基于SolidWorks三维建模矩形顶管掘进机壳体的设计

    0 引言

    隧道掘进机是用于地下隧道施工的掘削设备，常见型式为圆形结构，主要因为圆形掘进机壳体受力均匀，且圆形隧道结构具有稳定可靠的特点。随着经济发展对地下空间开发利用的需求增加，尤其在过街地道、地铁车站的地下走廊等工程中，矩形隧道建设具有更大的空间开发优势。利用矩形顶管机施工所获得的通道断面不仅接近于实际使用的断面，具有较高的空间利用率，而且还可为工程后期的改造装修带来便利，节省工程成本，具有很好的经济性。目前，许多发达国家都掀起了开发异形断面掘进机技术的高潮，先后进行了矩形隧道、椭圆形隧道、双圆形隧道、多圆形隧道掘进机及施工技术的试验研究和工程应用。

    矩形顶管机是一种在壳体围护支撑借助安装于始发井内的后顶进千斤顶和相关机械装置向前推进的隧道掘进设备。通过组合刀盘切削土体，并由螺旋机等装置完成排土作业，再由顶进装置顶进一节管节长度的距离后，将顶进千斤顶缩回，并将一节成型管节放置于机头或已安装管节与后顶进装置之间的空间后继续顶进，如此反复完成整个隧道掘进施工。壳体结构是顶管掘进机中非常重要的承载和围护结构，其结构设计的好坏关系到整个隧道施工工程的成败。在传统的机械设计过程中，通常需要丰富的实际经验，设计过程相对比较繁琐复杂，设计人员的水平决定了壳体设计的质量好坏。采用有限元方法对顶管机的壳体进行设计，将使整个壳体设计过程变得更加简单快捷，计算结果也更准确，但目前大多数文献涉及到的有限元计算方法主要集中应用于对顶管机施工过程的土体力学计算和理论分析。

    本文根据实际工程需求，进行示范例4.2m×6.9m土压平衡矩形顶管机机械设计工作，讨论壳体关键结构的设计要点；建立矩形顶管掘进机壳体模型，利用三维分析软件对示范例矩形顶管机壳体进行相关研究，形成一套基于建模的壳体设计、校验及优化的有限元分析方法。

    1 壳体总体设计概述

    顶管机壳体分前后2个部分，前壳体与后壳体尺寸大小基本相同。在设计过程中，通常采用刀盘超挖形式使刀盘切削断面略大于壳体和管节断面尺寸，这样有利于顶管机机头进出洞控制、掘进纠偏和姿态调整。另外，根据结构特点在壳体周边均匀设置泥浆压注孔，通过泥浆孔向前后断面尺寸差形成的环形空隙处填注减摩泥浆，壳体减摩泥浆套可有效减小后壳体及管片在土层中的顶进阻力，有利于对正面土压力的控制，提高掘进工作效率。