土压平衡盾构机盾壳的应力分析及改进.docx

土压平衡盾构机盾壳的应力分析及改进郑鹏 1，吴琳 2隧道掘进机是专门用于开挖隧道工程的复杂大型施工装备，具有开挖速度快、安全性好及工程质 量高等优点。按照地层条件及具体施工方法的不同，可分为盾构掘进机、岩石掘进机和顶管掘进机。其中的盾构机依据工作原理的不同又可分为手掘式、半机械式、机械式、泥水加压式、土压平衡式、异型盾构等[1]。自 20 世纪 60 年代日本研制成功以来，土压平衡盾构机已在城市地铁隧道掘进中 得到广泛应用，并成为目前地铁隧道中应用最普遍的盾构机类型之一[2]。盾构机作为一种特种装备，与常规设备有所不同，其结构需根据具体的施工对象量身定做，针对不同施工地质条件和盾构几何尺 寸，需重新进行结构设计制造，其对可靠性的要求极高[3]。盾构机在施工作业时，盾壳应直接承受外部、内部载荷并起支撑保护内部结构的作用。盾壳是否具有足够的强度和刚度直接关系到工程成败及操作人员的人身安全。在此基础上，施工方还要求盾壳也应该具有一定的经济性。因此，针对盾壳结构需进行结构安全性校核，并在保证其安全性能的基础上进行结构优化。土压平衡盾构机属于封闭式盾构设备，其盾壳 承受地下水压、土压等多种外载荷作用。盾壳结构主要包括前盾 （土压舱）、中盾以及盾尾。盾壳结构设计的可靠与否对于盾构机的施工安全等具有极其重要的意义。本文对盾壳所承受载荷进行分析计算，针对土压平衡盾构初步样机结构模型进行合理的简化处理，应用 Ansys 软件重建有限元分析模型，在确定合理有效的边界条件的基础上进行力学分析，依据分析结果检验样机是否满足设计强度、刚度等要求，并在保证盾构设计完整性、正确性的1. 一重集团重型技术装备基础科学研究院助理工程师，辽宁大连 1161132. 一重集团大连设计研究院有限公司助理工程师，辽宁 大连 116600702015 年 第 1 期（总 163 期）mailto:yz.js@yz.js@CFHI摘要：根据土压平衡盾构机的工作地质环境，分析计算盾壳结构在实际工作中所承受荷载类型及大小，结合盾壳的设计原则，确定盾壳结构应力分析需设置的边界条件；对方案结构进行合理简化处理，采用 Ansys 有限单元法 对盾壳进行应力分析，计算分析过程采用 8 节点壳单元用以提高分析精度和计算效率，根据相应工况下计算结果 给出盾壳结构补强及缓解消除应力集中的解决措施，为土压平衡盾构机盾壳设计及分析提供技术参考。 关键词：土压平衡盾构；盾壳；应力分析中图分类号：U455.3；TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1673-3355 （2015） 01-0018-05Stress Analysis and Improvement of Shell of Earth Pressure Balancing ShieldsZheng Peng，Wu LinAbstract: Load types and values are analysed and calculated based on the working geological condition of the designed Earth Pressure Balance shield (EPB shield) . The boundary condition is determined for the stress analysis of the shell structure in accordance with the design principle. The structure is simplified in feasible range. Finite element analysis for the stress in the shell is performed with Anysis software and adopts 8 -node shell units to improve the accuracy and efficiency. How to reinforce the structure of the sell and how to eliminate the stress concentration on the shell are proposed according the calculation results under different service condition. This provides technical reference for the design and analysis of EPB shield shells.Key words: earth pressure balance shield；shi