大跨度變截面隧道襯砌臺(tái)車(chē)設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析

李林 王平 楊軍

(中鐵十九局集團(tuán)第五工程有限公司 遼寧大連 116000)

1 引言

目前，隧道襯砌施工由過(guò)去的手工操作走向綜合機(jī)械化，提高隧道襯砌質(zhì)量和工作效率是施工的第一要點(diǎn)。

一些專家學(xué)者進(jìn)行隧道襯砌臺(tái)車(chē)方面的研究，并取得豐富成果。劉文武[1]等提出一種臺(tái)車(chē)的特別設(shè)計(jì)解決了止水帶施工問(wèn)題。龔成明[2]等通過(guò)注入高流動(dòng)性微膨脹早強(qiáng)速凝充填砂漿對(duì)傳統(tǒng)隧道襯砌臺(tái)車(chē)進(jìn)行改造。李華[3]通過(guò)有限元軟件對(duì)無(wú)骨架臺(tái)車(chē)進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析并匯總材料數(shù)據(jù)，提出鉸接式臺(tái)車(chē)方案。姬海東[4]等研制出一款可帶壓澆筑的新型隧道數(shù)字化襯砌臺(tái)車(chē)。陳文義[5]等提出以襯砌施工信息為基礎(chǔ)的襯砌病害控制方法，提高了襯砌施工質(zhì)量。此外，諸多專家學(xué)者研發(fā)了一些新型智能控制臺(tái)車(chē)、檢測(cè)臺(tái)車(chē)等[6－8]。

本文采用Ansys有限元分析軟件對(duì)隧道襯砌臺(tái)車(chē)進(jìn)行分析優(yōu)化，以達(dá)到節(jié)省原材料、降低制造成本的目的[9－12]。

2 技術(shù)要求及變截面隧道襯砌臺(tái)車(chē)設(shè)計(jì)

2.1 技術(shù)要求

變截面隧道截面幾何尺寸不等，有些甚至相差較大，對(duì)隧道襯砌臺(tái)車(chē)提出更高要求。變截面隧道進(jìn)行二次襯砌時(shí)所使用的隧道襯砌臺(tái)車(chē)需滿足以下要求:

(1)隧道襯砌臺(tái)車(chē)在隧道截面發(fā)生變化時(shí)可以輕松切換，并且操作簡(jiǎn)單。

(2)臺(tái)車(chē)在多次尺寸轉(zhuǎn)換條件下，其強(qiáng)度、剛度以及穩(wěn)定性不發(fā)生明顯降低。

(3)隧道襯砌臺(tái)車(chē)輸送混凝土的效率要保持穩(wěn)定，以防止發(fā)生跑臺(tái)的情況。

針對(duì)以上幾點(diǎn)，在隧道工程施工中常用到的液壓頂推移動(dòng)襯砌臺(tái)車(chē)無(wú)法滿足，需設(shè)計(jì)一種新型隧道襯砌臺(tái)車(chē)來(lái)適應(yīng)變截面隧道。臺(tái)車(chē)襯砌頂模板長(zhǎng)度為12 m，適用于寬度8 m、高度7 m的隧道。

頂模板襯砌長(zhǎng)度:L＝12 m；

門(mén)架榀數(shù):k＝6；

頂模板厚度:10 mm；

爬行能力:4%；

行走速度:8 m/min；

總功率:22.5 kW(行走電機(jī)7.5 kW×2＝15 kW，油泵電機(jī)7.5 kW)；

液壓系統(tǒng)壓力:Pmqx＝16 MPa；

模板單邊脫模量:Amin＝150；

水平油缸左右調(diào)整量:Bmax＝100 mm；

頂升油缸行程:300 mm；

水平油缸行程:250 mm；

襯砌厚度:400 mm；

隧道襯砌臺(tái)車(chē)頂模板外部弧長(zhǎng):L1＝8.7 m。

2.2 變截面襯砌臺(tái)車(chē)設(shè)計(jì)

為設(shè)計(jì)此類(lèi)隧道變截面襯砌臺(tái)車(chē)，特設(shè)計(jì)一種伸縮桿件，在需要小幅度改變隧道襯砌臺(tái)車(chē)尺寸時(shí)使用，由厚度10 mm、直徑108 mm的鋼管構(gòu)成主體結(jié)構(gòu)。變截面襯砌臺(tái)車(chē)如圖1所示。

圖1 隧道變截面襯砌臺(tái)車(chē)斷面

當(dāng)伸縮桿伸長(zhǎng)量達(dá)到最大仍未滿足尺寸要求，需大幅改變隧道襯砌臺(tái)車(chē)尺寸時(shí)，便需對(duì)變截面襯砌臺(tái)車(chē)進(jìn)行切換，總體加寬，具體步驟如下:

(1)切換前隧道變截面襯砌臺(tái)車(chē)如圖2所示，由左右兩部分組合而成。

圖2 切換前變截面襯砌臺(tái)車(chē)

