主梁式TBM撑靴与不同围岩接触分析
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摘 要：撑靴与围岩接触易产生围岩受力不均、侧壁撑不住、撑靴支撑不稳等问题，针对上述问题，建立撑靴与围岩接触三维模型，利用ABAQUS对其进行数值仿真模拟，得出力学性能分布情况，选择主梁式TBM撑靴分别与软岩和硬岩接触分析，观察其各自力学分布情况，并进行对比分析。
关键词：主梁型TBM；撑靴；不同围岩；对比分析
全断面硬岩掘进机[1-2]推进机构铰链未端与支撑靴相连接，另一端与TBM主梁连接在一起。TBM上的支撑靴能够在主梁上有限移动，前且在支撑靴的液压油缸处存在调向构件。TBM在推进过程中，支撑靴撑紧岩壁上的岩石，通过变换推进液压缸的长度来实现推进过程。本文研究的是主梁式TBM撑靴与围岩接触分析，主梁式TBM的支撑系统由液压千斤顶、支撑靴板和支撑鞍座驾组成，如图1所示。
全断面硬岩掘进机多用于山里的硬岩隧道的开挖，地下隧道环境比较恶劣，地层极为复杂，工作环境不稳定，设备损耗较大及振动较强烈，载荷易突变。由上可知TBM工作环境比较恶劣，在如此复杂多变的工作环境下工作对支撑系统的工作能力是一个严峻挑战。而支撑机构的支撑力传递到支撑靴上，使撑靴撑紧在岩壁上，起到固定机器的作用，同时，提供刀盘向前掘进时所需要的作用力和刀盘旋转时所需要的扭矩，并且撑靴与围岩接触情况多变，故分析撑靴与围岩接触具有重要意义。
1 撑靴与围岩数值仿真模型建立
本文以中国铁建重工集团所制造的主梁式TBM实体为参照，建立主梁式TBM撑靴三维模型，再根据《隧道力学概论》选取两种围岩参数对围岩进行建模。撑靴与围岩接触模型如图2所示。
2 撑靴与围岩数值仿真模拟分析
为了更真实的模拟撑靴与围岩的接触仿真，仿真前，将U型铰链加到撑靴上进行仿真模拟，撑靴上所受力如下：支撑力T=22800KN，单个铰链推进力F1=21087/4KN，其仿真模型如图3所示。
撑靴与围岩接触主要特性有：法向接触压力cpress、综合应力S，mises、位移变形U，Magnitude。根据图3可知，主梁式TBM支撑靴与围岩接触的接触靴面，其中间是沟槽，沟槽两边成对称状态，但其一边上装有与推进液压缸铰链相连接的耳架。正是由于此区别，导致在轴向分布上法向接触压力、位移变形以及综合应力两边不对称。
2.1不同围岩数值仿真对比分析
撑靴与围岩接触易产生侧滑、支撑不稳以及岩石破碎等问题，这些问题的产生不仅与撑靴的支撑力大小有关，还与围岩自身的特性有关。分别选取软岩和硬岩为研究对象做撑靴与围岩接触仿真分析，观察两类围岩与撑靴接触所产生的不同力学分布以及变形情况。
2.1 软质岩与撑靴接触仿真分析及对比分析
利用MATLAB分别绘制撑靴与软岩和硬岩接触所产生的法向接触压力（cpress）的仿真图形并对其进行对比分析：
根据上述图形可得：软质岩产生的平均接触压力大于硬质岩，软岩中间所产生的竖直方向接触压力比硬质岩要小，但两边产生的竖直方向接触压力要比硬质岩大，软质岩和硬质岩数值的大小相差不大，说明软质岩易从两边开始破岩，硬质岩中间易破碎。总体来讲，依据平均接触压力的大小来看软质岩更容易破碎与坍塌，破碎区域应该从撑靴两边上开始。
利用MATLAB分别绘制撑靴与软岩和硬岩接触所产生的综合应力（S，mises）的仿真图形并对其进行对比分析：
根据上述图形可得：岩面变形量区别较法向接触压力要大好多，其软质岩产生的岩面平均变形量是硬质岩的16倍多，软质岩沟槽两边的大小差别也比硬质岩更明显，说明铰链角度对软质岩造成的变化更大，但不管是软质岩还是硬质岩都是都是远离铰链的一边变形大于接近铰链的一边，可知撑靴与围岩接触远离铰链的一边变形较大，在其接触面上更容易变形，软质岩比硬质岩变形区域更大，综上所述：软质岩比硬质岩变形区域大而且数值是硬质岩的十几倍，说明软质岩更易变形。
利用MATLAB分别绘制撑靴与软岩和硬岩接触所产生的位移变形（U，Magnitude）的仿真图形并对其进行对比分析：
根据上述图形可得：软质岩所受的平均综合应力比硬质岩要小，软岩中间所产生的竖直方向综合应力比硬质岩要小，但两边产生的竖直方向综合应力要比硬质岩大，不管是轴向还是周向可以看出软质岩受力区域远大于硬质岩，根据第四强度理论： 软质岩所受综合应力区域大于硬质岩，故软质岩易发生屈服破坏。
本文主要是进行对比分析，分析不同围岩对各力学性能的影响。结果表明：软质岩产生的平均接触压力大于硬质岩，软岩中间所产生的竖直方向接触压力比硬质岩要小，但两边产生的竖直方向接触压力要比硬质岩大。软质岩比硬质岩变形区域大而且数值是硬质岩的十几倍，说明软质岩更易变形。软质岩所受综合应力区域大于硬质岩，软质岩比硬质岩更易造成变形、破碎以及坍塌。
参考文献
[1] 张凤祥，朱合华，傅德明. 掘进装备隧道.1版. 北京：人民交通出版社，2004.
[2] 周文波.掘进装备法隧道施工技术及应用.1版. 北京：中国建筑出版社，2004.