基于ANSYS的盾構掘進機臺車有限元分析

吳 威 李東鑫 陳 鵬 李延秋 朱曉天 柯 杰

(1.國網江蘇省電力公司經濟技術研究院 江蘇南京 210009；2.中鐵十四局集團大盾構工程有限公司 江蘇南京 211800；3.中南大學機電工程學院 湖南長沙 410083)

1 引言

大型水利工程兼顧灌溉、供水、發電、泄水、防洪抗旱等功能，是關乎國計民生的建設工程。水利隧洞為水利工程的樞紐，解決導流問題，長距離輸水隧洞具有地質條件復雜、施工技術及機械配置要求高、工期長等特點，其施工質量極大影響整體工程施工質量與成本[1]。輸水隧洞傳統施工方法為鉆爆法，其優點為地質適應性強、施工成本低，但存在施工效率低、安全性差、施工質量難以保持穩定等問題。隧道掘進機法采用專用的全斷面隧道掘進機施工，集開挖、支護、襯砌為一體，具有安全、高效、環保、施工質量高等優點，現已廣泛應用于水利工程輸水隧洞施工[2]。

盾構掘進機是進行隧道掘進工法施工的大型掘進裝備，因其穩定、高效、安全等優點被廣泛應用于水利水電工程、城市地下工程、公路鐵路隧道、礦山施工等多項地下空間工程建設中[3-5]。臺車是盾構掘進機后配套的重要組成部分，其上可安放液壓、動力、操作、控制等多個系統，起承載、連接和運輸作用。若臺車結構設計不合理，或者臺車上相關設施安放布局不合理，將導致臺車側傾與變形，嚴重時可使臺車出現刮碰嚴重、垮塌等現象，并且會給設備拆解帶來極大麻煩。臺車的相關研究文獻較為少見，吳遁等[6]針對某盾構掘進機臺車變形問題，對臺車鋼結構進行了力學分析，提出了相應的改造方案；盛少琴等[7]根據后配套所包含的各類系統，對設備布局和臺車結構進行了優化；王鑫等[8]針對施工方面的因素，對后配套結構設計與優化進行討論。晏勝榮[9]以揚州瘦西湖隧道工程為背景，設計與制造了內部結構同步施工模板臺車，實現盾構掘進與內部同步施工；李陽等[10]對南水北調工程某施工盾構臺車進行精簡改造，使盾構不損失性能情況下完成整體始發與掘進。趙旭[11]探討了盾構后配套拖車縮徑一次始發技術，并在工程應用中進行了驗證。由此可見，盾構臺車的研究多限于科普性介紹、整體設計或簡單的結構改造，而對于特定工況下臺車力學性能分析的研究仍十分缺乏。為提高盾構掘進機設計質量，本文對某地下工程盾構掘進機臺車進行有限元分析，研究其應力與應變變化規律，驗證臺車設計和布置合理性，確保盾構機施工安全。

2 臺車方案設計

2.1 工程概述

某盾構工程盾構施工段長度5 468.54 m，管片內徑φ10.5 m，外徑φ11.6 m，管片厚度為0.055 m，環寬2 m，采用一臺12 m級盾構掘進機施工。隧道最大坡度約5%，最大覆土及最大埋深分別為46 m、79.8 m，最大水土壓力為9.4 bar。盾構掘進機施工地層主要包括淤泥質粉質黏土、粉質黏土、細粉砂、中粗砂等。

2.2 臺車設計要求

根據工程背景，該盾構掘進機臺車主要設計要求如下:

(1)臺車應滿足隧洞最大縱坡要求。

(2)保證臺車整體轉彎半徑。

(3)臺車的兩側要預留通道，方便管線埋設與維修。

(4)臺車下方預留足夠空間，安裝箱體，以便管片運輸車等設施通行。

(5)臺車面施加許用載荷后，剛度和強度滿足設計要求。

2.3 臺車整體方案

根據臺車設計要求，采用門架式臺車方案，臺車下部空間能滿足車輛通行要求。根據出渣口位置和臺車上設施布置要求，將臺車數量設置為4節，并根據隧道最小水平曲線半徑確定臺車橫截面尺寸。

3 臺車有限元建模

3.1 臺車有限元模型建立

基于臺車設計圖紙，在SolidWorks中建立臺車三維實體模型，臺車為H型鋼和鋼板焊接而成，建模過程中省略了部分倒角、細微間隙以及其上安置的各類設施。由于2號臺車與3號臺車結構相似，其上布置的設施差異較小，因此本文僅對1號、2號和4號臺車進行靜力學仿真分析。采用ANSYS有限元軟件[12]對臺車進行仿真分析，采用四面體單元(solid187)對3節臺車進行網格劃分，1號臺車網格劃分后網格單元總數為377 126，節點總數為724 187；2號臺車網格劃分后網格單元總數為115 803，節點總數為221 370；4號臺車網格劃分后網格單元總數為285 094，節點總數為550 984。

