基于ANSYS的盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)臺(tái)車有限元分析

吳 威 李東鑫 陳 鵬 李延秋 朱曉天 柯 杰

(1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 江蘇南京 210009；2.中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司 江蘇南京 211800；3.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410083)

1 引言

大型水利工程兼顧灌溉、供水、發(fā)電、泄水、防洪抗旱等功能，是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的建設(shè)工程。水利隧洞為水利工程的樞紐，解決導(dǎo)流問題，長(zhǎng)距離輸水隧洞具有地質(zhì)條件復(fù)雜、施工技術(shù)及機(jī)械配置要求高、工期長(zhǎng)等特點(diǎn)，其施工質(zhì)量極大影響整體工程施工質(zhì)量與成本[1]。輸水隧洞傳統(tǒng)施工方法為鉆爆法，其優(yōu)點(diǎn)為地質(zhì)適應(yīng)性強(qiáng)、施工成本低，但存在施工效率低、安全性差、施工質(zhì)量難以保持穩(wěn)定等問題。隧道掘進(jìn)機(jī)法采用專用的全斷面隧道掘進(jìn)機(jī)施工，集開挖、支護(hù)、襯砌為一體，具有安全、高效、環(huán)保、施工質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于水利工程輸水隧洞施工[2]。

盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)是進(jìn)行隧道掘進(jìn)工法施工的大型掘進(jìn)裝備，因其穩(wěn)定、高效、安全等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)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(xiàng)地下空間工程建設(shè)中[3-5]。臺(tái)車是盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)后配套的重要組成部分，其上可安放液壓、動(dòng)力、操作、控制等多個(gè)系統(tǒng)，起承載、連接和運(yùn)輸作用。若臺(tái)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，或者臺(tái)車上相關(guān)設(shè)施安放布局不合理，將導(dǎo)致臺(tái)車側(cè)傾與變形，嚴(yán)重時(shí)可使臺(tái)車出現(xiàn)刮碰嚴(yán)重、垮塌等現(xiàn)象，并且會(huì)給設(shè)備拆解帶來極大麻煩。臺(tái)車的相關(guān)研究文獻(xiàn)較為少見，吳遁等[6]針對(duì)某盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)臺(tái)車變形問題，對(duì)臺(tái)車鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)分析，提出了相應(yīng)的改造方案；盛少琴等[7]根據(jù)后配套所包含的各類系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備布局和臺(tái)車結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；王鑫等[8]針對(duì)施工方面的因素，對(duì)后配套結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化進(jìn)行討論。晏勝榮[9]以揚(yáng)州瘦西湖隧道工程為背景，設(shè)計(jì)與制造了內(nèi)部結(jié)構(gòu)同步施工模板臺(tái)車，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)與內(nèi)部同步施工；李陽等[10]對(duì)南水北調(diào)工程某施工盾構(gòu)臺(tái)車進(jìn)行精簡(jiǎn)改造，使盾構(gòu)不損失性能情況下完成整體始發(fā)與掘進(jìn)。趙旭[11]探討了盾構(gòu)后配套拖車縮徑一次始發(fā)技術(shù)，并在工程應(yīng)用中進(jìn)行了驗(yàn)證。由此可見，盾構(gòu)臺(tái)車的研究多限于科普性介紹、整體設(shè)計(jì)或簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)改造，而對(duì)于特定工況下臺(tái)車力學(xué)性能分析的研究仍十分缺乏。為提高盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量，本文對(duì)某地下工程盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)臺(tái)車進(jìn)行有限元分析，研究其應(yīng)力與應(yīng)變變化規(guī)律，驗(yàn)證臺(tái)車設(shè)計(jì)和布置合理性，確保盾構(gòu)機(jī)施工安全。

2 臺(tái)車方案設(shè)計(jì)

2.1 工程概述

某盾構(gòu)工程盾構(gòu)施工段長(zhǎng)度5 468.54 m，管片內(nèi)徑φ10.5 m，外徑φ11.6 m，管片厚度為0.055 m，環(huán)寬2 m，采用一臺(tái)12 m級(jí)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)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(gòu)掘進(jìn)機(jī)施工地層主要包括淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土、細(xì)粉砂、中粗砂等。

2.2 臺(tái)車設(shè)計(jì)要求

根據(jù)工程背景，該盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)臺(tái)車主要設(shè)計(jì)要求如下:

