大跨度变截面隧道衬砌台车设计与优化分析

李林 王平 杨军

(中铁十九局集团第五工程有限公司 辽宁大连 116000)

1 引言

目前，隧道衬砌施工由过去的手工操作走向综合机械化，提高隧道衬砌质量和工作效率是施工的第一要点。

一些专家学者进行隧道衬砌台车方面的研究，并取得丰富成果。刘文武[1]等提出一种台车的特别设计解决了止水带施工问题。龚成明[2]等通过注入高流动性微膨胀早强速凝充填砂浆对传统隧道衬砌台车进行改造。李华[3]通过有限元软件对无骨架台车进行结构受力分析并汇总材料数据，提出铰接式台车方案。姬海东[4]等研制出一款可带压浇筑的新型隧道数字化衬砌台车。陈文義[5]等提出以衬砌施工信息为基础的衬砌病害控制方法，提高了衬砌施工质量。此外，诸多专家学者研发了一些新型智能控制台车、检测台车等[6－8]。

本文采用Ansys有限元分析软件对隧道衬砌台车进行分析优化，以达到节省原材料、降低制造成本的目的[9－12]。

2 技术要求及变截面隧道衬砌台车设计

2.1 技术要求

变截面隧道截面几何尺寸不等，有些甚至相差较大，对隧道衬砌台车提出更高要求。变截面隧道进行二次衬砌时所使用的隧道衬砌台车需满足以下要求:

(1)隧道衬砌台车在隧道截面发生变化时可以轻松切换，并且操作简单。

(2)台车在多次尺寸转换条件下，其强度、刚度以及稳定性不发生明显降低。

(3)隧道衬砌台车输送混凝土的效率要保持稳定，以防止发生跑台的情况。

针对以上几点，在隧道工程施工中常用到的液压顶推移动衬砌台车无法满足，需设计一种新型隧道衬砌台车来适应变截面隧道。台车衬砌顶模板长度为12 m，适用于宽度8 m、高度7 m的隧道。

顶模板衬砌长度:L＝12 m；

门架榀数:k＝6；

顶模板厚度:10 mm；

爬行能力:4%；

行走速度:8 m/min；

总功率:22.5 kW(行走电机7.5 kW×2＝15 kW，油泵电机7.5 kW)；

液压系统压力:Pmqx＝16 MPa；

模板单边脱模量:Amin＝150；

水平油缸左右调整量:Bmax＝100 mm；

顶升油缸行程:300 mm；

水平油缸行程:250 mm；

衬砌厚度:400 mm；

隧道衬砌台车顶模板外部弧长:L1＝8.7 m。

2.2 变截面衬砌台车设计

为设计此类隧道变截面衬砌台车，特设计一种伸缩杆件，在需要小幅度改变隧道衬砌台车尺寸时使用，由厚度10 mm、直径108 mm的钢管构成主体结构。变截面衬砌台车如图1所示。

图1 隧道变截面衬砌台车断面

当伸缩杆伸长量达到最大仍未满足尺寸要求，需大幅改变隧道衬砌台车尺寸时，便需对变截面衬砌台车进行切换，总体加宽，具体步骤如下:

(1)切换前隧道变截面衬砌台车如图2所示，由左右两部分组合而成。

图2 切换前变截面衬砌台车

(2)将模板和门架临时托起，在其下方临时垫放钢块，保持模板以及门架稳定，为之后操作打下基础；钢轨由竖向调整为横向，将模板与门架下方车轮旋转90°。

(3)在主横梁上加设临时可移动立柱，连接电动控制装置及下方横向钢轨，如图3所示。

图3 安装临时可移动立柱

(4)将模板、门架连接回车轮，操作移动系统，将台车左右部分分别移动至工作位置，中间预留可用于安装加宽块位置。

(5)在台车中间安装加宽块，各连接位置要保证连接质量，如图4所示。

图4 安装加宽块

(6)拆除临时立柱，隧道衬砌台车切换完成。

3 隧道衬砌台车荷载计算与数值模拟

3.1 顶模板荷载计算

进行荷载计算时，工况主要有两种:工作工况及非工作工况。工作工况以其承受的最大荷载为计算分析依据，非工作工况荷载为自重，由于自重较小，可忽略。本隧道变截面衬砌台车承受荷载主要有三种，分别为:混凝土自重、输送泵压力以及注浆口封口处的压力。

(1)混凝土自重

假定台车上方混凝土自重全部由顶模板承担。混凝土衬砌厚度δ＝400 mm，混凝土密度ρ＝2.45 t/m3。

混凝土自重:

单位面荷载:

(2)混凝土浇筑所产生荷载

通过查阅文献取混凝土浇筑影响压力μ＝46.06 kPa。

则混凝土浇筑时产生荷载:

单位面荷载:

(3)顶模板总荷载

总单位面荷载:

3.2 门架荷载计算

(1)门架主横梁荷载计算

模型顶模板承受总荷载W＝583.2 t，则:

式中:n为隧道衬砌台车竖向千斤顶个数；F为每榀门架主横梁所承受的面荷载；W为顶模板承受荷载；g为自重加速度。

(2)门架主竖梁荷载计算

边模板弧长L2＝3 m。

边模板水平荷载:

因此，每个水平千斤顶所受荷载为:

