地鐵盾構施工中始發(fā)反力架設計及受力分析

王義強

摘要：結合沈陽地鐵4號線望～觀區(qū)間盾構始發(fā)施工現狀，介紹了盾構反力架的設計情況，通過受力計算分析各部件受力機理，并利用midas civil有限元軟件進行數值分析，得到了始發(fā)階段反力架各部件的受力狀況及位移情況，確定了在始發(fā)階段重點關注部位，最后將理論研究及數值模擬結果同始發(fā)實際情況進行了比較，其研究成果旨在為以后類似區(qū)間盾構始發(fā)施工提供指導意見。

Abstract： Combined with the current situation of the initial construction of the shield tunnel in the Wang ～ Guan section of Shenyang Metro Line 4， the design of the shield reaction frame is introduced. The force mechanism of each component is analyzed through the calculation of the force. After analysis， the stress conditions and displacements of the components of the reaction force frame during the starting phase were obtained， and the key areas of concern during the starting phase were determined. Finally， the theoretical research and numerical simulation results were compared with the actual starting conditions. The aim is to provide guidance for the future construction of similar shield tunnels.

關鍵詞：區(qū)間盾構;反力架;始發(fā);數值模擬;受力分析

Key words： interval shield;counterforce frame;starting;numerical simulation;mechanical analysis

中圖分類號：U455.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）08-0140-03

0 ?引言

目前，盾構法已成為城市地下軌道交通建設中不可或缺的施工方法，在地鐵建設領域起著至關重要的作用，而盾構始發(fā)作為盾構法施工中的重要環(huán)節(jié)，其順利進行成為保證后期盾構施工質量的關鍵[1]。始發(fā)時，為防止盾構機姿態(tài)發(fā)生過大偏差，反力架須為盾構機提供足夠的反作用力，確保盾構機零誤差進洞。因此，有必要對反力架安全性能進行評估。本文結合沈陽地鐵4號線望～觀區(qū)間盾構始發(fā)工況，通過受力計算及數值模擬分析，對反力架整體穩(wěn)定性進行論證，進而指導工程實踐。

1 ?工程概況

沈陽地鐵4號線望～觀區(qū)間起于望花屯站止于觀泉路站，望花屯站、觀泉路站均為島式站臺，主要沿規(guī)劃路和北大營街由北向南敷設，線路間距13m～15m。沿線主要途經聯(lián)合物流、森王木業(yè)、中國外運、際華3547特種裝具有限公司、望花新村小區(qū)、水印藍庭小區(qū)等。線路西側尚有大量地塊待開發(fā)。

本區(qū)間為單洞單線盾構區(qū)間，區(qū)間右線長度為1611.898m，左線長度為1614.121m，線路為單向坡度，最大坡度為25‰。隧道斷面外徑為6m，覆土厚度為10.95～21.1m。隧道所在地層以粉質粘土、中粗砂為主，隧道以下以礫砂為主。

2 ?反力架結構設計及受力計算

2.1 反力架結構形式

反力架作為盾構始發(fā)階段的重要受力構件，它必須能夠承受盾構機始發(fā)階段所提供的始發(fā)推力，反力架整體結構及各細部構件均要求滿足施工生產的強度、剛度、穩(wěn)定性的要求[2]。

在盾構主機與后配套連接之前，進行反力架的安裝。由于反力架為盾構始發(fā)時提供反推力，在安裝反力架時，反力架端面應與始發(fā)托架軸線垂直，以便盾構軸線與隧道設計軸線保持平行。反力架環(huán)向連接主要為高強螺栓連接，支撐體系為現場焊接，焊接過程中焊縫應平順、整齊、均勻，高度滿足最薄母材的1.2倍。安裝時反力架與車站結構連接部位的間隙要用鋼板墊實，并與車站預埋板焊接牢固，以保證反力架腳板有足夠的抗壓強度。

反力架安裝起始里程為DK4+226.162，共拼裝10環(huán)負環(huán)，0環(huán)管片進入洞門500mm，反力架示意如圖1（a）。

2.2 反力架各部件

反力架主體結構由2根500x600mm的立柱和2根500x600mm的橫梁組成，為了使結構整體穩(wěn)定性更好，在腹板兩側每50cm安裝一塊肋板。

反力架主體結構立柱由支撐將力傳遞到車站結構墻與車站底板上，立柱及橫梁設11道支撐，采用H45C型鋼、140角鋼、Q235 鋼板等鋼材焊接加固。

2.3 反力架受力計算

2.3.1 力學模型

立柱計算高度為5700mm，上下各有兩個橫梁，計算跨度為5820mm。根據連接形式，以及荷載傳遞路徑可按如圖1（b）計算模型設計。

其中：L1、L2、L3、L4桿件與部分負環(huán)直接接觸。

荷載傳遞路徑分析：盾構機水平推力F→負環(huán)管片→反力架→水平支撐、斜撐以及井底、井壁的支座。

2.3.2 荷載取值

計算荷載取盾構機千斤頂推力1500t，計算式簡化為均布荷載，平均分配到管片上。管片把荷載傳遞到反力架上的四個受力區(qū)域（如圖1（b）所示的L1、L2、L3、L4四個區(qū)域）每個區(qū)域的Fi為1/4F。

