盾構始發反力架結構分析與設計

黃 斐

（中鐵隧道勘察設計研究院有限公司， 廣州 南沙）

0 前言

目前，盾構法施工已成為城市地下軌道交通中不可或缺的施工方法[1][2]。地鐵建設在城市基礎設施建設中承擔非常重要的角色，而盾構始發作為盾構法地鐵施工中的關鍵環節，其順利進行直接影響著盾構施工安全及施工質量。盾構始發時，需要在盾構機后方設置一個為盾構機始發提供反作用力的構件，即反力架[3]。在國內，盾構始發施工時，反力架的支撐作用位置一般除采用斜撐作用于底板外，還設置水平支撐作用于中板。以色列特拉維夫紅線地鐵區間盾構始發時僅有圍護結構，車站主體結構尚未施工，與國內一般情況有所區別，本文結合以色列特拉維夫紅線地鐵項目車站的實際情況，設計一種經濟合理的反力架。

1 工程概況

以色列特拉維夫紅線地鐵項目全長23km，共設23 座車站，本標段工作范圍包括6 座車站及5.5 公里區間盾構隧道，區間隧道內徑為6.5m，外徑為7.2m，管片厚度0.35m。根據對比分析6 座車站的埋深和水位情況可知，ARLOSOROFF 站的埋深最深及水位最高，盾構始發所需推力最大，為了保證所設計的反力架適用于所有車站，按照ARLOSOROFF 站作為輸入條件進行反力架設計。

2 設計參數

2.1 材料屬性

反力架所用鋼材等級為歐標S355，屈服強度為355N/mm2，極限強度為510N/mm2，彈性模量為210000N/mm2，泊松比為0.3。

2.2 荷載及組合

（1）荷載

反力架在設計時，主要承受以下2 種荷載：

a)反力架本身構件的結構自重。

b)水平推力：根據Arlosoroff 車站埋深、水位情況及地質參數進行盾構機推力的計算，作用在反力架上的總推力（包括盾構機外殼與土的摩擦力，掌子面水土壓力，后備臺車牽引阻力）為25000kN。根據推進油缸布置及油缸推力分布規律，確定下部油缸組的均布荷載為1450kN/m，兩側油缸組的均布荷載為971kN/m, 上部油缸組的均布荷載為580kN/m。

（2）荷載組合

按照承載能力極限狀態（ULS）和正常使用極限狀態（SLS）兩種極限狀態進行反力架結構的內力和變形分析。

3 數值模擬分析

3.1 構件選型：

反力架采用SAP2000 進行分析，其構件的截面初步選型統計如圖1 和表1 所示：

圖1：構件編號

表1: 結構構件截面初步選型

3.2 計算模型：

根據上述反力架各構件的截面初步選型，利用SAP2000v20 結構分析軟件，建立如圖2 所示模型，作用在反力架上的水平推力分布如圖3 所示。

圖2：反力架數值模型

圖3：反力架水平推力分布示意圖

3.3 計算結果：

計算結果如下所示:

表2：計算結果

3.4 數值分析驗算

利用SAP2000 v20 鋼結構校驗功能，對結構的截面內力、變形及穩定性進行分析，分析結果如圖4 及5 所示：

圖4：構件考慮穩定性后應力與抗力比值（P-M Ratio）

圖5：構件變形

根據計算結果，下部橫梁和最下層支撐為最不利位置，下部橫梁應力與抗力比值為0.844<0.9，最下層支撐應力與抗力比值為0.867<0.9，受力滿足要求。反力架最大變形發生在下部橫梁中部位置，最大變形為14.1mm，滿足盾構始發變形要求。

4 結論

根據上述分析，反力架設計可以滿足盾構始發要求。通過本次設計，總結設計要點如下：

(1)盾構機始發反力架設計需結合盾構始發井的結構特點，充分的利用現有結構，在滿足受力安全的前提下，最大限度地節約成本。

(2)盾構機始發過程中，反力架中下部支撐受力大于上部支撐受力，在反力架設計時必須注意中、下部支撐設計，以保證盾構機始發時的安全。

(3)反力架主體最大位移位于下部橫梁位置，設計時應適當加大下部橫梁截面尺寸或在下部橫梁中部后方增加支撐，以控制反力架主體水平變形。