3.2 加載方案和邊界條件

1號臺車加載方案與邊界條件如圖1所示，臺車1樓主要布置泥漿泵、電機和控制臺，在此施加19 953 kg重量；2樓承受主控室42 kg、配電箱740 kg、泥漿攪拌罐22 665 kg以及液壓油箱16 760 kg；3 樓承載休息室2 520 kg、變壓器23 100 kg和風筒1 855 kg。除施加相應設備重量外，為臺車整體施加重量加速度，而約束則施加在底部6個支撐梁上。

圖1 1號臺車加載方案與約束

2號臺車加載方案與邊界條件如圖2所示，約束施加在4個支腿底部，空壓機重量3 453 kg施加在側邊平臺上，風筒重量763.36 kg施加于頂部，箱涵吊機和箱涵重量施加在吊機軌道，臺車整體施加重力加速度。

4號臺車加載方案與約束如圖3所示，水卷盤3 305 kg和水管導向輪61 kg施加于側邊平臺，廢水箱4 500 kg、風筒1 121 kg和風機308.46 kg施加于臺車頂部，發電機重量施加于懸掛平臺，整體施加重力加速度并在4個支腿底部施加約束。

圖2 2號臺車加載方案與約束

圖3 4號臺車加載方案與約束

4 臺車有限元仿真結果

1號臺車力學性能分析結果如圖4所示。應力較大區域出現在平臺與支撐梁連接位置，最大應力出現在1樓平臺與中間支撐梁連接處，達到109.37 MPa，這是由于建模時簡化模型，忽略了圓角、倒角，導致了此處出現了應力集中現象。最大應力小于材料的屈服極限235 MPa，安全系數為2.15。1號臺車其他位置應力值均較小，安全性較高。

圖4 1號臺車應力云圖

圖5為1號臺車變形云圖，從圖中可以看出，1號臺車應變量呈現中間變形大，兩邊逐漸減小的趨勢，3樓與2樓的變形量顯著大于1樓，這與臺車支撐和加載形式相符。靜力作用下變形最大的位置出現在2樓平臺中間邊緣處，最大變形量為7.356 9 mm。

圖5 1號臺車變形云圖

對2號臺車進行力學性能分析，如圖6所示，2號臺車上應力較大區域集中在支撐梁處，可見2號臺車的布置方式使支撐梁承載較大，最大應力出現在導軌與支撐梁的連接處，達到45.049 MPa，遠小于材料的屈服極限235 MPa，安全系數為5.22。2號臺車其他位置應力值均較小，有充足的安全余量。

圖7為2號臺車變形云圖，由圖可知，2號臺車應變量較大區域集中在臺車上部，并且呈現中間變形大兩邊變形小趨勢。由于頂部中心區域支撐梁為懸空設計，其上加載了風筒重量，在靜力作用下變形最大的位置出現在頂部中心支撐梁處，最大變形量為1.341 5 mm。

圖6 2號臺車應力云圖

圖7 2號臺車變形云圖

4號臺車的力學性能分析如圖8所示，應力較大區域出現在支撐梁、側邊加強筋板、臺車頂部筋板處，最大應力出現在行走架與支撐梁的連接處，達到81.984 MPa，小于材料的屈服極限235 MPa，安全系數為2.87。臺車其余部位應力值均小于9 MPa，說明4號臺車強度滿足設計要求。

圖8 4號臺車應力云圖

圖9為4號臺車變形云圖，從圖中可以看出，在靜力作用下變形最大的位置出現在行走架中間邊緣處，最大變形量為5.867 4 mm，此外臺車頂部中心區域由于設計距離較長且無支撐結構，其變形量也較大。

圖9 4號臺車變形云圖

總結上述臺車有限元分析結果如表1所示。由表可知，1號臺車的最大應力值和最大變形量在所有臺車中最大，其安全系數相應最低，而2號臺車應力值和變形量最小，安全系數最高，這與2號臺車橫向尺寸較小并且其上的設備安放布局較合理相關。臺車總體設計滿足強度剛度要求，若追求更小的變形量，可對1號臺車與3號臺車結構和設施布置進一步優化。

表1 臺車應力應變值

5 應用

由仿真分析結果可知，該盾構臺車布置較為合理，最大等效應力及最大變形均較小，在強度和剛度上基本滿足設計要求。按照設計圖紙，對臺車進行加工制造。后續施工發現，該臺車結構簡單，操作方便，投入使用后，現場施工合理，可實現施工與運輸互不干擾，在箱涵及管片拼裝、工序銜接、結構強度等方面體現出一定優勢，施工過程中未出現明顯變形現象。

6 結論

本文以某盾構施工工程為研究背景，采用SolidWorks建立該工程盾構掘進機臺車三維模型，應用ANSYS仿真軟件對臺車進行有限元分析，得到1號、2號和4號臺車應力及應變分布規律。仿真結果表明1號臺車應力值和變形量最大，4號臺車次之，2號臺車最小，因而2號臺車安全性最高。臺車整體應變值和變形量較小，強度和剛度基本滿足設計施工要求，后續實際施工過程中臺車表現出優異的使用性能，驗證了仿真結果。本文有限元仿真分析可為盾構臺車設計和設施優化布置提供重要參考。