F=1500t×10kN/t=15000kN;

Fi=F/4=3750kN。

2.3.3 力學計算

①立柱、橫梁受力計算。

根據以上分析，分別建立橫梁、立柱、支撐的計算模型。因為橫梁的荷載是傳遞到立柱和水平支撐上的，故應計算為橫梁→立柱→支撐→井壁支座。

1）橫梁L1、L2計算

q1=3750/2.71m=1383kN/m，L0=5.82m

2）立柱H1、H2計算

如圖3所示，qh即為管片傳遞的荷載，qh=F3/2.86m=1311kN/m。

3）截面復核

橫梁及立柱采用箱式截面，采用工56b雙拼工字鋼。查詢工56b截面系數，Ix=68500cm4，W=2450cm3。

查鋼結構設計規(guī)范可知：[σ]=235MPa;[τ]=120MPa。故經檢驗σmax<[σ]，τmax<[τ];柱滿足強度設計要求。

②加固支撐受力計算。

按照盾構機千斤頂最大推力1500t計算，后方加固支撐采用原有格構柱焊接于反力架上，格構柱組成為4L140×14角鋼組成，截面積440×440mm。反力架加固分布為上、下、左側各3根格構柱水平支撐于車站結構墻上承受水平受力;右側采用兩道鋼圍檁以45°角斜撐，上端焊接于反力架上，底端焊接于車站結構預埋板中。斜撐依靠埋置于底板的埋件承受推力。每個預埋件為1000×800×20mm鋼板，用于固定鋼板的鋼筋為A60×40cm×8根。

錨固鋼筋采用沖擊鉆頭將底板鉆孔40cm深，清空孔內灰塵，保持孔內干燥，灌入植筋膠，插入鋼筋。待凝固大于24小時后焊接鋼板。

計算結果過程如下：

L140×14角鋼橫截面積：A1=37.57cm2;

45C工字鋼截面積：A2=120.4cm2;

根據國標《鋼鐵產品牌號標識方法》（GB/T 221-2008）規(guī)定[3]，Q235設計抗壓強度為235MPa。

3 ?反力架數值模擬

3.1 計算模型

采用結構有限元midas civil軟件進行三維模擬，根據反力架幾何形狀和各部件之間的關系，建立有限元模型。模型的所有連接點均為固結，把所有的桿件均作為梁單元來考慮[4]。

3.2 計算結果

最大組合應力值及位移值如圖5。

由應力云圖上可得，在盾構機始發(fā)推力作用下，反力架最大受力發(fā)生在立柱及橫梁中部位置，應力б=173.7MPa<[σ]=235MPa，滿足規(guī)范要求。

由計算結果可得最大豎向位移發(fā)生在立柱中下部位置，位移大小為w=3.424mm，根據《鋼結構設計規(guī)范》（GB50017-2017）附錄[5]取變形允許值f=l/400=14.25mm，變形滿足要求。

結論：該結構可以承受1500t的推力。

4 ?現場反力架實際情況

始發(fā)過程中，對反力架重點受力部位進行實測實量[6]，各部位未出現明顯變形，各受力構件符合受力計算及有限元模擬結果;沈陽地鐵4號線望～觀區(qū)間在實際盾構始發(fā)工況下，反力架橫撐最大受力175MPa，立柱最大受力183MPa，立柱最大位移4.8mm，滿足規(guī)范要求。

5 ?結論

①作為盾構始發(fā)階段的平衡力系結構，反力架在設計時須綜合考慮始發(fā)車站的尺寸及盾構機性能參數，從預埋鋼板的設置及反力架各部件之間的連接關系出發(fā)，確保反力架安裝固定牢靠，保證盾構機零誤差進洞。②對于該工程的反力架，從計算結果及模擬結果看，反力架立柱及橫撐作為關鍵受力部位，在盾構始發(fā)時要實時監(jiān)測，以確保盾構始發(fā)的安全。③在盾構始發(fā)推力作用下，該反力架受力安全性能夠滿足盾構始發(fā)要求，反力架最大應力小于屈服要求，最大位移在彈性變形范圍內，其整體穩(wěn)定性較好;實際工況下，也滿足了盾構始發(fā)過程中的安全作業(yè)要求。

參考文獻：

[1]何占峰.盾構始發(fā)反力架結構設計及應用效果分析[J].水利水電技術，2013（11）：66-70.

[2]左悅.反力架的應用研究及案例分析[J].機械管理開發(fā)，2017（2）：35-36.

[3]中華人民共和國國家標準.GB/T 221-2008，鋼鐵產品牌號標識方法[S].國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布，2000.

[4]祝全兵，李雪.成都地鐵火車南站大直徑盾構始發(fā)反力架安全性能受力分析[J].施工技術，2018年6月（增刊）：791-794.

[5]中華人民共和國國家標準.GB50017-2017，鋼結構設計規(guī)范[S].中國計劃出版社，2017.

[6]高洪吉.9.15m直徑盾構始發(fā)階段推力計算及反力架受力分析[J].軌道交通與地下工程，2019，37（4）：121-125.