2 埋深刀盤靜土壓力

在地下施工時，裝備上方的覆土自重在掘進面上會引起靜土壓力，刀盤系統載荷與埋深有關，載荷示意圖見圖6。埋深為H0處的靜土壓力

p0=K0γH0。

式中：K0為靜土壓側向壓力系數；γ為土體容重，kN/m3。

掘進界面上坐標為(r,θ)處的靜土壓力

p靜(r,θ)=K0γ(H-rsinθ)。

式中H(m)為地表至設備某一刀盤中軸線處的埋深，當H≥2h1時，H取卸荷拱高度h1。

圖6 設備埋深對刀盤載荷的影響

2.2.3 埋深隔板面板靜土壓力

馬蹄形盾構前隔板開口諸多，包括驅動開孔、螺機開口和各種注漿孔等，其中各種注漿孔的大小相比盾體截面比較小，此處忽略不做參考。隔板開口率ξ是表征隔板拓撲結構的參數，馬蹄形掘進機截面面積為A0，則隔板面板靜土壓作用面積為

Ap=(1-ξ)A0。

2.2.4 隔板整體受力分析

地質參數、埋深、掘進速度及隔板拓撲結構是影響馬蹄形盾構盾體隔板受力的主要因素，盾體隔板法向推力主要包括推進中刀盤與土體間的接觸擠壓力F11、埋深引起的靜土壓力F12和土艙壓力作用在隔板面板的力F2。

1)推進中刀盤與土體間的接觸擠壓力F11。由刀盤系統與界面土體接觸擠壓應力沿有效擠壓面積進行積分，

式中：ηi為第i個刀盤開口率；n為單盤數量；i為第i個刀盤。

積分可得：

2)埋深引起的靜土壓力F12。由掘進界面靜土壓沿面板部分積分計算：

積分可得：

3)隔板處的土艙壓力F2。掘進過程中，密封艙內保持一定的支護壓力以維持掘進面穩定，即密封艙壓力需平衡埋深靜土壓力

F2=K0γH(1-ξ)A0。

綜上，建立馬蹄形盾體前隔板軸向受力數學模型：

①驅動法蘭座受力為

②隔板面板受力為

F2=K0γH(1-ξ)A0。

式中：E為土體彈性模量，kPa；μ為土體泊松比；K0為靜土壓側向壓力系數；γ為土體容重，kN/m3；ηi為第i個刀盤開口率；Ri為第i個刀盤半徑，m；H為地表至設備中軸線處的埋深，m；δ為掘進進尺，m/r；ξ為隔板開口率；A0為馬蹄形掘進機截面面積。

3 馬蹄形盾構盾體設計、仿真優化及試驗驗證

3.1 基于功能需求的馬蹄形盾構盾體設計

馬蹄形盾構盾體是刀盤、驅動、螺旋輸送機和管片拼裝機等結構支撐載體，為盾構前進、襯砌拼裝提供護盾保護作用。盾體結構的合理與否直接影響隧道建設的正常進行及施工人員安全，是設計人員研究探索的重要問題。

馬蹄形盾構盾體主要包括前盾、中盾和尾盾3部分，這3部分都是馬蹄狀筒體，前盾和與之焊在一起的承壓隔板用來支撐刀盤驅動，如圖7所示。前盾和中盾通過法蘭用螺栓連接，中盾和尾盾采用現場焊接，尾盾末端裝有密封用的盾尾刷。

圖7 馬蹄形盾體示意圖

3.1.1 盾體大小

由圖2已知滿足雙線火車通行功能要求的隧道內輪廓線。參照國內外相同級別、類似地質圓形盾構管片厚度[13-14]，本項目襯砌厚度采用500 mm，由隧道內輪廓線外擴500 mm得管片外輪廓。考慮施工隧道為直線，盾尾間隙采用小間隙設計為45 mm，間隙外另有加強環厚度20 mm，尾盾結構示意圖如圖8所示。由于尾盾作為管片拼裝的空間無法布置加強筋板，尾盾初步設計采用較厚鋼板，同時綜合參考相同級別圓形盾構經驗，采用90 mm厚鋼板(該尾盾厚度經后文仿真分析得到驗證)，即得到尾盾尺寸。

圖8 尾盾局部示意圖

為克服大型盾構軟土層防卡盾問題，盾體創新采用梭式結構針對性設計，在尾盾外尺寸基礎上，中盾較尾盾、前盾較尾盾單邊依次階梯增大。最終，馬蹄形盾構前盾尺寸定為寬11 880 mm、高10 930 mm的三心圓馬蹄形，斷面面積約為105 m2。

3.1.2 盾體結構

馬蹄形盾構盾體功能同常規盾構類似，如圖9所示。盾體結構具有能夠支撐刀盤/驅動的連接座、安裝螺旋輸送機的連接座、安裝人艙的連接座、安裝管片拼裝機“米”字梁的連接座及附屬結構，除此以外，馬蹄形盾構盾體還做出了如下針對性設計。

