大直径 GPST 盾构管片稳定装置设计

郑 斌（上海黄浦江越江设施投资建设发展有限公司， 上海 200336）

地面出入式盾构（Groud Penetrating Shietd Technology，GPST）工法是一种盾构能够按照设计线路直接从地面（或地面简易导坑）始发和到达，可避开工作井大开挖施工的全过程盾构施工方法。该工法作为新型隧道工程施工技术，导致与其相关的研究成果、实施案例和配套技术等参考文献比较匮乏，但因其是解决现代城市复杂条件下隧道文明施工和绿色环保的有效措施之一，依然吸引着国内外学者和科研机构对其地质适应性、技术可行性和设备有效性等方面进行探索研究。

国内外对于 GPST 工法中涉及隧道管片抗浮和管片稳定装置的关键技术和理论研究比较匮乏，而且还需要大量的工程应用项目验证。特别是涉及 GPST 工法下管片稳定装置的研究文献少之又少。而管片稳定装置又对整个隧道圆度变形控制至关重要，因此，有必要对 GPST 工法盾构管片稳定机构进行理论研究和试验分析，研发设计出适用于大直径GPST 盾构的管片支撑装置。

1 工程概况

本项目是在 Φ 6 m 级小直径 GPST 盾构现有技术不足的前提下，依托龙水南路 11 m 级大直径越江隧道新建工程进行进一步深入研究盾构机管片稳定装置受力与管片结构圆度变形之间的关系，根据负载变化自动适应调整管片稳定装置滚轮支撑点，从而有效减小 GPST 工法施工造成的扰动并确保隧道管片变形得到有效控制，满足大直径无工作井地面出入式盾构法工法的需要，同时为进一步提高大直径盾构无工作井地面出入式盾构法技术可靠性提供解决方案。相比 6 m级地铁盾构而言，11 m 级大断面隧道的 GPST 技术在国内还没有工程应用，大直径盾构体积庞大，自重重，在面临无土压土仓进、出土、浅覆土等工况下，隧道管片极易变形。

2 管片稳定装置设计

2.1 功能需求

由于 GPST 工法施工过程中需要穿越浅覆土、超浅覆土等各种复杂多变的工况，设计管片稳定机构支撑管片，增强隧道管片整环刚度。针对在零覆土、超浅覆土工况下，管片自立性差、结构易变形的问题，设计管片支撑装置对管片的变形进行限制，同时满足随盾构机推进时随动。

2.2 机械结构设计

管片稳定装置设有牵引桥架、支撑环、行走车轮等机构组成，如图 1 所示。

图1 管片稳定装置三维模型图

支撑环设有 5 组，依照管片宽度（L=1.5 m）平行等距设置，确保盾构机在掘进时一直有 5 环管片处在管片稳定装置的支撑下。支撑环上设有按照特定角度分布的 12 个滚轮组，滚轮组安装位置在能够确保每片管片得到支撑前提下，最大化的避开了管片拼接手孔及接缝 。牵引桥架底部左右两侧设有2×2组行走车轮。油缸伸缩实现滚轮与管片內圆面紧贴，进而起到支撑稳定管片的作用，整个管片稳定装置依靠设置的滚轮和行走车轮可以实现其在管片上的滚动以及随着盾构机的推进向前移动。各个支撑环连接固定在牵引桥架上，较好的保证了整个管片稳定装置的结构强度。

支撑环由上撑靴架、左右撑靴架和滚轮组件构成，如图 2 所示。其中，各撑靴架通过油缸和导向柱与牵引桥架连接，导向柱一段与撑靴架固定连接，另一端可在固定在牵引桥架的导向孔中滑动，一方面限定了各撑靴架的运动方向只能为平行于支撑环平面方向，另一方面可以承受撑靴架带来的剪力。撑靴环在油缸的作用下按一定方向伸出或缩回，使滚轮与管片內圆面贴紧，同时可依据现场施工需要调节油缸的伸缩量，进一步实现对管片支撑力大小的控制。

