φ6.22 m敞口式盾构前檐支护装置的设计与研究

崔立山,王建辉,杨海涛

(北京市三一重机有限公司盾构公司，北京 102202)

φ6.22 m敞口式盾构前檐支护装置的设计与研究

崔立山,王建辉,杨海涛

(北京市三一重机有限公司盾构公司，北京 102202)

前檐支护装置是敞口盾构的重要部件，主要作用是支撑隧道面上部，承载拱顶的土压力，避免上方土体的坍塌。以北京地铁6号线敞口盾构前檐装置为研究对象，介绍前檐支护装置的功能、结构、前檐推力计算及油缸选型。选取2种典型工况进行有限元分析，得到前檐的应力云图和位移云图，为前檐的设计和改进提供参考,同时提出改进措施，并进行改进。通过样机的试制及实际施工的检验，证明了前檐结构的可行性、可靠性。

盾构；敞口式；前檐；设计

0 引言

国内现已应用的盾构主要以密闭式为主[1-3]，我国自主研发的敞口式盾构在国内施工应用刚刚开始。敞口式盾构[4]是一种安全、高效(相对于暗挖)、低成本[5]的地下隧道施工设备。

目前许多专家学者对敞口式盾构进行了一些研究，主要集中在敞口盾构可行性分析[6]、施工方案探讨[7]、敞口盾构设计综述[8]、推力计算[9]等方面。但以关键部件为研究对象的相对较少，文献[10]以敞口式盾构挖掘装置为研究对象，对其进行仿真与优化研究；文献[11]对敞口式盾构在北京地区的适应性分析，给出了前檐受力理论计算方法；文献[12]论述了敞口式盾构前盾的技术设计特点，介绍了前檐的力学模型及理论计算方法。

本文针对北京地铁6号线2期工程以敞口盾构的关键部件——前檐为研究对象，介绍前檐推力计算方法、力学模型及油缸选型，选取2种典型工况对前檐的结构进行有限元分析，得到前檐的应力云图和位移云图，为前檐的设计和改进提供参考。同时提出改进措施，并进行优化。

1 工程概况

1.1 工程位置

北京地铁6号线2期15标段(郝家府站—东部新城站区间)，由郝家府站向东，沿运河东大街北侧设置，现状运河东大街道路全宽48 m，主路24 m，两侧辅路均为7 m，主路与辅路设置5 m隔离带。规划运河东大街走向和现状运河东大街基本一致，规划道路宽60 m，两侧各设置30 m宽的绿化带。沿线穿越农田、高压电力走廊、丰字沟、现状自然村、召里路，到达宋郎路和运河东大街交叉路口的东部新城站。

设计里程为K40+512.9～K41+770.4，右线长1 257.5 m，左线长1 258.003 m。区间在右K41+062.5处设联络通道兼泵房1座，在右K41+500处设联络通道1座。

1.2 工程地质条件

本区间郝家府站—东部新城站位于北京城区东部地区，地形基本平坦，地势起伏不大，属于潮白河故道、温榆河故道交汇区。

根据工程地质和水文概况，各地层修正后的围岩为Ⅵ级，土石可挖性为Ⅰ至Ⅱ级，土体自稳能力较差，很难形成自然拱。其中普遍存在粉细砂③3层、中粗砂④4层、中粗砂⑤1层，其厚度较大，富水性好，且为饱和状态。在地下水的作用下，会产生涌水、潜蚀、流砂等现象，极易导致隧道侧壁失稳。

敞口式盾构结构图如图1所示。

图1 敞口式盾构结构图

2 前檐支护装置

2.1 功能概述

前檐支护装置是为防止工作面围岩坍塌和挤出、变位之用。对于围岩来说，支护装置是承受被动压力的。采用支护油缸作为支护装置，应具有防止围岩松弛、工作面坍塌，保持支挡压力，与盾构推进同步的安全阀等的功能。前檐支护装置功能如下：