(1)臺(tái)車應(yīng)滿足隧洞最大縱坡要求。

(2)保證臺(tái)車整體轉(zhuǎn)彎半徑。

(3)臺(tái)車的兩側(cè)要預(yù)留通道，方便管線埋設(shè)與維修。

(4)臺(tái)車下方預(yù)留足夠空間，安裝箱體，以便管片運(yùn)輸車等設(shè)施通行。

(5)臺(tái)車面施加許用載荷后，剛度和強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 臺(tái)車整體方案

根據(jù)臺(tái)車設(shè)計(jì)要求，采用門架式臺(tái)車方案，臺(tái)車下部空間能滿足車輛通行要求。根據(jù)出渣口位置和臺(tái)車上設(shè)施布置要求，將臺(tái)車數(shù)量設(shè)置為4節(jié)，并根據(jù)隧道最小水平曲線半徑確定臺(tái)車橫截面尺寸。

3 臺(tái)車有限元建模

3.1 臺(tái)車有限元模型建立

基于臺(tái)車設(shè)計(jì)圖紙，在SolidWorks中建立臺(tái)車三維實(shí)體模型，臺(tái)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(xì)微間隙以及其上安置的各類設(shè)施。由于2號(hào)臺(tái)車與3號(hào)臺(tái)車結(jié)構(gòu)相似，其上布置的設(shè)施差異較小，因此本文僅對(duì)1號(hào)、2號(hào)和4號(hào)臺(tái)車進(jìn)行靜力學(xué)仿真分析。采用ANSYS有限元軟件[12]對(duì)臺(tái)車進(jìn)行仿真分析，采用四面體單元(solid187)對(duì)3節(jié)臺(tái)車進(jìn)行網(wǎng)格劃分，1號(hào)臺(tái)車網(wǎng)格劃分后網(wǎng)格單元總數(shù)為377 126，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為724 187；2號(hào)臺(tái)車網(wǎng)格劃分后網(wǎng)格單元總數(shù)為115 803，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為221 370；4號(hào)臺(tái)車網(wǎng)格劃分后網(wǎng)格單元總數(shù)為285 094，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為550 984。

3.2 加載方案和邊界條件

1號(hào)臺(tái)車加載方案與邊界條件如圖1所示，臺(tái)車1樓主要布置泥漿泵、電機(jī)和控制臺(tái)，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(fēng)筒1 855 kg。除施加相應(yīng)設(shè)備重量外，為臺(tái)車整體施加重量加速度，而約束則施加在底部6個(gè)支撐梁上。

圖1 1號(hào)臺(tái)車加載方案與約束

2號(hào)臺(tái)車加載方案與邊界條件如圖2所示，約束施加在4個(gè)支腿底部，空壓機(jī)重量3 453 kg施加在側(cè)邊平臺(tái)上，風(fēng)筒重量763.36 kg施加于頂部，箱涵吊機(jī)和箱涵重量施加在吊機(jī)軌道，臺(tái)車整體施加重力加速度。

4號(hào)臺(tái)車加載方案與約束如圖3所示，水卷盤3 305 kg和水管導(dǎo)向輪61 kg施加于側(cè)邊平臺(tái)，廢水箱4 500 kg、風(fēng)筒1 121 kg和風(fēng)機(jī)308.46 kg施加于臺(tái)車頂部，發(fā)電機(jī)重量施加于懸掛平臺(tái)，整體施加重力加速度并在4個(gè)支腿底部施加約束。

圖2 2號(hào)臺(tái)車加載方案與約束

圖3 4號(hào)臺(tái)車加載方案與約束

4 臺(tái)車有限元仿真結(jié)果

1號(hào)臺(tái)車力學(xué)性能分析結(jié)果如圖4所示。應(yīng)力較大區(qū)域出現(xiàn)在平臺(tái)與支撐梁連接位置，最大應(yīng)力出現(xiàn)在1樓平臺(tái)與中間支撐梁連接處，達(dá)到109.37 MPa，這是由于建模時(shí)簡(jiǎn)化模型，忽略了圓角、倒角，導(dǎo)致了此處出現(xiàn)了應(yīng)力集中現(xiàn)象。最大應(yīng)力小于材料的屈服極限235 MPa，安全系數(shù)為2.15。1號(hào)臺(tái)車其他位置應(yīng)力值均較小，安全性較高。

