盾構(gòu)隧道超前探測雷達安裝保護裝置研究

王紅衛(wèi) 王美華 李增輝

(上海建工集團股份有限公司，上海 200080)

隨著我國地下空間的開發(fā)，斷面越來越大的盾構(gòu)隧道對施工和風險控制技術(shù)的要求也越來越高，而超前發(fā)現(xiàn)并準確判斷地下障礙物、暗浜、古河道等不良地質(zhì)體，對于保障隧道施工的安全至關(guān)重要。超前地質(zhì)探測可分為地面地質(zhì)探測和隧洞內(nèi)地質(zhì)探測，地面地質(zhì)探測技術(shù)相對成熟，但存在成本投入大且探測詳盡程度有限等不足，尤其是在城市核心區(qū)狹小的地面空間根本無法開展地面地質(zhì)探測；隧洞內(nèi)地質(zhì)探測主要探測開挖面前方的地質(zhì)情況，具有作業(yè)面小且勘察結(jié)果參考性強等優(yōu)點。地質(zhì)雷達探測技術(shù)利用電磁波反射原理來判斷地層中的地質(zhì)狀況，具有探測速度快、操作簡單、抗干擾性強等優(yōu)點，并以其高探測分辨率和高工作效率而逐步成為隧洞內(nèi)地質(zhì)勘探的一種有力工具，對于盾構(gòu)隧道封閉的工作面而言，將雷達天線安裝于盾構(gòu)刀盤之上可有效提高地質(zhì)探測結(jié)果的準確性和有效性，而如何保護安裝于刀盤之上的雷達天線已是一個亟需解決的問題。周奇才等人為此設(shè)計了一種矩形且采用螺栓固定安裝的探測雷達保護板，通過現(xiàn)場安裝和實驗表明，該板可保護地質(zhì)雷達免受外部壓力的破壞，但根據(jù)彈性力學(xué)可知，截面尺寸改變愈劇烈，應(yīng)力集中系數(shù)就愈大，在荷載作用下矩形且采用螺栓固定的板材容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，這不利于充分發(fā)揮保護材料的力學(xué)性能，同時矩形孔洞產(chǎn)生的應(yīng)力集中同樣也會影響到盾構(gòu)刀盤的強度。為進一步降低應(yīng)力集中的影響，提高保護裝置的強度、水密性以及循環(huán)使用的便捷性，本文研發(fā)了一種新型的探測雷達安裝保護裝置。

1 安裝裝置設(shè)計

1.1 裝置材料選擇

雷達天線屬高精密設(shè)備，承載能力和防水等級低，易被泥水壓力破壞，安裝保護裝置既要能保護雷達避免被外力破壞，還要能為電磁波的發(fā)射和接收提供窗口，也就是電磁波窗口材料既要滿足強度、剛度和耐磨性要求，同時還要滿足電性能要求，應(yīng)盡量降低電磁波穿透時產(chǎn)生的衰減損耗。

參考相關(guān)文獻可知，聚甲醛(POM)材料介電損耗值僅為0.007，介電損耗非常低，且在很寬的頻率和溫度范圍內(nèi)變化很小；同時聚甲醛材料屬于高阻介質(zhì)，對電磁波的吸收非常小；所以，從衰減損耗和穿透能力方面分析，聚甲醛材料作為窗口材料對電磁波的影響很小。聚甲醛材料的屈服極限約為69 MPa，彈性模量高達3 100 MPa，耐磨性能指標PV的臨界值高達1.26×105Pa·m/s，可見，聚甲醛材料具有較高的強度、較好的抗變形能力和耐磨性能。綜合以上要素，本文選用聚甲醛板材作為電磁波透射的窗口。

內(nèi)部安裝雷達天線的敞口容器應(yīng)具有較高的強度和剛度，并且方便加工制作；同時，因敞口容器需和刀盤連接固定，所選材料的力學(xué)性能應(yīng)與盾構(gòu)刀盤的材質(zhì)相近。考慮上述需求，本文選用具有一定厚度的鋼材制作敞口容器。

