盾構機防扭塊斷裂分析及優化改造

譚友榮，李少康，于遵博，孫楠楠，董亮

（1.中鐵工程服務有限公司，成都 610083；2.西安理工大學，西安 710082）

0 引言

盾構機是集隧道挖掘、出土、管片鋪設等多種隧道施工手段于一體的大型集成化設備，在現代隧道施工領域具有舉足輕重的地位[1]。盾構機防扭塊的設計是為了防止盾體的扭轉，保障隧道施工安全和進度。在使用過程中，由于地質等一些客觀的原因，往往會導致盾體所受的握裹力減少，導致盾體扭轉角度過大，使得防扭塊發生斷裂。在隧道內對防扭塊進行補焊時，由于空間的限制導致焊接質量不能保證，使得防扭塊多次發生斷裂，嚴重地影響了施工安全和進度。

某盾構機在成都地鐵8號線珠江路—川大江安校區站掘進期間，盾體發生較大角度扭轉，致其防扭塊先后發生2次斷裂現象，本文在此基礎上展開分析和研究。通過盾構機盾體圖樣，用SolidWorks建立簡易三維模型，借助SolidWorks的轉動慣量的計算功能，分析計算盾體扭轉產生的轉矩；再將建好的三維模型導入到ANSYS中，進行有限元分析，將之前得到的轉矩施加到盾體防扭塊上，得到最大應力和變形量；通過對變形過程的分析，優化防扭塊的結構，再次進行有限元分析，驗證優化結果的可行性。

1 盾構機防扭塊斷裂分析及結構

常規盾構機盾體由前盾、中盾與尾盾組成，前盾與中盾通過螺栓連接固定，中盾通過被動鉸接油缸牽引尾盾。防扭塊位于盾構機中盾上，焊接在中盾支撐架上，底部加筋固定以增加強度，共有2個防扭塊，對稱分布；其防扭盒焊接在尾盾盾體上，數量也是2個，裝配圖如圖1所示。

圖1 防扭塊與防扭盒裝配圖

盾構機在正常掘進的過程中，由于盾體與周圍土體產生的摩擦阻力F較大，阻止盾構機主機的扭轉，防扭塊受到的力較小。盾體與周圍土體產生的摩擦阻力與盾體周圍土體產生的正壓力有關，即F=(N1+N2)μ1。式中：N1、N2為盾體盾殼受到土體上下部的正壓力；μ1為盾殼與周圍土體的摩擦因數。盾體的受力簡圖如圖2所示。

圖2 盾構機盾殼受力簡圖

對于盾殼上的壓力可通過微積分的方法求得。盾殼受到土體上部的正壓力N1是由法線方向上的土壓力σθ所產生的，則dN1=σθ·Rdθ·L，θ∈(0，π)。根據受力平衡，盾殼受到土體上部的正壓力N2主要由盾體自身的重力W、正壓力N1和刀盤面板所受到的面板總切應力τ在盾體正法線方向上的分量Fτ所組成，即N2=N1+Wcos α+Fτ。由文獻[2]可知：

表1 盾構機主要參數

將盾構機正常掘進過程中的參數代入上述公式后得F=4300 kN，則盾構機盾體所受的防止扭轉的轉矩為10 535 kN·m，遠遠大于盾構機刀盤額定轉矩（6650 kN·m）,當地質發生改變后，盾構機的轉矩增大，根據盾構機掘進過程中的參數可知，盾構機的輸出轉矩達到8100 kN·m，盾體所受的盾殼與周圍土體的摩擦因數μ1減少為0.35，則F=2767 kN, 從而盾構機盾體所受的防止扭轉的轉矩為7374.5 kN·m，小于8100 kN·m，導致盾體發生扭轉。通過分析，防扭塊斷裂的主要原因是在掘進過程中地質突然變硬，刀盤在正常運轉過程中轉矩突然變大，使其盾體發生8°的扭轉，防扭塊受到的剪力突然變大進而斷裂。防扭塊斷裂后的照片如圖3所示。

