土压平衡盾构机盾体轻量化研究

摘要：基于离散元和静力学的土压平衡盾构机盾体的仿真研究，结合现场工程水文地质参数，对比计算标准载荷下的盾体各部分的静力学仿真结果，验证仿真模型准确性。在此基础上，对盾体非主要承载部件进行减重设计。通过仿真模型计算，对比分析优化后标准载荷下的盾体强度与硬度，确定最优轻量化设计方案，完成轻量化研究，提高设备设计研制水平。

关键词：土压平衡盾构机 盾体 轻量化 有限元

Research on the Lightweighting of the Shield Body of EPB Shield

LI Yang

Liaoning Railway Vocational and Technical College， Jinzhou， Liaonig Province， 121000 China

Abstract： Simulation study on the shield body of earth pressure balance（EPB） shield based on Discrete Element Method and Statics， combined with on-site hydrogeological parameters， compares and calculates the statics simulation results of each part of the shield body under standard load， and verifies the accuracy of the simulation model. On this basis， weight reduction design is carried out for the non-primary load-bearing parts of the shield. Through the simulation model calculation， the strength and hardness of the shield under the optimized standard load are compared and analyzed， the optimal lightweighting design scheme is determined， the lightweighting research is completed， and the level of equipment design and development is improved.

Key Words： EPB; Shield body; Lightweighting; Discrete Element Method

在地铁、城市管廊等隧道建设工程中，盾构法施工因有占用地表面积相对明挖法等较小，机械自动化程度高，隧道成型效果好，对地表建筑影响小，施工效率高且工人工作环境良好等优点，得到全世界各地的广泛使用。随着我国基建大规模进行以及川藏铁路等重大工程战略的实施，轨道交通、公路、水利建设等工程将有大量增长，并且越来越多的工程首选盾构机来施工[1-3]。而伴随着掘进机械的发展，越来越多的问题显现出来。相关企业未掌握各个构件的安全系数的取值，因此设计时在国外机械产品的基础上盲目提高安全系数，这将导致构件设计过于保守、自重过大，如9 m级盾构机前中盾，其四分块时最重分块可达到约100 t，增加了材料成本，同时提高了动力的需求，不但增加了制造成本，而且提高了能耗，增加了运行成本[4-5]。在此基础上，出现了利用机械优化设计的方法来设计掘进机械的新思路，既可以考虑适用性，又满足了稳定性、高效性、可靠性和轻量化等要求，可为快速高效地设计掘进机械提供理论依据，进而提高装备的研制水平。

其中，轻量化是主要的方法之一。轻量化技术在车辆的设计与制造中得到广泛应用，可以作为工程机械轻量化的参考。本文针对土压平衡盾构机盾体，基于结构可靠性，在仿真软件对盾构机盾体结构强度进行分析研究，在满足施工工况的情况下进行轻量化[6-7]。

1 前盾有限元模型

1.1模型简化

在确保关注部位有限元分析精度的前提下简化结构的细节特征[8]。

1.2 单元选择

前盾有限元模型主要采用壳单元类型。

1.3 材料参数

根据《低合金高强度结构钢》（GB/T 1591—2018）设置Q345B材料参数。

2 轻量化设计与分析

2.1前盾原始模型分析

标准负载工况下，前盾的Mises应力如图1所示，最大应力出现在人仓侧板，大小为279.8 MPa，各个部位的应力均小于许用应力。

前盾模型的位移云图如图2所示，最大位移为1.358 mm，发生于前盾中部法兰处，小于允许变形值。

2.2前盾结构轻量化

正常工作状态下，前盾整体应力较小，存在优化空间来减轻前盾的质量。前盾结构为钢结构焊接件，因此以结构的厚度作为优化变量。

对前盾模型进行有限元分析，可得：影响前盾整体的应力和变形的主要因素是人仓侧板1、人仓侧板2的轻量化，相关因素是前盾外筒、前盾筋板4、前盾筋板5的轻量化。

2.3轻量化方案

对于主要因素限制轻量化数值大小，相关因素适当取较大轻量化值，得到前盾的两组轻量化方案如表2所示。

2.4前盾轻量化模型分析结果

方案一的前盾模型，标准负载工况下，前盾的Mises应力如图3所示，最大应力大小为274.5 MPa，各个部位的应力均小于许用应力。

方案一前盾结构的位移云图如图4所示，最大位移为1.431 mm，小于允许变形值。

方案二的前盾模型，标准负载工况下，前盾的Mises应力如图5所示，最大应力大小为325 MPa，前盾人仓侧板1的应力超过许用应力。

方案二前盾结构的位移云图如图6所示，最大位移为1.521 mm，发生于中部法兰处，小于允许变形值。

提取前盾应力和位移并进行统计，得到原始模型、轻量化模型的应力和位移结果如表所3所示。

可知，常规工况下轻量化方案一满足强度和刚度要求。

3结语

通过比较两种轻量化方案与原始设计模型盾体应力分布与位移结果，可知在满足安全性的情况下轻量化方案一有效降低了盾体重量，其中前盾质量减少4 385.699 kg，相较于原始模型减重9.30%。同时，由于结构优化，模型的最大应力由279.8 MPa减小到274.5 MPa。

参考文献

[1] 卢少华，彭威.盾构机专用极压锂基润滑脂EP2的研发与应用[J].石油商技，2013，31（5）：23-27.

齐春，喻渝，王闯，等.成都平原地区大直径盾构选型研究[J].高速铁路技术，2024，15（2）：1-9.

[3] 蔡茂军.土压平衡式盾构机在地铁隧道施工中的应用技术[J].工程机械与维修，2024（1）：123-125.

李前国，陈超.盾构机大质量构件吊装方案设计[J].建设机械技术与管理，2023，36（4）：31-34.

孙宏阳，董策.京滨城际铁路超大直径盾构机始发[N].北京日报，2024-04-11（004）.

[6] 韩勇.盾构刀盘轻量化优化设计研究[D].成都：西南交通大学，2013.

[7] 王哲.盾构机前盾拓扑优化及其影响因素灵敏度分析[J].现代机械，2023（2）：52-58.

宋天罡.某型TBM刀盘结构设计及有限元分析[D].成都：西南交通大学，2017.