1)可满足前檐伸出600 mm，根据管片宽度1 200 mm 而定。

2)整体7个前檐可支撑隧道面上部160°范围。

3)可满足前檐挡板在100°范围张合，辅助支撑掌子面，保持开挖面的稳定。

4)前檐结构可实现更换。

2.2 机械结构简介

前檐支护装置由活动前檐、活动挡板及液压油缸组成。

活动前檐配置在前盾上，在前盾环拱部的滑槽内，其端面多为平面形，工作状态下通过液压油缸向开挖端伸出。液压缸易因偏压而引起变形，根据不同情况，有时采用导槽防护，保证弯矩不直接作用于油缸上。对于活动前檐结构，还应考虑支挡反力、工作面上部落下土砂的冲击作用等，需要选用较为坚固的构造。

活动前檐是利用刃脚的可动部分插入土中，当因土压产生弯曲时，再欲收回较困难，故必须加大牵引拉力。

活动挡板铰接在活动前檐上，表面敷装有若干橡胶板，可对开挖面的不平度进行一定的补偿。通过液压油缸向前伸出，可在100°范围内张合，辅助支撑掌子面，保持开挖面的稳定。

前檐支撑结构图如图2所示。

(a)

(b)

前檐支撑需要频繁地伸出收回，设计时除考虑必要的结构强度外，还进行了以下针对性设计。

1)在活动前檐底部设有排渣孔洞，避免渣土挤压堵塞滑道。

2)前檐支撑与滑道之间间隙，可通过不同位置的前檐互换安装或更换耐磨板进行调整。

3)每个活动前檐油缸总推力为960 kN，活动前檐具有足够的推力储备，便于在不同地层中可以轻松插入土体。

3 前檐支撑受力分析与计算

前檐受力模型如图3和图4所示。

图3 前檐伸出时受力示意图Fig.3 Force analysis of advance timbering under working conditionⅠ

图4 前檐伸出、挡板撑起时受力示意图Fig.4 Force analysis of advance timbering under working conditionⅡ

前檐参数及推力计算如表1所示。

表1 前檐参数及推力Table 1 Parameters and thrust of advance timbering

3.1 前檐推进油缸

如图4所示，前檐伸出，挡板撑起，假设此时在前方围岩坍塌的瞬时状态下(前檐与周边土体产生的摩擦力，正面坍塌土体产生的土压力和前檐的贯入阻力)，前檐的推进力

F=F1+F2+F4+F5=676.65 kN。

F=πD2×p×N/4。

式中：D为推进油缸缸径，mm；p为推进油缸的压力，MPa；N为推进油缸的个数，取1或2。

单油缸和双油缸尺寸相差不大，受到安装空间限制，本方案中采用单油缸，取油缸行程1 250 mm(φ160/125-1 250)。

油缸最大拉力

得：F1≈0.4F=270.66 kN。

活塞杆强度校核：

油缸在承受轴向推力的情况下，

式中：F为活塞杆的作用力，N；d为活塞杆直径，m；σp为材料的许用应力,MPa。

求得：

110) MPa。

3.2 挡板油缸

挡板油缸主要承受水平土压力对挡板的压力F5=348.7 kN。

当挡板与插刀帽檐垂直时，油缸轴线与水平面的角度为15°时，F5=F/cos 15°。

求得F=359.5 kN。

F=πD2×p×N/4。

式中：D为推进油缸缸径，mm；p为推进油缸的压力，MPa；N为推进油缸的个数，取1。

根据工程实际，油缸行程取1 000 mm(φ125/90-1 000)。

油缸在承受轴向推力的情况下，

式中：F为活塞杆的作用力，N；d为活塞杆直径，m；σp为材料的许用应力，MPa。

求得：

3.3 正面挡板油缸

见图5。

正面挡板的面积S2=8 131 200 mm2，若中间2个油缸采用2 000 mm×2 000 mm挡板，面积S1=4×106mm2。盾构中心线部位的水平土压力为0.13 MPa，油缸推力F计算如下。