(2)將模板和門(mén)架臨時(shí)托起，在其下方臨時(shí)墊放鋼塊，保持模板以及門(mén)架穩(wěn)定，為之后操作打下基礎(chǔ)；鋼軌由豎向調(diào)整為橫向，將模板與門(mén)架下方車(chē)輪旋轉(zhuǎn)90°。

(3)在主橫梁上加設(shè)臨時(shí)可移動(dòng)立柱，連接電動(dòng)控制裝置及下方橫向鋼軌，如圖3所示。

圖3 安裝臨時(shí)可移動(dòng)立柱

(4)將模板、門(mén)架連接回車(chē)輪，操作移動(dòng)系統(tǒng)，將臺(tái)車(chē)左右部分分別移動(dòng)至工作位置，中間預(yù)留可用于安裝加寬塊位置。

(5)在臺(tái)車(chē)中間安裝加寬塊，各連接位置要保證連接質(zhì)量，如圖4所示。

圖4 安裝加寬塊

(6)拆除臨時(shí)立柱，隧道襯砌臺(tái)車(chē)切換完成。

3 隧道襯砌臺(tái)車(chē)荷載計(jì)算與數(shù)值模擬

3.1 頂模板荷載計(jì)算

進(jìn)行荷載計(jì)算時(shí)，工況主要有兩種:工作工況及非工作工況。工作工況以其承受的最大荷載為計(jì)算分析依據(jù)，非工作工況荷載為自重，由于自重較小，可忽略。本隧道變截面襯砌臺(tái)車(chē)承受荷載主要有三種，分別為:混凝土自重、輸送泵壓力以及注漿口封口處的壓力。

(1)混凝土自重

假定臺(tái)車(chē)上方混凝土自重全部由頂模板承擔(dān)?；炷烈r砌厚度δ＝400 mm，混凝土密度ρ＝2.45 t/m3。

混凝土自重:

單位面荷載:

(2)混凝土澆筑所產(chǎn)生荷載

通過(guò)查閱文獻(xiàn)取混凝土澆筑影響壓力μ＝46.06 kPa。

則混凝土澆筑時(shí)產(chǎn)生荷載:

單位面荷載:

(3)頂模板總荷載

總單位面荷載:

3.2 門(mén)架荷載計(jì)算

(1)門(mén)架主橫梁荷載計(jì)算

模型頂模板承受總荷載W＝583.2 t，則:

式中:n為隧道襯砌臺(tái)車(chē)豎向千斤頂個(gè)數(shù)；F為每榀門(mén)架主橫梁所承受的面荷載；W為頂模板承受荷載；g為自重加速度。

(2)門(mén)架主豎梁荷載計(jì)算

邊模板弧長(zhǎng)L2＝3 m。

邊模板水平荷載:

因此，每個(gè)水平千斤頂所受荷載為:

式中:n為隧道襯砌臺(tái)車(chē)單邊豎向千斤頂組數(shù)。

3.3 頂模板模型分析

(1)頂模板模型網(wǎng)格劃分

頂模板模型網(wǎng)格劃分采用六面體劃分法，單元類(lèi)型為20節(jié)點(diǎn)六面體以及10節(jié)點(diǎn)四面體。設(shè)定單元尺寸為30 mm，選取劃分場(chǎng)為物理場(chǎng)，最終劃分出430 070個(gè)節(jié)點(diǎn)以及139 669個(gè)單元。

(2)頂模板荷載、邊界條件施加

頂模板施加荷載分別為面荷載、自重，約束條件為接觸面約束。

(3)模型受力分析

對(duì)施加荷載以及邊界條件下的頂模板模型進(jìn)行分析，位移云圖以及應(yīng)力云圖如圖5所示。

圖5 頂模板位移和應(yīng)力云圖

由位移云圖可知，最大位移量為0.244 65 mm，出現(xiàn)在頂模板頂部中間區(qū)域，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的10 mm；由應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力值為27.996 MPa，遠(yuǎn)小于材料Q345的許用應(yīng)力170 MPa。

3.4 門(mén)架模型分析

(1)門(mén)架模型建立

各構(gòu)件初步采用方案如下:主橫梁采用窄翼緣HN700×300型鋼，主豎梁采用窄翼緣HN450×200型鋼，斜撐桿采用 25b型鋼，橫撐桿采用 20a型鋼，其主要參數(shù)如表1所示。

表1 各構(gòu)件截面參數(shù)

模型采取八字門(mén)架構(gòu)造方法，主橫梁正上方兩側(cè)各布置1個(gè)千斤頂，主豎梁每側(cè)布置4組千斤頂，模型簡(jiǎn)化后如圖6所示。

圖6 門(mén)架模型

(2)門(mén)架網(wǎng)格劃分

型鋼材料為Q345，密度σ＝7 850 kg/m3，彈性模量E＝2.1×105MPa，泊松比μ＝0.30。選擇關(guān)聯(lián)mesh板塊，最終劃分出133 717個(gè)節(jié)點(diǎn)及24 333個(gè)實(shí)體單元。

