盾构隧道超前探测雷达安装保护装置研究

王红卫 王美华 李增辉

(上海建工集团股份有限公司，上海 200080)

随着我国地下空间的开发，断面越来越大的盾构隧道对施工和风险控制技术的要求也越来越高，而超前发现并准确判断地下障碍物、暗浜、古河道等不良地质体，对于保障隧道施工的安全至关重要。超前地质探测可分为地面地质探测和隧洞内地质探测，地面地质探测技术相对成熟，但存在成本投入大且探测详尽程度有限等不足，尤其是在城市核心区狭小的地面空间根本无法开展地面地质探测；隧洞内地质探测主要探测开挖面前方的地质情况，具有作业面小且勘察结果参考性强等优点。地质雷达探测技术利用电磁波反射原理来判断地层中的地质状况，具有探测速度快、操作简单、抗干扰性强等优点，并以其高探测分辨率和高工作效率而逐步成为隧洞内地质勘探的一种有力工具，对于盾构隧道封闭的工作面而言，将雷达天线安装于盾构刀盘之上可有效提高地质探测结果的准确性和有效性，而如何保护安装于刀盘之上的雷达天线已是一个亟需解决的问题。周奇才等人为此设计了一种矩形且采用螺栓固定安装的探测雷达保护板，通过现场安装和实验表明，该板可保护地质雷达免受外部压力的破坏，但根据弹性力学可知，截面尺寸改变愈剧烈，应力集中系数就愈大，在荷载作用下矩形且采用螺栓固定的板材容易产生应力集中，这不利于充分发挥保护材料的力学性能，同时矩形孔洞产生的应力集中同样也会影响到盾构刀盘的强度。为进一步降低应力集中的影响，提高保护装置的强度、水密性以及循环使用的便捷性，本文研发了一种新型的探测雷达安装保护装置。

1 安装装置设计

1.1 装置材料选择

雷达天线属高精密设备，承载能力和防水等级低，易被泥水压力破坏，安装保护装置既要能保护雷达避免被外力破坏，还要能为电磁波的发射和接收提供窗口，也就是电磁波窗口材料既要满足强度、刚度和耐磨性要求，同时还要满足电性能要求，应尽量降低电磁波穿透时产生的衰减损耗。

参考相关文献可知，聚甲醛(POM)材料介电损耗值仅为0.007，介电损耗非常低，且在很宽的频率和温度范围内变化很小；同时聚甲醛材料属于高阻介质，对电磁波的吸收非常小；所以，从衰减损耗和穿透能力方面分析，聚甲醛材料作为窗口材料对电磁波的影响很小。聚甲醛材料的屈服极限约为69 MPa，弹性模量高达3 100 MPa，耐磨性能指标PV的临界值高达1.26×105Pa·m/s，可见，聚甲醛材料具有较高的强度、较好的抗变形能力和耐磨性能。综合以上要素，本文选用聚甲醛板材作为电磁波透射的窗口。

内部安装雷达天线的敞口容器应具有较高的强度和刚度，并且方便加工制作；同时，因敞口容器需和刀盘连接固定，所选材料的力学性能应与盾构刀盘的材质相近。考虑上述需求，本文选用具有一定厚度的钢材制作敞口容器。

1.2 装置形状设计

为降低应力集中的不利影响，在安装雷达天线时，应在盾构刀盘上开圆柱形孔洞，与圆柱形孔洞相匹配，本文设计出圆柱体的雷达天线保护装置，具体尺寸及材料如图1所示。该装置由钢压环、聚甲醛板、止水环、一端敞口一端封闭的钢圆柱体组成，钢圆柱体圆形截面的半径为250 mm，高为200 mm，侧面壁厚10 mm，底部厚度20 mm，裸露的雷达天线可直接固定在钢圆柱体内部的空腔。钢圆柱体自敞口端平面起60 mm宽度范围内设置螺纹，整个保护装置利用该螺纹安装于盾构刀盘上的圆柱形孔洞内。厚30 mm的聚甲醛板作为电磁波窗口，用于雷达天线向外发射电磁波并接收从外部反射回来的电磁波，同时具有保护雷达天线的作用；压环截面尺寸为20 mm×20 mm，压环通过螺纹与钢圆柱体连结，用于压紧固定聚甲醛板；压环与聚甲醛板之间、聚甲醛板与钢圆柱体之间放置止水环，发挥密封防水作用。

整个安装保护装置的组装过程如下：将裸露的雷达天线直接固定在钢圆柱体空腔内；然后，在圆柱体的敞口处依次放入止水环、聚甲醛板、止水环，并拧紧压环；最后，整个装置通过螺纹安装至盾构刀盘上的圆形孔洞内，保持装置的聚甲醛板、压环与刀盘共面。

2 安装装置力学分析

确定具体尺寸和材料后，应计算泥水压力作用下安装保护装置的应力和变形，分析装置的强度和水密性。

2.1 荷载计算

某软土地层轨道交通隧道埋深约17 m，地下水埋深0.5 m，盾构直径6.34 m，隧道开挖面平均泥水压力P的计算公式为：P=Pw+Po+Pa，Pw=ρw·Hw，Po=Ko·ρ′·H。

