新型TBM撐靴與圍巖接觸數(shù)值模擬分析

朱雨震，王超飛，李　業(yè)，郭巍鵬

(華東交通大學(xué) 機(jī)電與車輛工程學(xué)院，江西　南昌　330000)

0　引言

硬巖全斷面掘進(jìn)機(jī)(Tunnel Boring Machine，簡(jiǎn)稱TBM)集“機(jī)械、電氣、液壓”等多學(xué)科前沿技術(shù)于一體，利用多刀具組成的大型刀盤切削硬巖巖層，實(shí)現(xiàn)高效、安全、環(huán)保的切削、輸渣、襯砌支護(hù)等一系列多功能作業(yè)[1-2]，因而成為硬巖隧道施工的利器，被廣泛應(yīng)用于公路、礦山通道、地鐵、水利水電、鐵路等工程建設(shè)中[3]。

支撐機(jī)構(gòu)是TBM實(shí)現(xiàn)連續(xù)掘進(jìn)的重要組成部分，而撐靴又是支撐系統(tǒng)中的關(guān)鍵構(gòu)件[4]。TBM掘進(jìn)時(shí)，支撐系統(tǒng)伸出撐靴撐緊圍巖，依靠著撐靴與圍巖的支撐力支撐著機(jī)構(gòu)的重量同時(shí)將推力和扭矩的反力通過撐靴傳遞到圍巖，從而推進(jìn)掘進(jìn)機(jī)作業(yè)。若支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，撐靴與圍巖接觸易產(chǎn)生撐子面撐不住、表層巖石易脫落、接地比壓不均勻、零部件易損等問題[5]。TBM掘進(jìn)阻力經(jīng)刀盤、掘進(jìn)機(jī)構(gòu)、撐靴傳遞到撐子面，針對(duì)現(xiàn)有支撐機(jī)構(gòu)不能適應(yīng)撐子面軟硬嚴(yán)重變化的問題，課題組開發(fā)了一種新型TBM縮尺試驗(yàn)臺(tái)。

本文將以新型TBM縮尺試驗(yàn)臺(tái)模型的撐靴為研究對(duì)象，利用有限元軟件ABAQUS對(duì)撐靴與圍巖接觸進(jìn)行數(shù)值模擬分析，并采用MATLAB編程對(duì)仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到撐靴與圍巖接觸表面綜合應(yīng)力與綜合位移的等勢(shì)線分布圖、沿周向關(guān)鍵角度變化曲線圖及沿軸向關(guān)鍵距離變化曲線圖，總結(jié)接觸表面綜合應(yīng)力與綜合位移變化規(guī)律,以期對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及工程應(yīng)用提供參考[6]。

1　軸對(duì)稱撐靴與圍巖物理模型的建立

新型TBM縮尺試驗(yàn)臺(tái)模型如圖1所示。

圍巖即巖土或土體，是硬巖掘進(jìn)機(jī)TBM周圍的質(zhì)體，作為地下工程，TBM對(duì)圍巖開挖前的應(yīng)力狀態(tài)為原始固結(jié)狀態(tài)，即一次應(yīng)力狀態(tài)，開挖后的應(yīng)力狀態(tài)為二次應(yīng)力狀態(tài)，不需要支護(hù)。本節(jié)主要討論圍巖二次應(yīng)力狀態(tài)，這時(shí)它處于彈性狀態(tài)，除了本身因?yàn)楸婚_挖巖體造成些許松動(dòng)外，整個(gè)圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1　新型TBM縮尺試驗(yàn)臺(tái)模型

首先進(jìn)行如下假設(shè)：①研究對(duì)象圍巖屬于線彈性體，內(nèi)部均勻連續(xù)且各向同性，為小變形問題；②原始巖體在各個(gè)方向上壓力相等，大小為P0，如圖2所示；③TBM掘進(jìn)的斷面形狀為圓形，開挖半徑為R0，即撐靴半徑,沿橫向、縱向沒有局限，可視為平面應(yīng)變問題來看待；④對(duì)于圍巖的深埋問題，深度Z≥20R0，圍巖自重可忽略；⑤影響圈的范圍為3R0～5R0，則在此范圍內(nèi)開挖后圍巖為二次應(yīng)力場(chǎng)區(qū)，在此范圍外為原巖應(yīng)力場(chǎng)區(qū)[7]。

基于上述5種假設(shè)，圍巖可視為軸對(duì)稱的圓孔問題，與TBM刀盤圓形直徑相適應(yīng)。由圖1可知，新機(jī)構(gòu)三組撐靴呈圓周相隔120°布置，沿每組撐靴中心線對(duì)稱，可得到研究對(duì)象為沿周向60°的撐靴與圍巖接觸的1/2模型，如圖3所示。

