地鐵盾構機始發反力架體系設計及受力分析研究

杜建強

（甘肅鐵科建設工程咨詢有限公司，蘭州730030）

1 引言

盾構法隧道施工安全快捷，已成為城市地下軌道交通工程建設不可或缺的施工方法。而盾構始發是盾構施工的重要工序和關鍵環節，始發反力架是盾構機始發階段的重要組成部分，可以為盾構機提供足夠強大的支撐反力，設計合理與否直接關系到盾構始發的成敗。因此，有必要對其安全性進行分析研究，本文結合南寧地鐵4號線某盾構始發過程，通過計算、數值模擬以及實施效果分析，對始發反力架體系的設計構造及穩定性進行了論證，以期對同類工程安全實施有指導作用。

2 工程概況

南寧地鐵4號線某盾構區間線間距為14.00 m，曲線最小半徑為450 m。線路埋深為8.55～14.26 m，最大縱坡為25.4‰。右線里程K1+809.457～K3+360.044，長度為1 550.587 m；左線里程K1+809.457～K3+360.044，其中，含短鏈5.468 m，線路實際長度為1 545.119 m。設2個聯絡通道，隧道外徑為6 m，覆土厚度為8.55～14.26 m。盾構穿越地層主要為泥質粉砂巖、泥巖、含黏性土圓礫。盾構始發端地層采取降水+φ1 000 mm@750 mm的C20混凝土素樁+旋噴樁方式加固。

3 反力架體系設計

作為盾構始發的重要受力結構，反力架體系必須能承受始發階段產生的強大推力，因此，反力架體系應滿足強度、剛度、穩定性要求。其主體結構由2根立柱、2根橫梁、4根八字撐組成，均為650 mm×500 mm的箱體結構，主受力板及筋板均為厚30 mm的鋼板，材質均為Q235-A鋼材，反力架之間采用M20高強螺栓連接，局部焊接。反力架上橫梁與車站中板由2根長度為1 750 mm的斜撐連接，水平夾角為15°；下橫梁與車站底板由2根長度為2 350 mm的直撐連接；左右立柱分別由2根斜撐與車站底板連接，斜撐與反力架之間焊接連接，與車站底板采用預埋螺栓安裝鋼板焊接連接，1#斜撐長度為7 070 mm、2#斜撐長度為3 971mm，與底板夾角分別為30°、35°，支撐均為φ500 mm壁厚8 mm的鋼管。反力架體系如圖1a所示。

4 反力架體系受力計算

4.1 計算模型

盾構負環管片外徑為6 000 mm，厚度為300 mm，反力架立柱高度及橫梁跨度均按5 760 mm計算。荷載傳遞路徑：盾構機水平推力→負環管片→反力架→水平支撐、斜撐→車站結構。計算模型如圖1b所示。

圖1 反力架體系設計構造圖

4.2 荷載取值

經計算，盾構機總推力F為15 130 kN（1 513 t），簡化為均布荷載，平均分配到管片環面再傳遞到反力架邊框4個區域，如圖2所示，H1、H2為反力架立柱高度；L1、L2、L3、L4分別為負環管片與立柱及橫梁的接觸長度，每個區域的推力Fi為F/4，即Fi=F/4=3 782.5 kN。

圖2 反力架簡圖

4.3 力學計算

4.3.1 立柱、橫梁計算[1]

按受力簡化模型，立柱高度及橫梁長度均按5 760 mm計算，與負環直接接觸范圍為桿件長度的1/3，即L1=L2=L3=L4=L/3=5 760/3=1 920 mm=1.92 m。

1）簡化計算的計算簡圖如圖3所示，圖中，q為均布荷載；Q為剪力；M為彎矩，則

圖3 均布荷載、剪力、彎矩計算簡圖

2）截面復核

立柱及橫梁均按Ⅰ63a雙拼箱式截面復核。查工字鋼參數表63a截面系數，慣性矩Ix=93 900 cm4，抗彎截面系數W=2 980 cm3，截面面積A=154.65 cm2。