图2 管片稳定装置支撑环组成

滚轮组件三维模型如图 3 所示，滚轮组件包括一滚轮，一滚轮支架，一滚轮底座，一氮气弹簧，导向块、导向槽、调整垫片和螺杆，其中滚轮最外侧即与管片相接触的部位设有聚氨酯材料，防止滚轮支撑管片时造成损伤。滚轮底座紧固在牵引桥架上，滚轮支架采用螺杆与滚轮底座连接，导向槽焊接于滚轮底座，导向块焊接在滚轮支架上，导向块与导向槽配合以及滚轮支架和滚轮底座之间的间隙，可以限定滚轮运动方向并具有一定角度的调节量。其中，氮气弹簧安装在滚轮底座上，起到支撑滚轮支架的作用，当管片稳定装置随盾构推进时滚轮由于通过错台而产生的负载超过氮气弹簧初始负载值时，氮气弹簧将进行收缩，滚轮径向位置变小，从而使滚轮顺利通过错台，避免滚轮因受力过大而损坏，造成整个装置的实效。此外，通过在滚轮底座下安装厚度各异的调整垫片能够实现滚轮径向方向的位置调整。当出现油缸完全伸出滚轮依旧不能紧贴管片的情况时，可以借助增加调整垫块来解决。

图3 滚轮组件结构示意图

3 仿真分析

应用有限元软件对管片稳定装置的主要受力部件进行力学分析，模拟管片稳定装置在隧道支撑管片时的载荷情况，可以帮助我们对其各个部件的应力分布和位移分布情况进行比较准确和全面的分析，校核强度，发现设计不足，为后续优化设计提供依据。

（1）牵引桥架。牵引桥架模型概况如表 1 所示。牵引桥架模型材料信息如表 2 所示。

表1 牵引桥架模型概况

表2 牵引桥架模型材料信息

牵引桥架受到油缸推力使滚轮支撑管片的反作用力，受到自身重力和受到管片通过行走车轮传递的反作用力。牵引桥架有限元分析结果如图 4 和图 5 所示。

图4 应力分布

图5 反作用力示意

从图 4 可以看出牵引桥架的最大应力为 104.2 MPa，则最小安全系数为 3.32，满足设计要求。

牵引桥架所受行走车轮的反作用力如图 5 所示。通过计算工具可得行走车轮安装面的反反作用力分别为 1.47×105 N 、1.47×105N、1.25×105 N、1.24×105 N，因此可以计算出此时行走车轮对管片的最大压强为 P=F/A=24 MPa，满足设计强度要求。

（2）上撑靴架。上撑靴架受到油缸推力时，使滚轮紧贴管片，此时上撑靴架会受到一个反作用力，上撑靴架有限元分析结果如图 6 和图 7 所示。

图6 应力分布

图7 位移分布

由图 6 和图 7 可以得到上撑靴架所受最大应力为 55 MPa，最小安全系数为 4.27，最大位移为 0.13 mm，满足设计要求。

（3）左右撑靴架。左右撑靴架受到油缸推力时，使滚轮紧贴管片，此时左右撑靴架会受到一个反作用力，左右撑靴架应力分布如图 8 所示，位移分布如图 9 所示。

图8 应力分布

图9 位移分布

由图 8 和图 9 可以得到上撑靴架所受最大应力为54 MPa，最小安全系数为 4.3，最大位移为 0.15 mm，满足设计要求。

4 结 语

本文针对地面出入式工法盾构施工中面临浅覆土、超浅覆土、负覆土等工况下，尤其对于超大直径隧道在始发段和到达段，管片所受土压力不均匀变化和自重比较大等因素的影响，导致成环管片产生不同程度的变形，产生管片错台等不良现象，提出了一种适合大直径盾构的管片稳定装置，该装置支撑环设计采用撑靴架上设置滚轮的组合方式，实现支撑管片和随盾构推进随动的双功能，装置操控性简单可靠，不干涉隧道其他机构或装置的工作；将牵引桥架设计作为支撑环的固定承载架，很好的保证了管片稳定机构的整体结构强度；创造性的将滚轮组件设计为氮气弹簧加滚轮的形式，保证滚轮在通过错台时可以根据负载大小调整与管片的径向位置，实现机构的自适应性。最后，通过有限元对管片稳定装置的主要部件进行有限元模拟计算，分析结果显示其强度和可靠性均达到初始设计要求。