圖9 前盾結構示意圖

1)帽檐設計。在前盾切口環端半圓頂部，盾體外側焊接貼板，在貼板內預留有注漿通道口，如圖10所示。盾構推進所需要的力必須克服迎面阻力和盾體摩擦阻力，設計帽檐結構，一方面可以增長單向注漿單元壽命，另一方面還可以減小盾體摩擦阻力，并且防止減摩劑流入到土艙，造成浪費。

圖10 前盾局部示意圖

2)環形筋板設計。中盾采用70 mm厚鋼板，而內側需懸掛較重的主頂油缸，考慮強度需求，中盾內側設計環形筋板，其截面示意圖如圖11所示。

圖11 中盾局部示意圖

3)超前注漿單元設計。為拓展馬蹄形盾構在多種地層中的應用，也為在未知極端地質情況下人員進艙處理異物提供安全保障，盾體外周圈和前盾隔板設計多處超前注漿單元接口(如圖11所示)，可在需要時連接超前鉆機進行預先地層處理，馬蹄形盾構超前注漿示意圖如圖12所示。

圖12 超前注漿示意圖

4)形狀保持架設計。尾盾內側作為管片拼裝的空間，無法布置過多筋板，在吊裝、運輸過程中無法依托與之焊接為一體的前盾為支撐，也無法依靠正常掘進過程中盾尾油脂壓力支撐，其強度相對薄弱，為防止吊裝、運輸尾盾變形，針對性地設計了形狀保持架，如圖13所示。

圖13 尾盾形狀保持架示意圖

5)盾體分塊設計。一般結構件大小設計必須要綜合考慮機床加工能力、吊裝起重能力和運輸限制條件等因素，而馬蹄形盾構的尺寸超過10 m，前、中、尾盾整體設計已不再可行。因此，將盾體采用分塊設計，前盾因有隔板支撐采用上下分半； 中盾分為上下左右4塊，塊與塊間設置密封，采用螺栓連接； 尾盾依靠形狀保持架支撐也設計為上下分半，施工現場上下半組焊后再與中盾焊接。

3.2 基于載荷仿真分析的盾體結構優化設計

使用有限元分析的目的是確定馬蹄形薄殼體在給定工況對應載荷作用下的變形趨勢和變形量、應力分布趨勢和應力值，并對其強度、剛度進行校核，對其結構進行優化。前盾是超大斷面馬蹄形盾構的核心結構部件，在掘進過程中承受刀盤傳遞過來的掘進阻力、來自土壓艙平衡掌子面的泥土壓力、殼體外表面與土體摩擦力和上部土體對前盾的正壓力等。本文以前盾為例，對其進行詳細仿真模擬分析，對中盾、尾盾仿真分析進行簡述。

3.2.1 模型建立及網格劃分

采用Solidworks三維軟件對馬蹄形盾構前盾進行建模，并導入有限元仿真軟件ANSYS Workbench[15]。為得到接近實際情況的應力分布情況，兼顧計算精度和計算效率，使用20個節點四面體solid195單元，設定單元長度為30 mm，單元數量為264.7萬個，模型網格離散結構見圖14。簡化圖紙中倒角、圓角，視各個焊接板材的焊縫沒有缺陷，將螺栓連接法蘭面視為固定接觸，各類布線管路的通孔皆不考慮。

圖14 馬蹄形薄殼體網格劃分

3.2.2 相關材料的參數

前盾的制作材料為Q345B鋼，彈性模量E=2.06×105MPa，泊松比為0.3，密度為7 800 kg/m3[16]，重力加速度g=9.8 m/s2。Q345B的力學性能見表1[16]。

表1 前盾用鋼板的力學性能

注： 許用應力的確定考慮了2倍的安全系數。

3.2.3 載荷施加方式

依據工業性試驗項目的工況，參照本文第2部分針對馬蹄形盾構載荷分布特性，將土體視為連續的線彈性的、各向同性體，初步計算出工業性試驗條件下的豎直載荷與軸向載荷。依據上述數據依次對有限元模型施加加載面壓力： 前盾隔板及切口環施加0.4 MPa軸向土壓靜載荷，所有驅動環施加刀盤反作用力平均載荷3 MPa； 豎向載荷分上半盾體豎直向下的載荷0.38 MPa和下半盾體豎直向上的載荷0.42 MPa。由于前盾與中盾通過靜密封連接，因此，這里將前盾與中盾的連接法蘭處進行軸向約束處理，詳見圖15。

