梁兴生， 周斌， 彭正阳

（中国铁建重工集团有限公司，长沙410100）

基于图算法的盾构壳体设计及其应用研究

梁兴生， 周斌， 彭正阳

（中国铁建重工集团有限公司，长沙410100）

简述了图算法的理论产生基础，在受外压圆筒设计计算时避免了使用传统繁琐的解析法；对土压平衡盾构的工作原理及结构作了简要描述。根据土压平衡盾构盾壳作为受外压的圆筒，承受径向外压不受轴向外压的特点，以目前盾构壳体设计计算经验公式计算理论为切入点，引入图算法来校核经验公式设计计算结果的正确有效性，并相互比较，对比出盾构壳体设计计算中，图算法对受外压壳体的设计与分析能够有效提高盾构壳体结构设计的直观性和准确性，并达到了较好的设计效果。

图算法；经验公式；土压平衡盾构；筒体

1 图算法的理论产生基础

受外压的圆筒设计，根据其稳定性分析，为计算筒体的许用外压力，首先必须假设圆筒的名义厚度，计算有效厚度，求出临界长度，将圆筒的外压计算长度与临界长度进行比较，判断是否属于长圆筒或短圆筒，然后根据类型，选用相应的计算公式计算临界压力，再选取合适的稳定性安全系数，计算许用外压，比较设计压力临界压力的大小。若设计压力小于或等于临界压力或较为接近，则假设的名义厚度符合要求；否则应重新假设名义厚度，重复以上步骤，直到满足要求为止。上述过程为解析法求取外压容器的许用压力的设计步骤，是一个反复试算过程，较为繁琐，且效率低下，缺陷明显。为避免解析法的设计不足，目前，各国设计规范均推荐采用图算法来设计计算受外压圆筒，但从未有学者引用过图算法计算方法来设计盾构壳体。

2 土压平衡盾构简介

2.1 土压平衡盾构原理与结构

土压平衡盾构就是在盾构开挖时，利用土仓内的土压或加注辅助材料产生的压力来平衡开挖面的土压及地下水压力，以避免掌子面坍塌或地层失水过多而引起地表下沉的一种盾构掘进模式的设备。其主要结构由刀盘体、盾体、主轴承、螺栓输送机、人舱、管片拼装机、后配套等结构组成。

2.2 盾体结构

盾体即属于盾构主机，是由前盾、中盾、盾尾、人舱等主要部件组成，盾构壳体主要是指盾体的前盾、中盾、盾尾的外圆筒体。

前盾要承担主轴承的连接与载荷、与刀盘配合形成的土舱、连接人舱等等。

中盾的H架连接管片拼装机的行走梁，为管片拼装机安装提供固定基础，并承担其所有动作的载荷；盾构的推力为中盾中配置的推进油缸产生，且盾构转弯所需调整盾构姿态的铰接油缸亦配置在中盾与盾尾的铰接段，利于转向。

盾尾铰接段如上所述，盾尾上布置有注浆板，注浆板承担管片的注浆和盾尾油脂的输送。尾部布置有三环盾尾刷形成两环密封腔，通过注浆板输送进的油脂进入盾尾刷形成两环密封腔，具有密封的功能。

人舱主要是在刀盘体刀具磨损需要更换时，人员进出土舱压力调整的过渡装置。

3 经验公式法设计盾构盾体结构

3.1 工程对象参数

某区间设计为单线单洞圆形断面形式：盾构法施工，盾构机选用土压平衡盾构机。区间隧道均采用单层衬砌，具体参数如表1。

表1

3.2 设计计算流程

盾体设计计算流程如图1。

3.3 经验公式法盾体设计计算［3］

根据结构设计的管片内外径尺寸，进行盾尾外径的计算：

图1 盾体设计计算流程

式中：d为管片外径（φ6 200 mm）；t为盾壳盾尾厚度；c为盾尾间隙；p为盾尾衬板（常规30 mm）。

1）盾尾间隙C。

图2 盾尾间隙示意图

C1为盾构在曲线上施工和转弯时最小的富裕量；C2为盾尾工作富裕量，一般根据盾构建筑间隙为衬砌外径的5%～0.8%之间，亦可以取经验值20～40 mm，主要因为存在着管片制作误差、拼装误差、盾尾自重等因素造成的变形量。

式中：R为隧道最小转弯半径，R＝250 m；L为盾尾覆盖管片安装时的长，L＝2.42 m。

所以，按式（3）计算结果为6 mm，按式（2）计算结果为36 mm，与经验值20～40 mm接近，可以取盾尾间隙为30 mm。

2）盾尾厚度t。

盾尾厚度可参考已有的盾构盾尾厚度，或者同类的盾构厚度，在满足刚度和强度的前提下尽量小。计算盾壳厚度常用经验公式为：

式中：D为盾构外径，m。当D＜4 m时，式中第二项为零。

我国采用的盾壳钢板厚度通常如表2所示。

表2 我国采用的盾壳钢板厚度

3）盾尾外径。按式（1）计算结果为6 390 mm。笔者认为，盾构由于其特殊工作方式，通过土舱压力来平衡掌子面，而从掌子面到盾尾的密封刷之间形成的压力空间对盾体来言，完全可以理解为盾体是一个受外压的压力容器。仅单独地考虑受土压的载荷是远远不够的，而应该按受外压的容器来进行承压计算，但由于外压圆筒壁厚的理论计算方法很繁杂，目前各国设计规范均推荐采用图算法来设计计算受外压圆筒以确定外压圆筒的壁厚。其优点是计算方便，理论计算结果为：许用外压力［p］应等于或大于计算外压力Pc为合格。