根據(jù)圖1與圖3，利用軸對(duì)稱性，運(yùn)用SolidWorks繪制撐靴與圍巖三維模型，如圖4所示。

2　撐靴與圍巖接觸仿真模型的建立

利用ABAQUS解決撐靴與圍巖的接觸問題，圖5為該模型下的計(jì)算流程。

圖2　軸對(duì)稱圓形隧道的力學(xué)模型

圖4　撐靴與圍巖三維模型

圖5　仿真計(jì)算流程

TBM屬于硬巖掘進(jìn)機(jī)，主要針對(duì)巖體比較硬的工況進(jìn)行作業(yè)，針對(duì)不同的圍巖巖體特征及主要參數(shù)，圍巖接觸表面承受的最大應(yīng)力以及變形不同，本文選?、蝾悋鷰r，內(nèi)部均勻連續(xù)完整，運(yùn)用ABAQUS繪制撐靴與圍巖接觸仿真模型，如圖6所示。

該模型撐靴半徑R0=4 400 mm，圍巖沿軸向與徑向長(zhǎng)度均為15 000 mm，符合二次應(yīng)力狀態(tài)影響圈范圍3R0～5R0的要求，撐靴采取剛性材料，彈性模量E1=210 000 MPa，泊松比μ1=0.3，圍巖彈性模量E2=24 000 MPa，泊松比μ2=0.24。通過同點(diǎn)以及面平行的約束，將撐靴與圍巖裝配，因?yàn)樵撗芯繉?duì)象為小變形問題，初始增量步設(shè)為1，輸出應(yīng)力和位移，系統(tǒng)在計(jì)算過程中會(huì)根據(jù)收斂原則調(diào)整增量步，保證得到較為精確的解。撐靴與圍巖為面面接觸，法向?yàn)橛步佑|，切向摩擦系數(shù)為0.3, 符合小于0.4的要求。

新型TBM機(jī)構(gòu)載荷同維爾特TB880E，極限條件下支撐載荷為60 000 kN，則平均分配到每個(gè)撐靴的極限支撐載荷F=20 000 kN(中間孔載荷2F1=10 000 kN,兩側(cè)孔載荷F2=5 000 kN)。圍巖共有六個(gè)表面，邊界條件為：沿徑向最外端面以及沿Z軸方向兩個(gè)端面均完全固定，上下兩個(gè)面沿垂直方向?qū)ΨQ約束位移為零，圍巖內(nèi)側(cè)面為接觸面，不進(jìn)行約束。撐靴接觸表面網(wǎng)格單元類型為六面體單元，精度較高，其他區(qū)域?yàn)樗拿骟w單元；整個(gè)圍巖單元類型為六面體單元，接觸區(qū)域網(wǎng)格單元比較密集，其他區(qū)域沿軸向逐漸增大，沿徑向呈單精度增大，有利于提高計(jì)算效率，同時(shí)保證結(jié)果準(zhǔn)確性。

3　接觸表面應(yīng)力位移特性分析

根據(jù)軸對(duì)稱性，柱坐標(biāo)系下RθZ有限元接觸模型如圖7所示。利用ABAQUS對(duì)撐靴與圍巖進(jìn)行接觸分析求解，并提取數(shù)據(jù)；然后，利用MATLAB編程對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，繪制撐靴與圍巖接觸表面的綜合應(yīng)力與綜合位移分布圖。

圖6撐靴與圍巖接觸仿真模型圖7柱坐標(biāo)系下的有限

元接觸模型

圖8為圍巖綜合應(yīng)力分布圖，虛線區(qū)域內(nèi)為撐靴圍巖接觸區(qū)域。由于兩孔支撐力對(duì)接觸區(qū)域影響效果各不相同，主要集中分布于0°～20°范圍內(nèi)，應(yīng)力最大值約為8 MPa，出現(xiàn)在中間支撐液壓缸球面副對(duì)應(yīng)的凹槽兩側(cè)接觸區(qū)域，而兩側(cè)支撐液壓缸球面副對(duì)應(yīng)的凹槽兩側(cè)接觸區(qū)域綜合應(yīng)力最大值約為6.5 MPa，以最大應(yīng)力值為中心，向四周擴(kuò)散減小。

圖9為圍巖綜合位移分布圖，主要集中分布在周向尺寸0°～20°范圍內(nèi)。同一周向尺寸上，位移沿軸向尺寸增加逐漸減小，位移最大值約為0.45 mm，出現(xiàn)在中間孔對(duì)應(yīng)的凹槽兩側(cè)接觸區(qū)域，最小值出現(xiàn)在接觸邊緣；綜合位移沿接觸表面周向尺寸增大基本上依次遞減，最后變形均趨于0.1 mm，在周向尺寸14°左右，出現(xiàn)略微的增高趨勢(shì)，這是由于兩側(cè)支承載荷作用的效果。

4　接觸表面關(guān)鍵尺寸變化曲線圖

為了更好地分析撐靴與圍巖接觸表面的應(yīng)力、位移特性變化分布規(guī)律，利用MATLAB繪制圍巖接觸表面沿周向關(guān)鍵角度及沿軸向關(guān)鍵距離變化曲線圖，總結(jié)其分布規(guī)律，為機(jī)構(gòu)的優(yōu)化以及試驗(yàn)臺(tái)與工程實(shí)際的應(yīng)用提供參考，各個(gè)周向關(guān)鍵角度及軸向關(guān)鍵距離如圖10所示。

