盾构机防扭块断裂分析及优化改造

谭友荣，李少康，于遵博，孙楠楠，董亮

（1.中铁工程服务有限公司，成都 610083；2.西安理工大学，西安 710082）

0 引言

盾构机是集隧道挖掘、出土、管片铺设等多种隧道施工手段于一体的大型集成化设备，在现代隧道施工领域具有举足轻重的地位[1]。盾构机防扭块的设计是为了防止盾体的扭转，保障隧道施工安全和进度。在使用过程中，由于地质等一些客观的原因，往往会导致盾体所受的握裹力减少，导致盾体扭转角度过大，使得防扭块发生断裂。在隧道内对防扭块进行补焊时，由于空间的限制导致焊接质量不能保证，使得防扭块多次发生断裂，严重地影响了施工安全和进度。

某盾构机在成都地铁8号线珠江路—川大江安校区站掘进期间，盾体发生较大角度扭转，致其防扭块先后发生2次断裂现象，本文在此基础上展开分析和研究。通过盾构机盾体图样，用SolidWorks建立简易三维模型，借助SolidWorks的转动惯量的计算功能，分析计算盾体扭转产生的转矩；再将建好的三维模型导入到ANSYS中，进行有限元分析，将之前得到的转矩施加到盾体防扭块上，得到最大应力和变形量；通过对变形过程的分析，优化防扭块的结构，再次进行有限元分析，验证优化结果的可行性。

1 盾构机防扭块断裂分析及结构

常规盾构机盾体由前盾、中盾与尾盾组成，前盾与中盾通过螺栓连接固定，中盾通过被动铰接油缸牵引尾盾。防扭块位于盾构机中盾上，焊接在中盾支撑架上，底部加筋固定以增加强度，共有2个防扭块，对称分布；其防扭盒焊接在尾盾盾体上，数量也是2个，装配图如图1所示。

图1 防扭块与防扭盒装配图

盾构机在正常掘进的过程中，由于盾体与周围土体产生的摩擦阻力F较大，阻止盾构机主机的扭转，防扭块受到的力较小。盾体与周围土体产生的摩擦阻力与盾体周围土体产生的正压力有关，即F=(N1+N2)μ1。式中：N1、N2为盾体盾壳受到土体上下部的正压力；μ1为盾壳与周围土体的摩擦因数。盾体的受力简图如图2所示。

图2 盾构机盾壳受力简图

对于盾壳上的压力可通过微积分的方法求得。盾壳受到土体上部的正压力N1是由法线方向上的土压力σθ所产生的，则dN1=σθ·Rdθ·L，θ∈(0，π)。根据受力平衡，盾壳受到土体上部的正压力N2主要由盾体自身的重力W、正压力N1和刀盘面板所受到的面板总切应力τ在盾体正法线方向上的分量Fτ所组成，即N2=N1+Wcos α+Fτ。由文献[2]可知：

表1 盾构机主要参数

将盾构机正常掘进过程中的参数代入上述公式后得F=4300 kN，则盾构机盾体所受的防止扭转的转矩为10 535 kN·m，远远大于盾构机刀盘额定转矩（6650 kN·m）,当地质发生改变后，盾构机的转矩增大，根据盾构机掘进过程中的参数可知，盾构机的输出转矩达到8100 kN·m，盾体所受的盾壳与周围土体的摩擦因数μ1减少为0.35，则F=2767 kN, 从而盾构机盾体所受的防止扭转的转矩为7374.5 kN·m，小于8100 kN·m，导致盾体发生扭转。通过分析，防扭块断裂的主要原因是在掘进过程中地质突然变硬，刀盘在正常运转过程中转矩突然变大，使其盾体发生8°的扭转，防扭块受到的剪力突然变大进而断裂。防扭块断裂后的照片如图3所示。

图3 防扭块断裂照片

2 防扭块三维模型建立及受力分析

为了方便计算防扭块所受到的力和对防扭块进行可靠性分析，需要建立防扭块在盾体上的三维模型。借助盾构机结构图样，通过SolidWorks建立防扭块三维模型，如图4所示。

图4 中盾上防扭块模型

为了较为方便准确地对防扭块受到的剪切力进行分析，需要计算盾构机盾体扭转过程中需要的转矩。传统的计算方法较为复杂，本文借助通过SolidWorks软件计算功能进行，首先对设计的盾体三维结构设定材料属性，然后计算盾体的转动惯量J，最后通过公式T=J·ω/Δt计算出盾体扭转的转矩。图5 为SolidWorks计算出的盾体的转动惯量，盾体主要是绕着z轴扭转，则可知转动惯量J 为1.58×106kg·m2。根据盾构机的扭转情况，这里取ω/Δt 为0.02,则T=3.16×104N·m。

图5 计算转动惯量

又由公式P =T/(R·S)，通过计算结果可以看出，盾构机在发生扭转时，防扭块受的压强P为30 MPa。

3 防扭块有限元分析

为了研究防扭块的断裂过程，对防扭块进行有限元分析，研究防扭块受到盾体转矩后的变形过程。这里采用SolidWorks与ANSYS的互换性，将SolidWorks建立的三维模型，导入到ANSYS中。在进行分析前，首先设置防扭块的材质，这里采用Q345钢；然后对防扭块进行网格划分，将防扭块断裂位置的网格细化，以便更为准确地对防扭块的断裂过程进行分析；再将上述受力分析得到的数据加载在防扭块上，得出分析结果如图6所示。

图6 有限元分析结果

通过有限元分析结果可以看出，防扭块最大变形量在顶部为1.6 mm，最大应力为373 MPa，大于防扭块的屈服强度（345 MPa），结构强度不满足工况需求，从而导致结构的崩溃。从应力云图可以看出，结构应力集中在防扭块的过渡区域，也是结构最先断裂的位置，与实际防扭块断裂位置相同，说明仿真结果可行。

4 防扭块结构优化

通过分析防扭块的影响因素，在原有防扭块结构的基础上对其进行优化改进。防扭块发生断裂主要是因为其强度不够，通过其断裂方式的分析，结合结构优化的方法，对防扭块结构的优化有3种措施：1）在不影响防扭块与防扭盒子装配的基础上增加加强筋；2）改善防扭块的过渡半径；3）增加防扭块的厚度，由于已经添加加劲肋，导致厚度增加，若再增加防扭块的厚度就会影响防扭块与防扭盒子的装配，则采用前两种优化措施。则优化后的防扭块的结构如图7所示。

图7 结构优化后的防扭块

将改善后的防扭块结构再次导入到ANSYS中进行有限元分析，分析过程如前所述，分析结果如图8所示。

图8 结构优化后的防扭块的分析结果

从有限元仿真结果可以看出，结构优化后的防扭块的最大变形量为1.58 mm，最大应力为271.76 MPa＜[σ]/1.25=345÷1.25=276 MPa，结构优化后的防扭块满足设计要求。

5 结论

本文针对某盾构机在掘进过程中出现的防扭块的断裂问题展开研究。通过计算分析，准确地解释了盾构机盾体发生扭转的原因；借助SolidWorks软件的计算功能，辅助计算出防扭块所受到的压强；通过ANSYS软件分析，仿真结果与实际相符，分析过程准确，借助结果对其结构进行优化，再次通过ANSYS分析，验证优化结果的可靠性。从有限元的分析结果可以看出，本次优化后的结构强度满足特定工况下的使用要求。