Fmax=p×S2=1 057 kN。

F=πD2×p×N/4。

式中：D为推进油缸缸径，mm；p为推进油缸的压力，MPa；N为推进油缸的个数，取2。

根据工程实际，油缸行程取1 550 mm(φ160/125-1 550)。

图5 正面挡板结构示意图

3.4 导轨受力计算

假设前檐在伸出1 200 mm的状态下，顶部受到土压力的作用，此时重合导轨处的重合长度为L，贴合面接触不良状态下，重合处只在左、右两端形成2个支点支撑，如图6中A，B2点。

图6 前檐导轨受力示意图

m=1 200 mm；L=1 200 mm；土压力p=0.3 MPa。

此时导轨接触长度L=1 200 mm，动静导轨接触面宽度b=40 mm。支点A,B2处的支反力：

FA=qm(2+λ)/2;FB=-qm2/(2L)；λ=m/L。

求得：FA=810 kN;FB=270 kN。

取最大支点的力为接触面的挤压力F=810 kN。

接触强度σ=F/S=9.5 MPa。

4 有限元计算及结构分析

前檐的主要作用是支撑隧道面上部，承载拱顶的土压力，避免上方土体的坍塌。每个前檐支撑上还铰接有扇形挡板，辅助支撑掌子面，保持开挖面的稳定。

4.1 前檐有限元分析

4.1.1 工况1

前檐在伸出过程中但没有插入土体时，此时前檐相当于悬臂梁结构，主要承受前檐顶部土体产生的土压力，土体对前檐表面的摩擦力沿轴向作用，对前檐结构的影响可忽略不计。

在前檐上部表面加载0.3 MPa的土压力，约束盾体6个自由度。

前檐在工况1的条件下位移云图如图7所示。从图7可以看出，前檐的最大位移在插刀最前端，值为5.77 mm。

图7 工况1前檐位移云图Fig.7 Deformation contour of advance timbering under working condition 1

前檐应力云图如图8所示。由图8可以看出，最大应力出现在盾体上端，值为371.68 MPa。这个点是奇异点，暂不考虑，从其最大应力分布区域可以看出，受力较大的区域在插刀与盾体结合处，值为206.5～330.39 MPa。

图8 工况1前檐应力云图Fig.8 Stress contour of advance timbering under working condition 1

4.1.2 工况2

前檐伸出插入土体，前方土体坍塌，在前檐伸出1 200 mm的工况下对前檐进行分析。

在前檐上部表面加载0.3 MPa的土压力，前檐插刀面及挡板面加载0.14 MPa，约束盾体6个自由度。

前檐的位移云图如图9所示。从图9可以看出，前檐的最大位移在插刀最前端，值为5.945 mm。

图9 工况2前檐位移云图Fig.9 Deformation contour of advance timbering under working condition II

前檐的应力云图如图10所示。从图10可以看出，最大应力为286.28 MPa。从其最大应力分布区域可以看出，受力较大的区域在插刀与盾体结合处，值为159.05～254.47 MPa。

图10 工况2前檐应力云图Fig.10 Stress contour of advance timbering under working condition II

综上，从对前檐在2种工况下进行的有限元分析可以看出，在前檐插刀与盾体的结合处受力最大，下文分别对前檐上导轨和盾体上的导轨进行进一步的受力分析。

4.2 前檐上导轨受力分析

前檐上导轨的受力情况如图11所示。从图11可以看出，安装在前檐上导轨的最大应力出现在插刀与盾体结合处，值为191.78 MPa，最大受力区域应力值为86.125～170.66 MPa。

4.3 盾体上导轨受力分析

盾体上导轨的受力情况如图12所示。从图12可以看出，安装在盾体上导轨的最大应力出现在插刀与盾体结合处，值为355.43 MPa，最大受力区域应力值为197.52～315.95 MPa。

综上，开挖面的支护由前盾帽檐、伸缩前檐和活动挡板承担，均采用40 mm厚的Q345B低合金高强度结构钢制造，材料屈服强度σb=345 MPa，抗拉强度σs≥470 MPa。按最极端的情况分析：隧道埋深按30 m，开挖面上方发生部分塌陷，伸缩前檐伸长至最大长度为1 200 mm,基于ANSYS软件进行有限元分析，分析结论如下。