圖4 1號(hào)臺(tái)車應(yīng)力云圖

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

圖5 1號(hào)臺(tái)車變形云圖

對(duì)2號(hào)臺(tái)車進(jìn)行力學(xué)性能分析，如圖6所示，2號(hào)臺(tái)車上應(yīng)力較大區(qū)域集中在支撐梁處，可見2號(hào)臺(tái)車的布置方式使支撐梁承載較大，最大應(yīng)力出現(xiàn)在導(dǎo)軌與支撐梁的連接處，達(dá)到45.049 MPa，遠(yuǎn)小于材料的屈服極限235 MPa，安全系數(shù)為5.22。2號(hào)臺(tái)車其他位置應(yīng)力值均較小，有充足的安全余量。

圖7為2號(hào)臺(tái)車變形云圖，由圖可知，2號(hào)臺(tái)車應(yīng)變量較大區(qū)域集中在臺(tái)車上部，并且呈現(xiàn)中間變形大兩邊變形小趨勢(shì)。由于頂部中心區(qū)域支撐梁為懸空設(shè)計(jì)，其上加載了風(fēng)筒重量，在靜力作用下變形最大的位置出現(xiàn)在頂部中心支撐梁處，最大變形量為1.341 5 mm。

圖6 2號(hào)臺(tái)車應(yīng)力云圖

圖7 2號(hào)臺(tái)車變形云圖

4號(hào)臺(tái)車的力學(xué)性能分析如圖8所示，應(yīng)力較大區(qū)域出現(xiàn)在支撐梁、側(cè)邊加強(qiáng)筋板、臺(tái)車頂部筋板處，最大應(yīng)力出現(xiàn)在行走架與支撐梁的連接處，達(dá)到81.984 MPa，小于材料的屈服極限235 MPa，安全系數(shù)為2.87。臺(tái)車其余部位應(yīng)力值均小于9 MPa，說明4號(hào)臺(tái)車強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖8 4號(hào)臺(tái)車應(yīng)力云圖

圖9為4號(hào)臺(tái)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(xiàn)在行走架中間邊緣處，最大變形量為5.867 4 mm，此外臺(tái)車頂部中心區(qū)域由于設(shè)計(jì)距離較長(zhǎng)且無支撐結(jié)構(gòu)，其變形量也較大。

圖9 4號(hào)臺(tái)車變形云圖

總結(jié)上述臺(tái)車有限元分析結(jié)果如表1所示。由表可知，1號(hào)臺(tái)車的最大應(yīng)力值和最大變形量在所有臺(tái)車中最大，其安全系數(shù)相應(yīng)最低，而2號(hào)臺(tái)車應(yīng)力值和變形量最小，安全系數(shù)最高，這與2號(hào)臺(tái)車橫向尺寸較小并且其上的設(shè)備安放布局較合理相關(guān)。臺(tái)車總體設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度剛度要求，若追求更小的變形量，可對(duì)1號(hào)臺(tái)車與3號(hào)臺(tái)車結(jié)構(gòu)和設(shè)施布置進(jìn)一步優(yōu)化。

表1 臺(tái)車應(yīng)力應(yīng)變值

5 應(yīng)用

由仿真分析結(jié)果可知，該盾構(gòu)臺(tái)車布置較為合理，最大等效應(yīng)力及最大變形均較小，在強(qiáng)度和剛度上基本滿足設(shè)計(jì)要求。按照設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)臺(tái)車進(jìn)行加工制造。后續(xù)施工發(fā)現(xiàn)，該臺(tái)車結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，投入使用后，現(xiàn)場(chǎng)施工合理，可實(shí)現(xiàn)施工與運(yùn)輸互不干擾，在箱涵及管片拼裝、工序銜接、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面體現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)，施工過程中未出現(xiàn)明顯變形現(xiàn)象。

6 結(jié)論

本文以某盾構(gòu)施工工程為研究背景，采用SolidWorks建立該工程盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)臺(tái)車三維模型，應(yīng)用ANSYS仿真軟件對(duì)臺(tái)車進(jìn)行有限元分析，得到1號(hào)、2號(hào)和4號(hào)臺(tái)車應(yīng)力及應(yīng)變分布規(guī)律。仿真結(jié)果表明1號(hào)臺(tái)車應(yīng)力值和變形量最大，4號(hào)臺(tái)車次之，2號(hào)臺(tái)車最小，因而2號(hào)臺(tái)車安全性最高。臺(tái)車整體應(yīng)變值和變形量較小，強(qiáng)度和剛度基本滿足設(shè)計(jì)施工要求，后續(xù)實(shí)際施工過程中臺(tái)車表現(xiàn)出優(yōu)異的使用性能，驗(yàn)證了仿真結(jié)果。本文有限元仿真分析可為盾構(gòu)臺(tái)車設(shè)計(jì)和設(shè)施優(yōu)化布置提供重要參考。