盾构机作为一种特种装备，与常规设备有所不同，其结构需根据具体的施工对象量身定做，针对不同施工地质条件和盾构几何尺寸，需重新进行结构设计制造，其对可靠性的要求极高。盾壳作为支撑围岩的核心部件，要保证其强度能够承受围岩所带来的压力，其变形必须满足一定的范围。

1）盾壳所受荷载分析

要分析壳体能否满足强度与刚度的要求，首先要对壳体所受荷载进行分析（图3-1）。

图3-1　盾壳所受荷载

P1、P2—垂直方向的土、水压力；Pg—盾壳的自重反力；q1—水平土压、水压在隧道上端的合力；
q2—水平土压、水压在隧道下端的合力；fdk—地基抗力

①土压力：土压力是盾壳设计时所考虑的重要荷载之一，垂直土压力可视为作用于盾壳顶部的均布荷载。水平土压力作用在盾壳两侧，可视为水平作用的分布荷载。水平土压力的大小根据垂直土压力与侧向土压力系数计算。

②水压力：垂直方向的水压力可作为均布荷载考虑。作用在盾壳顶部的水压力等于作用在其顶点的静水压力值；作用在盾壳底部的水压力等于作用在盾壳最低点的静水压力值。水平方向的水压力可作为分布荷载考虑，水平方向的水压力大小与对应点的垂直静水压力值相同。

③自重反力：在盾壳设计时除应考虑盾壳自重外，还应考虑盾壳主体自重产生的地层反力。盾壳自重产生的反力为沿着盾构本体轴线分布的垂直荷载。

④地基抗力：垂直方向的地基抗力忽略不计。水平方向的地基抗力可采用日本盾构法施工规范上的公式进行计算。

⑤盾壳外围摩擦力：盾构机在地下挖掘前进时，盾壳外围结构与周围土体发生相对位移而产生的摩擦力（其中水压力不产生摩擦力）为盾壳外围法向荷载与摩擦系数的乘积。

2）壳体强度校核

盾构机在施工作业时，盾壳直接承受外部、内部荷载并起支撑保护内部结构的作用。盾壳是否具有足够的强度和刚度直接关系到工程成败及操作人员的人身安全。在此基础上，施工方还要求盾壳具有一定的经济性。因此，针对盾壳结构需进行结构安全性校核，并在保证其安全性能的基础上进行结构优化。

切口环和支承环是盾构刀盘驱动和推进系统的安装基础，这些部分的盾壳内部容易得到加强，而盾尾是整个盾壳中最薄弱的环节。为了保证盾尾在自重、土压力等荷载作用下有足够的强度和刚度，需要针对盾尾进行详细的受力计算分析。(www.daowen.com)

下面以成都地铁6号线土建3标为例，使用该段所使用的盾构盾尾数据对盾尾的强度和刚度进行仿真研究，验算盾尾是否能满足强度和刚度要求，以此来说明验算方法。

该盾构盾尾外径为6 230φ，板厚度为40 mm，盾尾间隙为30 mm，材料采用的是Q345B，屈服强度为345 MPa。

采用有限元法校核盾尾在埋深30 m时的强度与刚度问题，考虑到计算时间及计算量问题，对盾尾有限元模型进行了相应的简化。

强度校核：如图3-2所示，最大应力为72.5 MPa，满足盾尾材料的结构强度要求。

图3-2　盾尾强度分析

刚度校核：图3-3为盾尾的总体变形图，最大位移为1.18 mm；图3-4和图3-5分别为水平方向和竖直方向变形的最大位置示意图，最大位移分别为1.04 mm和1.17 mm，为盾尾相对中心轴线的绝对位移值，皆远小于设计盾尾间隙，满足刚度要求。

图3-3　盾尾总体变形云图

图3-4　盾尾X向变形云图

图3-5　盾尾Y向变形云图