圖15 模型載荷加載方式、邊界條件

3.2.4 應力及變形量分布云圖

馬蹄形薄殼體為Q345B鋼板焊接組對的大型結構件，根據有限元分析結果，經多次優化盾體筋板大小及布置形式，最終使馬蹄形薄殼體所承受應力主要在166 MPa以下，滿足使用要求(見圖16)。馬蹄形前盾盾殼最大應力發生在盾體上下殼體的支撐筋板連接處258.47 MPa(見圖16)，且為壓應力，后期經過筋板圓角、倒角處理，解決了應力集中問題。殼體變形量最大處發生在盾體箱體后部的中間位置，變形值為3.07 mm(見圖17)，主驅動面板的變形很小，可以滿足刀盤的正常運轉，故強度和剛度均能滿足設計要求。

圖16 馬蹄形薄殼體應力分布云圖(單位： MPa)

Fig. 16 Stress distribution nephogram of horseshoe-shaped shield (unit: MPa)

圖17 馬蹄形薄殼體變形量分布云圖(單位： mm)

Fig. 17 Deformation distribution nephogram of horseshoe-shaped sheild (unit: mm)

3.2.5 中盾、尾盾仿真分析簡述

中盾、尾盾仿真分析同前盾類似，考慮該馬蹄形盾構中盾和尾盾連接為焊接，故采用中盾、尾盾一體的方式進行分析，三維模型導入ANSYS Workbench劃分網格后，除同前盾施加相似的載荷外，在盾尾刷位置施加環向正壓力，油脂壓力設置為0.25 MPa，約束中盾前法蘭面，如圖18所示。

圖18 尾盾載荷加載方式、邊界條件

通過對中盾、尾盾仿真模擬，找到了其受力薄弱環節，對盾體板材厚度及中盾環形支撐梁結構布置形式進行了反復優化，并于尾盾末端尾刷安裝處增加鋼環結構，最終解決了中盾、尾盾部分位置強度和剛度低及局部應力集中問題。

3.3 馬蹄形盾構工業性試驗及盾體變形檢測

該馬蹄形盾構已完成蒙華鐵路白城隧道工業性試驗段施工，馬蹄形盾構整機及成型隧道如圖19所示。整個施工階段盾體均未出現質量問題，對保證隧道施工質量、保障人員施工安全具有重要意義。

(a) 馬蹄形盾構

(b) 成型隧道

施工過程中，尾盾的變形將直接影響到盾尾間隙的變化，為保證盾尾刷的密封效果、防止隧道滲水或地表沉降、保障隧道施工精度，需對盾體變形進行定期檢測。本項目根據人工盾尾間隙測量原理，引入全站儀高性能測量設備，對馬蹄形盾體周邊的多個棱鏡布置點進行檢測，采取信號差分采集手段，實現盾體形狀自動檢測。

施工過程中該馬蹄形盾構盾體很好地承受了來自土體的壓力。工業性試驗結束后，盾體尾端頂部中心最大變形量為5 mm，無疲勞裂紋現象產生，滿足管片拼裝盾尾間隙需求，薄殼體整體結構剛度、強度、穩定性均在設計控制范圍之內。

4 結論與討論

本文探索了大斷面、深覆土(具體為非沼澤土、淤泥土的原狀土)條件下的載荷分布特性，著重分析了多刀盤驅動模式下的盾體軸向受載，構建了軸向載荷數學模型； 基于功能需求與載荷仿真分析探究了盾體結構優化設計； 進行了多半分體組合式結構、箱型環梁結構、梭試結構、減摩帽檐結構和超前注漿接口等多項針對性設計。馬蹄形盾構在蒙華鐵路白城隧道的工業性試驗表明，該盾體結構滿足了整機平穩掘進、盾體微變形的要求，同時也印證了該盾體結構設計方法的合理性。通過研究，掌握了馬蹄形盾體的載荷分布特性、力學模型及有限元分析優化方法，形成了一套完整的馬蹄形盾構盾體結構設計方法，以期為以后馬蹄形盾構或其他異形隧道掘進機盾體設計提供參考。由于該項目為直線型隧道，僅依靠主頂油缸即可滿足微角度調整，而對于適應馬蹄形曲線隧道掘進的盾體結構，中盾和尾盾鉸接結構、密封形式等應是科研人員下一步著重探討的方向。

此次馬蹄形盾構工法在鐵路山嶺軟土隧道領域首次運用，提高了隧道空間利用率，較圓形截面減少了10%～15%的開挖面積，是全球首創的隧道新型開挖模式，設備的成功研制也標志著盾構產品向著異形化發展邁出了重要一步。

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DesignandApplicationofShieldSystemofLargeCross-sectionHorseshoe-shapedShield

XUE Guangji, DONG Yanping, FAN Lei, ZHENG Yongguang

(ChinaRailwayEngineeringEquipmentGroupCo.,Ltd.,Zhengzhou450016,Henan,China)

U 455.3

A

1672-741X(2017)09-1179-08

2017-04-12;

2017-06-19

薛廣記 (1989—)，男，山東巨野人，2015年畢業于濟南大學，機械工程專業，碩士，助理工程師，主要從事隧道與地下工程裝備設計與研發工作。E-mail: xuegj.1990@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.09.018