式中:n为隧道衬砌台车单边竖向千斤顶组数。

3.3 顶模板模型分析

(1)顶模板模型网格划分

顶模板模型网格划分采用六面体划分法，单元类型为20节点六面体以及10节点四面体。设定单元尺寸为30 mm，选取划分场为物理场，最终划分出430 070个节点以及139 669个单元。

(2)顶模板荷载、边界条件施加

顶模板施加荷载分别为面荷载、自重，约束条件为接触面约束。

(3)模型受力分析

对施加荷载以及边界条件下的顶模板模型进行分析，位移云图以及应力云图如图5所示。

图5 顶模板位移和应力云图

由位移云图可知，最大位移量为0.244 65 mm，出现在顶模板顶部中间区域，远小于设计要求的10 mm；由应力云图可知，最大应力值为27.996 MPa，远小于材料Q345的许用应力170 MPa。

3.4 门架模型分析

(1)门架模型建立

各构件初步采用方案如下:主横梁采用窄翼缘HN700×300型钢，主竖梁采用窄翼缘HN450×200型钢，斜撑杆采用 25b型钢，横撑杆采用 20a型钢，其主要参数如表1所示。

表1 各构件截面参数

模型采取八字门架构造方法，主横梁正上方两侧各布置1个千斤顶，主竖梁每侧布置4组千斤顶，模型简化后如图6所示。

图6 门架模型

(2)门架网格划分

型钢材料为Q345，密度σ＝7 850 kg/m3，弹性模量E＝2.1×105MPa，泊松比μ＝0.30。选择关联mesh板块，最终划分出133 717个节点及24 333个实体单元。

(3)门架荷载施加

台车主横梁上竖向千斤顶传递476.28 kN的荷载，主竖梁上千斤顶传递荷载为69.09 kN。

(4)门架受力分析

门架位移云图、应力云图如图7所示。

图7 门架位移和应力云图

门架最大位移量为0.693 24 mm，远小于设计要求的10 mm；最大应力值为151.56 MPa，远小于材料Q345的许用应力170 MPa。

4 隧道衬砌台车模型参数化优化

4.1 参数化优化概念

利用Ansys进行参数化优化，主要由3个元素构成，分别为设计变量、目标函数以及约束条件。

(1)设计变量

设计变量的总体为1组变量，可以表示为1个列向量。主横梁截面图和主竖梁截面图如图8所示。

图8 主横梁和主竖梁截面(单位:mm)

针对门架的参数化优化，将图8两截面参数分别设置为设计变量，并对该部分进行参数优化，而横撑梁以及斜撑梁保持不变。

(2)约束条件

约束条件是指对设计变量的变化加以约束，根据约束性质可以分为性能约束和侧面约束两大类。本文的约束条件为型钢的选型，具体方案根据优化结果选取。

(3)目标函数

根据实际工程以及规范要求，其目标函数如下:

式中:Q1为隧道变截面衬砌台车顶模板重量；Q2为隧道变截面衬砌台车单榀门架重量；Q为隧道变截面衬砌台车总重量；N为隧道变截面衬砌台车榀数；σmax为最大应力；[σ]为材料Q345许用应力，170 MPa；Smax为最大位移量；S为容许位移量，10 mm。

4.2 门架参数化优化

主横梁宽度上下限设定为200～300 mm，高度上下限设定为400～700 mm；主竖梁宽度上下限设定为100～200 mm，高度上下限设定为200～450 mm。在152组数据中，只有第7组以及第10组符合设计要求。第7组数据计算结果:位移最大值为0.812 99 mm，应力最大值为165.29 MPa；第10组数据计算结果:位移最大值为0.817 4 mm，应力最大值为164.3 MPa；其余150组数据中位移全部满足设计要求，但应力值全部高于材料Q345许用应力170 MPa。

第7组:通过优化最终得出主横梁与主竖梁几何尺寸，结合型钢规范得出最终优化结果。优化后主横梁采用HM450×300型钢，主竖梁采用HN350×175型钢，具体参数如表2所示。

表2 第7组优化后主横梁、主竖梁参数

主横梁与主竖梁长度不变，分别为4.5 m、3 m。经计算，主横梁与主竖梁优化前重量为1 043.7 kg，优化后重量为668.1 kg，共计优化36%。

第10组:通过优化最终得出主横梁与主竖梁几何尺寸，优化后主横梁采用HM550×300型钢，主竖梁采用HN350×175型钢，具体参数如表3所示。

表3 第10组优化后主横梁、主竖梁参数

经计算，主横梁与主竖梁优化后重量为645.6 kg，较优化前相比降低38.1%。

5 结论

(1)设计一种新型隧道变截面衬砌台车，当隧道截面变化不大时，使用伸缩杆件，当隧道截面变化较大时，需要对台车进行切换。

(2)结合台车受力特点以及施工工况计算出隧道衬砌台车受力后，使用Solid Works建模软件对门架进行简化建模计算，门架总位移量为0.693 24 mm，应力最大值为151.56 MPa；使用Space Claim对顶模板进行建模，施加荷载以及边界条件后，得出分析结果，总位移量为0.244 65 mm，应力最大值为27.996 MPa。

(3)对门架进行参数化优化，最终选定第10组数据结果为最优，可为门架主横梁以及主竖梁节省38%的材料。