1.2 裝置形狀設(shè)計

為降低應(yīng)力集中的不利影響，在安裝雷達天線時，應(yīng)在盾構(gòu)刀盤上開圓柱形孔洞，與圓柱形孔洞相匹配，本文設(shè)計出圓柱體的雷達天線保護裝置，具體尺寸及材料如圖1所示。該裝置由鋼壓環(huán)、聚甲醛板、止水環(huán)、一端敞口一端封閉的鋼圓柱體組成，鋼圓柱體圓形截面的半徑為250 mm，高為200 mm，側(cè)面壁厚10 mm，底部厚度20 mm，裸露的雷達天線可直接固定在鋼圓柱體內(nèi)部的空腔。鋼圓柱體自敞口端平面起60 mm寬度范圍內(nèi)設(shè)置螺紋，整個保護裝置利用該螺紋安裝于盾構(gòu)刀盤上的圓柱形孔洞內(nèi)。厚30 mm的聚甲醛板作為電磁波窗口，用于雷達天線向外發(fā)射電磁波并接收從外部反射回來的電磁波，同時具有保護雷達天線的作用；壓環(huán)截面尺寸為20 mm×20 mm，壓環(huán)通過螺紋與鋼圓柱體連結(jié)，用于壓緊固定聚甲醛板；壓環(huán)與聚甲醛板之間、聚甲醛板與鋼圓柱體之間放置止水環(huán)，發(fā)揮密封防水作用。

整個安裝保護裝置的組裝過程如下：將裸露的雷達天線直接固定在鋼圓柱體空腔內(nèi)；然后，在圓柱體的敞口處依次放入止水環(huán)、聚甲醛板、止水環(huán)，并擰緊壓環(huán)；最后，整個裝置通過螺紋安裝至盾構(gòu)刀盤上的圓形孔洞內(nèi)，保持裝置的聚甲醛板、壓環(huán)與刀盤共面。

2 安裝裝置力學(xué)分析

確定具體尺寸和材料后，應(yīng)計算泥水壓力作用下安裝保護裝置的應(yīng)力和變形，分析裝置的強度和水密性。

2.1 荷載計算

某軟土地層軌道交通隧道埋深約17 m，地下水埋深0.5 m，盾構(gòu)直徑6.34 m，隧道開挖面平均泥水壓力P的計算公式為：P=Pw+Po+Pa，Pw=ρw·Hw，Po=Ko·ρ′·H。

其中，Pw為地下水壓；Po為開挖面土壓；Pa為預(yù)壓；ρw為水重度，取10 kN/m3；Hw為盾構(gòu)軸心處地下水深度；Ko為靜止土壓力系數(shù)；ρ′為土的有效重度；H為盾構(gòu)軸心處深度。

本次計算中考慮盾構(gòu)軸心埋深為H=20 m，地下水水位為地表下0.5 m，則Hw=20-0.5=19.5 m，地下水壓為：Pw=ρw·Hw=19.5×10=195 kPa。

采用靜止土壓力情形計算土壓力Po，則靜止土壓力系數(shù)為：Ko=1-sinφ′。

其中，φ′為有效內(nèi)摩擦角，飽和黏土的有效內(nèi)摩擦角為20°～40°，本次計算中取平均值30°，故Ko=1-sinφ′=0.5。

地質(zhì)土層平均重度約為18.5 kN/m3，則其有效重度ρ′=18.5-10=8.5 kN/m3。最終靜止土壓力的計算結(jié)果為：Po=Ko·ρ′·H=0.5×(18.5×0.5+8.5×19.5)=87.5 kPa。

預(yù)壓Pa是考慮地下水壓和土壓的設(shè)定誤差及送排泥設(shè)備中的泥水壓變動因素，根據(jù)經(jīng)驗確定的壓力，通常取值為20 kN/m3～30 kN/m3，本次計算中取平均值25 kPa。

