上软下硬复合地层盾构机中盾本体强度及模态有限元分析

马守为

[摘要]上软下硬复合地层中盾构区间施工条件复杂，盾构选型是保证施工安全和施工顺利推进特别重要的一步。通过利用有限元软件对盾构机中盾盾体进行强度及模态有限元分析，为盾构选型提供理论支撑。

[关键词]上软下硬复合地层 盾本体 有限元分析

一、引言

深圳地铁7号线某盾构区间通过上软下硬复合地层，施工条件比较复杂。隧道顶层多为砾质粘性土，底层多为强风化花岗岩及全风化花岗岩，部分为中风化花岗岩及微风化花岗岩。经地质补勘发现区间左线隧道范围岩层坚硬，微风化花岗岩单轴抗压强度达到150MPa，盾构推进困难。

上软下硬复合地层中，盾构法隧道能否安全、环保、优质、经济、快速建成的关键工作之一就是盾构选型。除了从安全适应性、技术先进性、经济性等方面综合考虑外，通过利用有限元软件对盾构机中盾盾体进行强度及模态有限元分析，为盾构选型提供理论支撑。

二、建立计算模型

（一）中盾本体受力分析

参考日本隧道技术规范，对盾构机中盾本体进行受力分析，盾体受力模型如图1所示。根据区间地质详勘资料，计算各部分压力值为P1=0.263Mpa，P2=0.189Mpa，P3=0.331Mpa，P4=0.277M pa。

（二）中盾本体有限元建模

根据盾构机图纸，建立中盾本体的三维模型，导入Ansys软件进行有限元分析。根据计算载荷对中盾本体施加压力载荷，在中盾与前盾连接面施加固定约束，生成中盾本体的有限元模型如图2所示，盾体材料如表1所示。

（三）中盾盾体强度分析

由图3（a）可知，已知载荷下作用下中盾本体的最大等效应力为70984M pa，发生在中盾与前盾连接处；在推进油缸安装的位置，由于中盾本体钢板减薄，等效应力较大。两处的最大等效应力均远小于16M nR钢的屈服强度为320M pa，满足强度要求。从图3（b）可知，中盾盾体的最大变形量为3mm，发生在中盾与前盾连接处，中盾盾体整体变形较小，符合使用要求。

（四）中盾盾体模态分析

盾构机在上软下硬地层中掘进时，掘进速度较低，外界激励频率较低，故结构的低阶频率对结构安全影响较大。利用Ansys软件对中盾盾体进行模态分析，得前六阶固有频率如表2所示。

由施工经验可知，外界的激励频率较低。由计算结果可知，中盾盾体的前6阶固有频率范围是46.368hz-52.8386hz高于外界的激励频率，所以中盾盾体不会发生共振，中盾盾体厚度合理，符合选型要求。

三、结语

通過以上对深圳地铁某盾构区间上软下硬段盾构机中盾盾体进行强度及模态有限元分析，可知该区间拟选的盾构机强度及中盾体厚度是合理的。