圖3 防扭塊斷裂照片

2 防扭塊三維模型建立及受力分析

為了方便計算防扭塊所受到的力和對防扭塊進行可靠性分析，需要建立防扭塊在盾體上的三維模型。借助盾構機結構圖樣，通過SolidWorks建立防扭塊三維模型，如圖4所示。

圖4 中盾上防扭塊模型

為了較為方便準確地對防扭塊受到的剪切力進行分析，需要計算盾構機盾體扭轉過程中需要的轉矩。傳統的計算方法較為復雜，本文借助通過SolidWorks軟件計算功能進行，首先對設計的盾體三維結構設定材料屬性，然后計算盾體的轉動慣量J，最后通過公式T=J·ω/Δt計算出盾體扭轉的轉矩。圖5 為SolidWorks計算出的盾體的轉動慣量，盾體主要是繞著z軸扭轉，則可知轉動慣量J 為1.58×106kg·m2。根據盾構機的扭轉情況，這里取ω/Δt 為0.02,則T=3.16×104N·m。

圖5 計算轉動慣量

又由公式P =T/(R·S)，通過計算結果可以看出，盾構機在發生扭轉時，防扭塊受的壓強P為30 MPa。

3 防扭塊有限元分析

為了研究防扭塊的斷裂過程，對防扭塊進行有限元分析，研究防扭塊受到盾體轉矩后的變形過程。這里采用SolidWorks與ANSYS的互換性，將SolidWorks建立的三維模型，導入到ANSYS中。在進行分析前，首先設置防扭塊的材質，這里采用Q345鋼；然后對防扭塊進行網格劃分，將防扭塊斷裂位置的網格細化，以便更為準確地對防扭塊的斷裂過程進行分析；再將上述受力分析得到的數據加載在防扭塊上，得出分析結果如圖6所示。

圖6 有限元分析結果

通過有限元分析結果可以看出，防扭塊最大變形量在頂部為1.6 mm，最大應力為373 MPa，大于防扭塊的屈服強度（345 MPa），結構強度不滿足工況需求，從而導致結構的崩潰。從應力云圖可以看出，結構應力集中在防扭塊的過渡區域，也是結構最先斷裂的位置，與實際防扭塊斷裂位置相同，說明仿真結果可行。

4 防扭塊結構優化

通過分析防扭塊的影響因素，在原有防扭塊結構的基礎上對其進行優化改進。防扭塊發生斷裂主要是因為其強度不夠，通過其斷裂方式的分析，結合結構優化的方法，對防扭塊結構的優化有3種措施：1）在不影響防扭塊與防扭盒子裝配的基礎上增加加強筋；2）改善防扭塊的過渡半徑；3）增加防扭塊的厚度，由于已經添加加勁肋，導致厚度增加，若再增加防扭塊的厚度就會影響防扭塊與防扭盒子的裝配，則采用前兩種優化措施。則優化后的防扭塊的結構如圖7所示。

圖7 結構優化后的防扭塊

將改善后的防扭塊結構再次導入到ANSYS中進行有限元分析，分析過程如前所述，分析結果如圖8所示。

圖8 結構優化后的防扭塊的分析結果

從有限元仿真結果可以看出，結構優化后的防扭塊的最大變形量為1.58 mm，最大應力為271.76 MPa＜[σ]/1.25=345÷1.25=276 MPa，結構優化后的防扭塊滿足設計要求。

5 結論

本文針對某盾構機在掘進過程中出現的防扭塊的斷裂問題展開研究。通過計算分析，準確地解釋了盾構機盾體發生扭轉的原因；借助SolidWorks軟件的計算功能，輔助計算出防扭塊所受到的壓強；通過ANSYS軟件分析，仿真結果與實際相符，分析過程準確，借助結果對其結構進行優化，再次通過ANSYS分析，驗證優化結果的可靠性。從有限元的分析結果可以看出，本次優化后的結構強度滿足特定工況下的使用要求。