綜合以上因素，計算盾構(gòu)隧道開挖面的泥水壓力為：P=Pw+Po+Pa=195+87.5+258=307.5 kPa。

2.2 有限元分析模型

采用有限元分析軟件Midas-GTS進行數(shù)值模擬，本構(gòu)模型采用彈性模型，利用實體單元模擬安裝保護裝置，在裝置側(cè)壁60 mm寬度范圍內(nèi)施加三向固定約束，模型各部件尺寸采用圖1中的尺寸。對聚甲醛板端施加面壓力模擬泥水壓力P，面壓力取值0.31 MPa；由于聚甲醛板表面光滑且在水潤滑條件下，故不考慮刀盤轉(zhuǎn)動時土體對板面產(chǎn)生的摩擦力；由于安裝保護裝置和盾構(gòu)刀盤之間通過螺紋連結(jié)，無法保證刀盤上圓柱孔洞的水密性，故對安裝保護裝置封閉端及側(cè)面非約束部位施加面壓力模擬靜水壓力，靜水壓力取值0.2 MPa。

安裝保護裝置模型的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 模型物理力學(xué)參數(shù)

2.3 有限元計算結(jié)果及分析

經(jīng)計算得到安裝保護裝置模型的應(yīng)力和位移，其中聚甲醛板和鋼圓柱體的應(yīng)力和位移云圖分別如圖2～圖5所示。

從圖2的計算結(jié)果可以看出，聚甲醛板的最大拉應(yīng)力發(fā)生在圓心位置，其值約為7.4 MPa，遠遠小于聚甲醛板的抗拉極限強度69 MPa，并且若取安全系數(shù)為2.5時，可計算聚甲醛的許用應(yīng)力為27.6 MPa，該值同樣大于計算所得的最大拉應(yīng)力值，以此可判定聚甲醛板滿足強度要求；從圖3的計算結(jié)果可以看出，聚甲醛板的最大位移發(fā)生在圓心位置，其值約為1.9 mm，與板的直徑480 mm相比，其撓曲變形影響非常小，并且板邊緣的位移約為31×10-3mm，如此小的位移能夠避免因變形過大而導(dǎo)致的壓環(huán)密封不嚴。

從圖4的計算結(jié)果可以看出，安裝裝置底部鋼板的最大拉應(yīng)力發(fā)生在圓心位置，其值約為14.7 MPa，遠遠小于HPB235屈服強度235 MP，并且若取安全系數(shù)為2.5時，可計算鋼材的許用應(yīng)力為94 MPa，該值同樣遠遠大于計算所得的最大拉應(yīng)力值14.7 MPa，以此可判定鋼板滿足強度要求；從圖5可以看出，裝置底部鋼板的最大位移僅僅為0.17 mm，與端板直徑500 mm相比，其撓曲變形的影響可以忽略不計。

從應(yīng)力云圖和位移云圖可看出，安裝保護裝置的應(yīng)力和位移的數(shù)值變化相對平緩，表明本文設(shè)計的雷達安裝保護裝置在荷載作用下未發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。通過對圖2～圖5的分析可知，鋼材中的最大拉應(yīng)力發(fā)生在裝置底部鋼板的圓心位置，最大壓應(yīng)力發(fā)生在裝置圓柱體側(cè)面，且兩者的值都遠小于鋼板的屈服強度；聚甲醛中的最大拉應(yīng)力發(fā)生在板材圓心位置，其值遠小于抗拉極限強度；以上情況說明所選材料滿足文中荷載作用下的強度要求。安裝保護裝置的最大位移發(fā)生在聚甲醛板的圓心位置處，與板的直徑相比，其撓曲變形影響非常小，能滿足裝置的水密性要求。綜上所述，本文所設(shè)計的安裝保護裝置具有較高的強度儲備和較好的水密性，能夠為雷達天線提供安全穩(wěn)定的工作空間。

3 結(jié)語

本文將探測雷達安裝保護裝置作為獨立的構(gòu)件進行分析，該裝置采用圓柱體形狀降低應(yīng)力集中對其本身及盾構(gòu)刀盤的不利影響。通過計算分析可知，本裝置的尺寸確定和材料選用能夠滿足強度、變形以及電性能的要求，能夠為雷達提供安全可靠的工作環(huán)境，同時該裝置與固定在其內(nèi)的雷達天線可作為一個整體，便于安裝、拆卸和維修，從而方便了地質(zhì)探測雷達的推廣和應(yīng)用。