經計算，Mmax=605.18 kN·m；Vmax=1 891.2 kN

式中，Mmax為立柱、橫梁最大彎矩；Vmax為立柱、橫梁最大剪力；σmax為最大應力；Tmax為最大剪應力。

查GB 50017—2017《鋼結構設計規范》（以下簡稱《設計規范》）[2]：容許應力[σ]=235 MPa；容許剪應力[τ]=120 MPa。得到σmax＜[σ]，τmax＜[τ]，強度均滿足要求。

4.3.2 支撐計算

1）鋼管強度、變形量計算

查《設計規范》：強度設計值fy=200 MPa，彈性模量E=2.1×105MPa。

盾構總推力：F=1 513.025t=1.51×107N。

單根φ500 mm鋼管截面積：A1=π(5002-4842)/4=12 359.04 mm2；

需鋼管數量：n=755 00/12 359.04=6.11，實際采用8根，滿足強度要求；

平均每根鋼管的推力F1=F2=F3=F4=F/8=1.51×107/8=1 887 500 N；

由計算知，各支撐計算強度均小于強度設計值，強度滿足要求；根據《設計規范》，取變形允許值f=L/400，分別為：4.384 mm＞ΔL1；6.33 mm＞ΔL2；17.68 mm＞ΔL3；9.93 mm＞ΔL4，各支撐變形量均小于允許值，變形量滿足要求。

2）穩定性檢算

支撐截面為圓環,內徑d=484 mm外徑D=500 mm，上橫梁斜撐長度l1=1 750 mm,1#斜撐長度l2=7 070 mm,2#斜撐長度l3=3 971 mm。鋼材選用Q235，長細比λs=61.6，λp=100。根據GB 50017—2017《鋼結構設計規范》[2]附錄D表D.0.1，軸心受壓構件的穩定系數φ取0.8。鋼管撐臨界應力σ計算如下：

5 始發反力架模擬計算

5.1 計算模型

采用結構有限元Midas civil軟件進行三維模擬計算，根據反力架體系幾何形狀和各部件之間的關系，建立有限元模型如圖4所示，所有連接點均為固結，所有桿件均按梁單元考慮[3]。

圖4 反力架體系模型

5.2 計算結果

經模擬分析，反力架體系最大組合應力值及位移值如圖5～圖7所示。由圖5可知，在推力作用下整體變形主要是立柱和長斜撐，最大變形量fmax=4.29 mm，最大受力發生在立柱中部位置。由圖6～7可知，最大位移w立柱=3.46 mm、w1#斜撐=4.61 mm；最大應力σ立柱=176 MPa、σ1#斜撐=149 MPa，根據規范[2]取變形允許值f=L/400，[σ]=235 MPa，均小于允許值。通過模擬計算對理論計算進行了校核，均小于理論計算值，說明始發托架、反力架體系結構強度、剛度及穩定滿足要求，可以承受15 130 kN（1 513 t）的推力。

圖5 反力架及支撐變形圖

圖6 立柱位移及應力圖

圖7 1#斜撐位移及應力圖

6 實施效果

實施階段對反力架體系重點受力部位進行了變形監測，最大累計變形量立柱為3.2 mm、1#斜撐為3.46 mm，其他部位基本無變形，各連接點螺栓緊固、焊縫完好，各構件受力符合理論計算及有限元模擬結果，變形量均小于理論計算和數值模擬結果，反力架體系實施效果良好，盾構始發安全順利[4]。

7 結論

由計算、模擬及實施效果可知，設計的始發反力架體系完全滿足使用要求，且在該工程中較好地完成了始發支撐任務，實際上反力架體系多處連接均為焊接，增強整體剛度的同時也造成了其吊裝、運輸及重復利用不夠靈活，建議采用螺栓連接；從計算及模擬結果看，反力架立柱作為關鍵受力構件，其中部變形最大，建議在加工時可適當對該部位進行加強；根據計算斜撐的變形與其長度在一定范圍呈線性關系，建議縮短長斜撐或增強其剛度以減小變形。