图12 盾体上导轨应力云图

1)前檐受力较大的区域在插刀与盾体结合处，值为206.5～330.39 MPa，最大应变为5.954 mm，受力较大。

2)安装在盾体上导轨的最大应力出现在插刀与盾体结合处，值为355.43 MPa，最大受力区域应力值为197.52～315.95 MPa，受力较大。

由于插刀在工作过程中受土压作用，在前檐导轨与盾体导轨结合处受剪切力作用较大。为了避免长时间工作产生疲劳破坏，在实际结构中采取如下措施进行改善。

1)在前檐导轨与盾体导轨之间加特殊材质耐磨板，避免2个导轨钢结构之间直接摩擦、磨损。

2)在前檐导轨与盾体导轨之间安装滚动轴承结构，由滑动摩擦变为滚动摩擦，减小摩擦力。

3)在前檐导轨与盾体导轨之间安装加润滑油道，减小磨损及摩擦力。

5 样机试制

本样机应用在北京地铁6号线2期15标段试验段，全程388 m。样机如图13所示。

前檐在施工中的操作说明：

1)根据前檐伸出的油压在控制范围内时，前檐伸出。

2)根据前檐伸出的油压超过设计值的2/3时，前檐伸出时需要开挖进行辅助进行，即边开挖边伸出。

3)盾构前檐同时伸出的数量需要考虑盾构的姿态、土体的贯入度、开挖的需求综合进行考虑。前檐伸出的顺序是先上后下，先中间后两边。

目前，在施工试验段前檐工作良好，已经完成掘进70 m。

6 结论与讨论

本文针对北京地铁6号2期工程的具体地质条件，结合盾构的设计要求，对前檐支护装置设计进行了研究，主要结论如下。

(a)

(b)

1)对前檐结构在2种工况下进行了有限元分析，得到了前檐受力较大的区域在插刀与盾体结合处，值为206.5～330.39 MPa，最大应变为5.954 mm。进而对受力较大区域即前檐上的导轨和盾体上的导轨进行了进一步分析得到：前檐上导轨的最大应力出现在插刀与盾体结合处，最大值为191.78 MPa；最大受力区域应力值为86.125～170.66 MPa；盾体上导轨的最大应力出现在插刀与盾体结合处，值为355.43 MPa，最大受力区域应力值为197.52～315.95 MPa。因此，盾体上导轨为前檐结构中受力较大区域。

2)由于前檐插刀在工作的过程中受土压作用，在前檐导轨与盾体导轨结合处受剪切力作用较大。为了改善前檐结构受力较大的问题，提出改进措施如下：①在前檐导轨与盾体导轨增加特殊材质的耐磨板，避免钢结构之间直接磨损。②在前檐导轨与盾体导轨之间安装滚动轴承结构，由滑动摩擦变为滚动摩擦，减小摩擦力。③在前檐导轨与盾体导轨之间安装加润滑油道，减小磨损及摩擦力。

3)通过样机的试制及实际施工的检验，证明了前檐结构设计的可行性和可靠性。

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DesignofandStudyonAdvanceTimberingofφ6.22mOpenShield

CUI Lishan,WANG Jianhui,YANG Haitao

(CompanyofTunnelingShieldManufacturing,BeijingSANYHeavyMachineryCo.,Ltd.,Beijing102202,China)

Advance timbering,an important component of open shield,plays a crucial role in supporting the tunnel,bearing the earth pressure and preventing the collapse.In the paper,the function,configuration,thrust calculation and cylinder selection of the advance timbering ofφ6.22 m open shield used in No.6 line of Beijing Metro are presented.Furthermore,a finite element model for the advance timbering is established based on 2 typical working conditions and the stress and deformation contour plots are generated.According to the analysing results,improvement measures are proposed and carried out.The boring of the prototype shield proves that the advance timbering designed is feasible and reliable.

open shield;advance timbering;design

2013-12-03;

2014-03-06

崔立山(1986—)，男，辽宁营口人，2011年毕业于东北大学，机械设计及理论专业，硕士，工程师，主要从事盾构研制方面的工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.06.016

U 45

A

1672-741X(2014)06-0592-06