(3)門(mén)架荷載施加

臺(tái)車(chē)主橫梁上豎向千斤頂傳遞476.28 kN的荷載，主豎梁上千斤頂傳遞荷載為69.09 kN。

(4)門(mén)架受力分析

門(mén)架位移云圖、應(yīng)力云圖如圖7所示。

圖7 門(mén)架位移和應(yīng)力云圖

門(mén)架最大位移量為0.693 24 mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)要求的10 mm；最大應(yīng)力值為151.56 MPa，遠(yuǎn)小于材料Q345的許用應(yīng)力170 MPa。

4 隧道襯砌臺(tái)車(chē)模型參數(shù)化優(yōu)化

4.1 參數(shù)化優(yōu)化概念

利用Ansys進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化，主要由3個(gè)元素構(gòu)成，分別為設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)以及約束條件。

(1)設(shè)計(jì)變量

設(shè)計(jì)變量的總體為1組變量，可以表示為1個(gè)列向量。主橫梁截面圖和主豎梁截面圖如圖8所示。

圖8 主橫梁和主豎梁截面(單位:mm)

針對(duì)門(mén)架的參數(shù)化優(yōu)化，將圖8兩截面參數(shù)分別設(shè)置為設(shè)計(jì)變量，并對(duì)該部分進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，而橫撐梁以及斜撐梁保持不變。

(2)約束條件

約束條件是指對(duì)設(shè)計(jì)變量的變化加以約束，根據(jù)約束性質(zhì)可以分為性能約束和側(cè)面約束兩大類(lèi)。本文的約束條件為型鋼的選型，具體方案根據(jù)優(yōu)化結(jié)果選取。

(3)目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)實(shí)際工程以及規(guī)范要求，其目標(biāo)函數(shù)如下:

式中:Q1為隧道變截面襯砌臺(tái)車(chē)頂模板重量；Q2為隧道變截面襯砌臺(tái)車(chē)單榀門(mén)架重量；Q為隧道變截面襯砌臺(tái)車(chē)總重量；N為隧道變截面襯砌臺(tái)車(chē)榀數(shù)；σmax為最大應(yīng)力；[σ]為材料Q345許用應(yīng)力，170 MPa；Smax為最大位移量；S為容許位移量，10 mm。

4.2 門(mén)架參數(shù)化優(yōu)化

主橫梁寬度上下限設(shè)定為200～300 mm，高度上下限設(shè)定為400～700 mm；主豎梁寬度上下限設(shè)定為100～200 mm，高度上下限設(shè)定為200～450 mm。在152組數(shù)據(jù)中，只有第7組以及第10組符合設(shè)計(jì)要求。第7組數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果:位移最大值為0.812 99 mm，應(yīng)力最大值為165.29 MPa；第10組數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果:位移最大值為0.817 4 mm，應(yīng)力最大值為164.3 MPa；其余150組數(shù)據(jù)中位移全部滿足設(shè)計(jì)要求，但應(yīng)力值全部高于材料Q345許用應(yīng)力170 MPa。

第7組:通過(guò)優(yōu)化最終得出主橫梁與主豎梁幾何尺寸，結(jié)合型鋼規(guī)范得出最終優(yōu)化結(jié)果。優(yōu)化后主橫梁采用HM450×300型鋼，主豎梁采用HN350×175型鋼，具體參數(shù)如表2所示。

表2 第7組優(yōu)化后主橫梁、主豎梁參數(shù)

主橫梁與主豎梁長(zhǎng)度不變，分別為4.5 m、3 m。經(jīng)計(jì)算，主橫梁與主豎梁優(yōu)化前重量為1 043.7 kg，優(yōu)化后重量為668.1 kg，共計(jì)優(yōu)化36%。

第10組:通過(guò)優(yōu)化最終得出主橫梁與主豎梁幾何尺寸，優(yōu)化后主橫梁采用HM550×300型鋼，主豎梁采用HN350×175型鋼，具體參數(shù)如表3所示。

表3 第10組優(yōu)化后主橫梁、主豎梁參數(shù)

經(jīng)計(jì)算，主橫梁與主豎梁優(yōu)化后重量為645.6 kg，較優(yōu)化前相比降低38.1%。

5 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)一種新型隧道變截面襯砌臺(tái)車(chē)，當(dāng)隧道截面變化不大時(shí)，使用伸縮桿件，當(dāng)隧道截面變化較大時(shí)，需要對(duì)臺(tái)車(chē)進(jìn)行切換。

(2)結(jié)合臺(tái)車(chē)受力特點(diǎn)以及施工工況計(jì)算出隧道襯砌臺(tái)車(chē)受力后，使用Solid Works建模軟件對(duì)門(mén)架進(jìn)行簡(jiǎn)化建模計(jì)算，門(mén)架總位移量為0.693 24 mm，應(yīng)力最大值為151.56 MPa；使用Space Claim對(duì)頂模板進(jìn)行建模，施加荷載以及邊界條件后，得出分析結(jié)果，總位移量為0.244 65 mm，應(yīng)力最大值為27.996 MPa。

(3)對(duì)門(mén)架進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化，最終選定第10組數(shù)據(jù)結(jié)果為最優(yōu)，可為門(mén)架主橫梁以及主豎梁節(jié)省38%的材料。