其中，Pw为地下水压；Po为开挖面土压；Pa为预压；ρw为水重度，取10 kN/m3；Hw为盾构轴心处地下水深度；Ko为静止土压力系数；ρ′为土的有效重度；H为盾构轴心处深度。

本次计算中考虑盾构轴心埋深为H=20 m，地下水水位为地表下0.5 m，则Hw=20-0.5=19.5 m，地下水压为：Pw=ρw·Hw=19.5×10=195 kPa。

采用静止土压力情形计算土压力Po，则静止土压力系数为：Ko=1-sinφ′。

其中，φ′为有效内摩擦角，饱和黏土的有效内摩擦角为20°～40°，本次计算中取平均值30°，故Ko=1-sinφ′=0.5。

地质土层平均重度约为18.5 kN/m3，则其有效重度ρ′=18.5-10=8.5 kN/m3。最终静止土压力的计算结果为：Po=Ko·ρ′·H=0.5×(18.5×0.5+8.5×19.5)=87.5 kPa。

预压Pa是考虑地下水压和土压的设定误差及送排泥设备中的泥水压变动因素，根据经验确定的压力，通常取值为20 kN/m3～30 kN/m3，本次计算中取平均值25 kPa。

综合以上因素，计算盾构隧道开挖面的泥水压力为：P=Pw+Po+Pa=195+87.5+258=307.5 kPa。

2.2 有限元分析模型

采用有限元分析软件Midas-GTS进行数值模拟，本构模型采用弹性模型，利用实体单元模拟安装保护装置，在装置侧壁60 mm宽度范围内施加三向固定约束，模型各部件尺寸采用图1中的尺寸。对聚甲醛板端施加面压力模拟泥水压力P，面压力取值0.31 MPa；由于聚甲醛板表面光滑且在水润滑条件下，故不考虑刀盘转动时土体对板面产生的摩擦力；由于安装保护装置和盾构刀盘之间通过螺纹连结，无法保证刀盘上圆柱孔洞的水密性，故对安装保护装置封闭端及侧面非约束部位施加面压力模拟静水压力，静水压力取值0.2 MPa。

安装保护装置模型的物理力学参数见表1。

表1 模型物理力学参数

2.3 有限元计算结果及分析

经计算得到安装保护装置模型的应力和位移，其中聚甲醛板和钢圆柱体的应力和位移云图分别如图2～图5所示。

从图2的计算结果可以看出，聚甲醛板的最大拉应力发生在圆心位置，其值约为7.4 MPa，远远小于聚甲醛板的抗拉极限强度69 MPa，并且若取安全系数为2.5时，可计算聚甲醛的许用应力为27.6 MPa，该值同样大于计算所得的最大拉应力值，以此可判定聚甲醛板满足强度要求；从图3的计算结果可以看出，聚甲醛板的最大位移发生在圆心位置，其值约为1.9 mm，与板的直径480 mm相比，其挠曲变形影响非常小，并且板边缘的位移约为31×10-3mm，如此小的位移能够避免因变形过大而导致的压环密封不严。

从图4的计算结果可以看出，安装装置底部钢板的最大拉应力发生在圆心位置，其值约为14.7 MPa，远远小于HPB235屈服强度235 MP，并且若取安全系数为2.5时，可计算钢材的许用应力为94 MPa，该值同样远远大于计算所得的最大拉应力值14.7 MPa，以此可判定钢板满足强度要求；从图5可以看出，装置底部钢板的最大位移仅仅为0.17 mm，与端板直径500 mm相比，其挠曲变形的影响可以忽略不计。

从应力云图和位移云图可看出，安装保护装置的应力和位移的数值变化相对平缓，表明本文设计的雷达安装保护装置在荷载作用下未发生应力集中现象。通过对图2～图5的分析可知，钢材中的最大拉应力发生在装置底部钢板的圆心位置，最大压应力发生在装置圆柱体侧面，且两者的值都远小于钢板的屈服强度；聚甲醛中的最大拉应力发生在板材圆心位置，其值远小于抗拉极限强度；以上情况说明所选材料满足文中荷载作用下的强度要求。安装保护装置的最大位移发生在聚甲醛板的圆心位置处，与板的直径相比，其挠曲变形影响非常小，能满足装置的水密性要求。综上所述，本文所设计的安装保护装置具有较高的强度储备和较好的水密性，能够为雷达天线提供安全稳定的工作空间。

3 结语

本文将探测雷达安装保护装置作为独立的构件进行分析，该装置采用圆柱体形状降低应力集中对其本身及盾构刀盘的不利影响。通过计算分析可知，本装置的尺寸确定和材料选用能够满足强度、变形以及电性能的要求，能够为雷达提供安全可靠的工作环境，同时该装置与固定在其内的雷达天线可作为一个整体，便于安装、拆卸和维修，从而方便了地质探测雷达的推广和应用。