4 图算法设计盾构盾体结构

预设一个假设的盾尾筒体板厚值δn，并确定盾体的实际长度L；计算临界长度Lcr，确定是否需要加强筒体;依据δe/D0和L/D，查相应的设计算图求取临界应变εcr＝A，然后再查相应的所选材料及设计温度下的算图曲线，求出参数B＝2E·ε/3；由式（5）计算许用压力

比较计算外压力Pc与许用外压力［p］，若pc≤［p］且较接近，则假设的名义厚度δn合理，否则应再假设名义厚度，重复上诉步骤直到满足为止［1］。

上述式中名称代号如下：δn为盾尾筒体板厚值，mm；D0为圆筒外直径，mm；Lcr为临界长度，mm；L为盾体的实际长度，mm；εcr为临界应变；δe为圆筒的有效厚度，mm；B为系数，查文献［1］中的图6-2和图6-6；A为系数，查文献［1］中的图6-2和图6-6；E为设计温度下材料的弹性模量，MPa；［p］为许用外压；pc为计算外压力。

根据以上图算法思路进行盾体的计算，假设条件如表3。

表3 盾体计算假设条件

筒体有效壁厚公式

计算结果为δe＝38 mm，则：D0/δe＝98.94，即：D0/δe＞20。

在文献［1］中的图6-2中找出L/D0点，将此点沿水平方向右移与D0/δe线相交（遇中间值用内插法），若L/D0＞50，则用L/D0＝50查图，若L/ D0＜0.05，则用L/D0＝0.05查图。经查表，系数A＝0.000 875，利用文献［1］中的图6-6找到A＝0.000 875对应的点，此点落在材料温度线的下方。根据所用材料选用图，在图的下方找出B＝80 MPa，因A落在材料线的下方，故用式（5）计算，得［p］＝0.080 85 MPa。

因PC＜［p］，符合图算法要求，即盾体假设最小板厚40 mm满足工况使用要求。由于盾体的最小板厚40 mm能满足工况需求，即可以按经验公式推算出前盾、中盾的板厚及直径。主要是为减少盾构机的推进时的阻力，将盾构前面部分设计成前部较大，后部较小，且盾尾、中盾、前盾直径相差10 mm为好。即：

表4 经验公式法与图算法对比表

盾尾直径为：6310+40×2=6 390 mm，中盾直径为：6390+10=6 400 mm，前盾直径为：6400+10=6 410 mm。

经验公式法与图算法设计计算对比见表4所示。

5 结语

文中首次将压力容器设计规范中的图算法设计理论应用到土压平衡盾构壳体设计计算过程中，结果表明，与传统的经验公式计算法相比，该设计与分析方法能够有效提高盾体结构设计的直观性和准确性，达到了较好的设计效果。

［1］ GB150-1998钢制压力容器［S］.北京：中国标准出版社，1999.

［2］ 管会生.土压平衡盾构机关键参数与力学行为的计算模型研究［D］.成都：西南交通大学，2007.

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［4］ 郑津洋，董其伍，桑芝.过程设备设计［M］.北京：化学工业出版社，2001.

［5］ 陈馈，洪开荣，吴学松.盾构施工技术［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［6］ 陈韶章，洪开荣.复合底层盾构设计概论［M］.北京：人民交通出版社，2010.

［7］ 郑智敏.盾构推进系统设计［J］.隧道建设，2006（4）：84-87.

［8］ 尹旅超，朱振宏，李玉珍，等.日本盾构隧道新技术［M］.武汉：华中理工大学出版社，1999.

（编辑启 迪）

Application Research on Graphical Technique to Design for the Shield Shell

LIANG Xingsheng， ZHOU Bin， PENG Zhengyang
（China Railway Construction Heavy Industry Co.，Ltd.，Changsha 410100，China）

The generating of binary decision diagram （BDD）Algorithm theory is introduced to prevent the traditional complex analytics in the shell designing and calculation.The working principle and structure of earth pressure balance shield are illustrated.The shield shell bears radial external pressure instead of axial external pressure，according to such characteristics，the correctness and validity of the empirical equations results are identified by BDD Algorithm. The analysis and comparison indicated that BDD Algorithm can improve the intuition and validity of shell structural design in shield machine.Finally，the satisfied result is achieved.

graph algorithm;empirical formula;EPB shield;cylinder

U455.3

A

1002－2333（2014）05－0072－03

梁兴生（1977—），男，工程师，主要从事隧道施工机械的研发与制造工艺。

2014-02-25