盾構洞內始發反力架在湘江隧道的設計及應用

孟祥輝

摘要： 本文以長株潭城際鐵路湘江隧道盾構始發施工為背景，介紹了洞內始發反力架及支撐的設計情況，對反力架及支撐和襯砌、仰拱的受力變形進行數值模擬，得出反力架各構件受力強度滿足要求，支撐對襯砌與仰拱的受力與變形影響均很小，可以滿足強度要求。對始發施工中反力架及支撐的施工要點進行討論，為類似工程提供經驗參考。

Abstract： By taking the shield launching of Chang-Zhu-Tan Intercity Railway Xiangjiang Tunnel， the structural design of the shield launching reaction frame is described herein， numerical simulation is carried out on the force deformation of the reaction frame and the supporting and lining and the inverted arch， it is concluded that the force of each member of the reaction frame meets the requirement of strength， the impact of support on the lining and the inverted arch is very small and can meet the requirement of strength. It is discussed that the key points of construction of reaction frame and supporting that provides empirical reference for similar projects.

關鍵詞：盾構洞內始發；反力架；支撐；軸力；彎矩

Key words： shield launching in the tunnel；reaction frame；supporting；axial force；bending moment

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）25-0105-03

0 引言

盾構法已經成為我國軟土地區城市地下軌道交通建設與地下空間開發的主要施工方法[1-2]。盾構始發工序是盾構法建造隧道的關鍵工序，該工序施工技術的優劣將直接影響到建成后隧道或管道的軸線質量、始發段洞口處環境保護的成效以及工程施工的成敗[3-4]。由于城市空間限制、周邊構建筑物影響等，近年來盾構洞內始發應用越來越多。盾構常規洞內始發一般采用反力墻體系，該工法工期長，反力墻段襯砌質量難以保證。為此在長株潭城際鐵路湘江隧道右線盾構施工中采用了洞內始發反力架，本文對其洞內反力架進行受力分析和研究，對反力架施工要點進行分析，為類似工程提供參考。

1 工程概況

長株潭城際鐵路綜合Ⅰ標盾構段濱開區間位于長沙市岳麓區和開福區。掘進設備采用土壓平衡盾構機，主機長度11.2m，刀盤直徑9.34m，最大扭矩15047KN.m，最大推力7000t。由于盾構始發井緊鄰居民小區，無法提供盾構洞外始發場地，因此設計了160m的暗挖段，盾構在暗挖段隧道進行洞內始發。

盾構反力架采用H型鋼對焊拼接而成，上部采用H200型鋼對焊，中部采用H350型鋼對焊。反力架后面采用鋼管支撐，上半部支撐采用？準150mm鋼管，支撐斜撐在礦山隧道的初支上，鋼管與初支鋼架焊接；中部支撐采用？準300mm鋼管，支撐與預埋鋼板焊接，斜撐在混凝土面上；下部將盾構機通過鋼圈抵在仰拱混凝土之上。具體如圖1所示。

2 數值模擬

2.1 數值模型建立

采用FLAC3D大型數值軟件進行數值分析計算，結構單元的幾何及物理特性見表1所示。

反力架所受荷載按照在全環上均勻分布簡化，施加在結構單元的節點上[5]，如圖2所示。同時對反力架支撐進行編號，如圖3所示。

2.2 數值模擬結果與分析

2.2.1 反力架與支撐受力與變形

①反力架與支撐軸力。

將計算所得各支撐軸力列于表2中。

從表2可以看出，當總推力為2500t時，各支撐均處于安全狀態。

②反力架與支撐彎矩與變形。

反力架及支撐彎矩云圖如圖4所示。反力架及支撐變形矢量如圖5所示。

從圖4可以看出，采用復合反力架支撐時，支撐基本沒有彎矩，變形均在可控范圍內。

2.2.2 襯砌及仰拱受力與變形

①襯砌及仰拱受力。

襯砌及仰拱沿隧道縱向應力云圖如圖6所示。

從圖6可以看出，在隧道的邊墻處一定范圍內出現較大的壓應力，而局部出現拉應力，但拉應力及壓應力均較小，說明襯砌及仰拱滿足強度要求。

從圖7可以看出，支撐對襯砌及仰拱產生變形很小，僅有0.05mm量級的影響，故此可以忽略不計。

3 反力架及支撐施工要點

3.1 反力架施工要點

反力架的主體由11塊型鋼構成，為使11塊型鋼能夠成為一個整體，共同受力，必須保證連接質量。因此該構件將首先用M27螺栓連接，然后通過焊接連形成整體。

構件1位于反力架上半部，其由9塊H200型鋼）組成，以便安裝。架后支撐為Φ150鋼管（構件7），受力基礎為鉆爆段初支鋼拱。

構件2位于反力架下半部，由兩塊H300型鋼組成，分別位于反力架左右兩端。架后支撐為Φ325鋼管（構件5、6）及與之相連的20mm厚鋼板，受力基礎為仰拱C35鋼筋混凝土。

3.2 支撐施工要點

架后支撐的具體施作方式如下：

3.2.1 鋼架連接施工

以反力架為起點，首先將其后五榀鋼拱通過9根5米通長的10號槽鋼焊接（焊接點位于鋼拱內弧面上），使五榀鋼拱成為一個整體受力的結構。其次，為保證盾構始發時的反力不會導致鋼拱傾覆，應在每根通長的10號槽鋼周邊分別打入4根Φ22砂漿錨桿（錨入深度1.5m），并通過焊接連為一體。

3.2.2 仰拱預埋鋼板

下部反力墻仰拱施作時，應按設計圖預埋鋼板（構件8、9），這些鋼板厚20mm，通過Φ28預埋鋼筋固定在反力墻仰拱。

4 結論

①按照1.5倍安全系數考慮，反力架各構件受力滿足強度要求；支撐對襯砌與仰拱的受力與變形影響均很小，可以滿足強度要求。

②采用該方案盾構始發反力體系布置僅需7天，與常規反力墻始發相比，工期可節約2-3個月。

③對反力架及支撐施工的要點進行討論為類似工程提供經驗參考。

參考文獻：

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[2]何川，封坤，方勇.盾構法修建地鐵隧道的技術現狀與展望[J].西南交通大學學報，2015，50（01）：97-109.

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[5]趙寶虎，王燕群，岳澄.盾構始發過程反力架應力監測與安全評價[J].工程力學，2009，26（09）：105-111.