敞口式盾构挖掘装置有限元分析及试验研究

杨海涛

(北京市三一重机有限公司盾构公司，北京 102202)

0 引言

地铁施工大多以密闭式盾构为主，然而对于砂卵石等地层，密闭式盾构存在着施工难度大、掘进效率低和施工成本高等缺陷。敞口式盾构没有刀盘和刀盘驱动装置，能有效解决密闭式盾构存在的维修成本高、处理孤石难等问题，具有良好的经济性及灵活的风险应对能力［1］，尤其是在砂卵石等自稳性较好的地层施工中，敞口式盾构比密闭式盾构更为适用［2］，诸如以砂层、砂砾石/卵石与粉土互层为主的北京中西部地区，使用土压平衡盾构刀盘刀具磨损十分严重，而敞口盾构则不存在类似问题［3－6］。

目前，许多学者对敞口式盾构做了一些研究，主要集中在敞口式盾构介绍及应用［7－8］、前盾设计［9］、推力计算［10］、设计综述［11］、挖掘装置运动学和动力学的分析及有限元、模态的分析与仿真［12－13］等方面。

2013年9月，北京三一重机有限公司成功研制了1台直径为6.22 m的敞口式盾构，如图1所示。该盾构装备1台带有伸缩臂的挖掘装置，用于前方土体的挖掘。本文以挖掘装置为研究对象，利用ANSYS和ABAQUS软件，建立有限元模型;选取2种典型工况进行强度和刚度分析，得到挖掘装置的应力云图和位移云图。为验证有限元分析的结果，首次针对挖掘装置实物设计了一套试验检测装置，对挖掘装置进行应力测试，对仿真和测试结果进行分析和比较。

图1 敞口式盾构Fig.1 Open shield machine manufactured by Sany

1 有限元模型的建立

1.1 挖掘装置三维模型

挖掘装置主要由铲斗、连杆、摇臂、铲斗油缸、伸缩臂、伸缩油缸、俯仰油缸、动臂及转台等部件组成，其Pro/e三维模型如图2所示。……