圖11為不同周向關(guān)鍵角度下圍巖接觸表面綜合應(yīng)力變化曲線圖。從凹槽接觸區(qū)到整個(gè)撐靴圍巖接觸區(qū)范圍內(nèi)，綜合應(yīng)力先增大后減小，在軸向尺寸約100 mm處達(dá)到最大值，周向尺寸0°附近應(yīng)力值均大于其他周向尺寸處的應(yīng)力；由于支承載荷在距離對(duì)應(yīng)接觸區(qū)域較遠(yuǎn)處傳遞較小，相應(yīng)的接觸區(qū)域(周向尺寸21°與27°)應(yīng)力變化穩(wěn)定且數(shù)值較小。

圖12為不同軸向關(guān)鍵距離下圍巖接觸表面綜合應(yīng)力變化曲線圖。三個(gè)關(guān)鍵尺寸綜合應(yīng)力整體大小為：σ100 mm>σ300 mm>σ550 mm。在兩側(cè)與中間支撐載荷共同作用工況下，綜合應(yīng)力沿周向方向均由最大值先減小再增大最后減小到最小值1 MPa左右。

圖13為不同周向關(guān)鍵角度下圍巖接觸表面綜合位移變化曲線圖。圍巖接觸表面綜合位移分布規(guī)律與綜合應(yīng)力基本相似，沿軸向方向均是先增大后減小，在軸向尺寸約100 mm處達(dá)到綜合位移最大值。

圖8圍巖接觸表面綜合應(yīng)力分布圖圖9圍巖接觸表面綜合位移分布圖圖10圍巖接觸表面關(guān)鍵尺寸示意圖圖11不同周向關(guān)鍵角度下綜合應(yīng)力變化曲線圖

圖14為不同軸向關(guān)鍵距離下圍巖接觸表面綜合位移變化曲線圖。關(guān)鍵距離綜合位移整體大小為：U100 mm>U300 mm>U550 mm。沿軸向關(guān)鍵距離綜合位移變化規(guī)律與綜合應(yīng)力基本相似，當(dāng)兩側(cè)與中間支撐載荷共同作用工況下，綜合位移沿周向方向逐漸減小到0.1 mm左右。

圖12不同軸向關(guān)鍵距離下綜合應(yīng)力變化曲線圖圖13不同周向關(guān)鍵角度下綜合位移變化曲線圖圖14不同軸向關(guān)鍵距離下綜合位移變化曲線圖

5　結(jié)論

本文通過ABAQUE對(duì)撐靴與圍巖的接觸進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，運(yùn)用MATLAB分析了接觸表面綜合應(yīng)力、位移分布特性及變化規(guī)律，得出如下結(jié)論：

(1) 由于支撐力對(duì)接觸區(qū)域影響效果各不相同，綜合應(yīng)力與綜合位移變形主要集中分布于θ=0°～20°范圍內(nèi)，最大值均出現(xiàn)在中間支撐液壓缸球面副對(duì)應(yīng)的凹槽兩側(cè)接觸區(qū)域，分布不均勻。

(2) 撐靴與圍巖接觸表面的綜合應(yīng)力隨TBM掘進(jìn)方向尺寸的增加先增大后減小，隨圍巖周向尺寸的增加先減小后增大再減小，最后趨于1 MPa左右。

(3) 撐靴與圍巖接觸表面的綜合位移隨TBM掘進(jìn)方向尺寸的增加先增大后減小，隨圍巖周向尺寸的增加位移值呈遞減趨勢(shì)，最后趨于0.1 mm左右。

參考文獻(xiàn)：

[1]龔秋明.掘進(jìn)機(jī)隧道掘進(jìn)概論[M].北京:科學(xué)出版社,2014.

[2]杜彥良.全斷面巖石掘進(jìn)機(jī)——系統(tǒng)原理與集成設(shè)計(jì)[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2011.

[3]張鳳祥,朱合華,傅德明.掘進(jìn)裝備隧道[M].北京:人民交通出版社,2004.

[4]李威.TBM撐靴與圍巖接觸表面應(yīng)力分布均勻性研究[D]:南昌：華東交通大學(xué)，2016：8-9.

[5]牛文文.TBM支撐推進(jìn)機(jī)構(gòu)掘進(jìn)性能分析[D]:天津：天津大學(xué)，2014：1-10.

[6]施虎,楊華勇,龔國(guó)芳，等.盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)關(guān)鍵技術(shù)及模擬試驗(yàn)臺(tái)現(xiàn)狀與展望[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào),2013,47(5):741-749.

[7]劉景儒.復(fù)雜斷面洞室圍巖應(yīng)力仿真分析[J].鐵道建筑，2007,20(4):38-41.