大直徑盾構始發反力架異形支撐受力安全性能分析與實踐

吳宗林、李學謙、秦強

（中國水利水電第七工程局成都水電建設工程有限公司，四川 成都 611130）

0 引言

盾構機始發是盾構施工中的關鍵步驟。在盾構機始發過程中，盾構機位于始發架托架上，通過反力架及其后支撐，為盾構機提供向前推動的支撐，刀盤通過切割圍護結構后進入地層開展施工。始發反力架及其后支撐若不能提供足夠強大的支撐反力，容易造成盾構始發后姿態發生偏差，造成“頭重尾輕”而發生“磕頭”現象。反力架的設計合理與否將直接導致盾構始發的成功與否，因此有必要對反力架的結構穩定性進行計算，以保證施工安全、可靠地進行。

目前，國內外眾多學者在盾構始發方面進行了研究。陽岢杙等依托天津地鐵2 號線工程，深入研究了如何在盾構施工中的始發階段提高施工速度和安全系數，通過一些細節的把控和調整，讓地鐵盾構始發技術更具有先進性、科學性、安全性、實用性。王義強等結合沈陽地鐵4 號線工程盾構始發施工，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，得到了始發階段反力架各部件的受力狀況及位移情況，確定了始發階段重點關注部位。張子辛等應用有限元軟件SAP2000 對西安某地鐵工程特殊反力架的受力變形情況進行分析研究，確保了反力架的穩定性，保證了盾構機成功始發。王凱等為提升隧道專用反力架輕量化水平和降低制造及運輸成本，采用PSO 算法對結構進行優化。結果表明優化后減重比例為10.1%，驗證了結構優化的有效性。張曜輝等依托鄭州某工程，對大坡度段地鐵隧道盾構始發工序中反力架的受力情況進行數值模擬，針對大坡度段地鐵盾構始發反力架構造設置提出建議。本文采用ABAQUS 有限元軟件對反力架異形支撐進行建模計算，分別計算和分析了不同工況下異形支撐反力架的整體受力，對其穩定性進行了驗算并通過現場實際施工總結了大直徑盾構反力架支撐異形設計、受力計算及反力架現場施工過程中的安全、質量管控的成功經驗，可為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

成都地鐵19 號線龍橋路站—雙流機場T2 航站樓站區間中間風井始發基地，風井結構總長131.6～135.1m，標準段總寬25.9m，擴大段寬32.27m，頂板覆土厚度約為6.9m，底板埋深約28.8～32.74m。根據工程籌劃，始發基地兩端左、右線均接盾構區間，并提供盾構始發條件，同時中間段設置軌排井及出土孔。區間采用4 臺8600mm 海瑞克土壓平衡盾構機進行施工，盾構機全長120m，總重1050t。

2 反力架數值建模及分析

2.1 反力架結構

該工程區間盾構始發反力架由兩側立柱、上橫梁、下橫梁及斜撐共同組成，立柱尺寸為1000mm×710mm。其中Φ720 鋼管支撐為斜支撐，HW400×400型鋼支撐為水平支撐，端頭反力架斜撐的一側采用三道Φ720，t=12mm 的螺旋鋼管進行支撐，另外一側由于受到主體結構側墻影響，采用三道Φ720，t=12mm的螺旋鋼管支撐在既有風井側墻上。反力架上下均采用5 根HW400×400 的型鋼進行支撐。主體結構施工過程中，在反力架支撐位置預埋鋼板，便于后期鋼管與鋼板焊接，形成整體受力體系。

2.2 反力架及其后支撐受力擬定

根據類似地層總結，盾構始發階段推力最大值為20000kN。始發階段盾構推力分為三種，將總推力20000kN 作為基準荷載，第一種工況施加總推力20000kN，第二種為基準總推力的2 倍，第三種為基準總推力的3 倍。反力架驗算為基準荷載計算，即第一種工況；第二種、第三種工況用于確定反力架所能承擔的最大總推力。

2.3 反力架及其支撐數值建模

利用ABAQUS 有限元對反力架支撐進行三維建模，根據反力架的幾何形狀和各部件之間的關系，建立反力架有限元模型，根據約束及載荷分布，建立的有限元模型圖及網格劃分圖如圖1 所示。

圖1 有限元模型圖

2.4 模型計算及分析

通過建模，對反力架荷載三維模型進行計算分析。首先在基準荷載作用下得到反力架的Mises 應力分布云圖及變形圖。

從圖2 和圖3 可看出，基準荷載作用下，通過基準環向反力架傳遞的荷載受力較均勻，應力較小，反力架立柱及橫梁應力較小，均遠小于100MPa 及Q345 屈服應力。

圖2 基準荷載作用下反力架整體響應

圖3 基準荷載下左下斜撐響應

3 反力架后支撐穩定性驗算

反力架斜向支撐截面積：

A

=

π

×（720- 696）/4 =26691mm，

慣性矩：回轉半徑：

3.1 強度驗算

通過建模計算，反力架支撐應力小于100MPa，抗壓強度滿足要求。

3.2 剛度和穩定性驗算

短斜撐的長度

l

=4890mm，長斜撐的長度

l

=12118mm，

查受壓構件穩定性系數表得知，

?

= 0.982，

?

=0.920，基準荷載作用下，短斜撐軸力為824.3kN，長斜撐的軸力為748.3kN，由此可知，

構件剛度和穩定性滿足要求。

4 反力架實施及效果分析

成都地鐵19 號線龍橋路站—雙流機場T2 航站樓站區間始發基座及反力架自2020年7月21日進行現場安裝，于8月28日安裝完成并進行了盾構始發，端頭反力架斜撐一側采用三道Φ720，t=12mm 的螺旋鋼管進行支撐，另外一側由于受到主體結構側墻影響，采用三道Φ720，t=12mm 的螺旋鋼管支撐在既有風井側墻上。反力架上下均采用5 根HW400×400 的型鋼進行支撐。在風井主體結構施工過程中，在反力架支撐位置預埋鋼板，便于鋼管與鋼板焊接，形成整體受力體系。

4.1 始發托架及反力架安裝現場控制

在盾構反力架安裝前，須按照設計位置、高程進行現場放點。根據施工實踐經驗，建議盾體刀盤位置抬升4cm，盾尾位置抬升2cm，使盾體保持一個“抬頭”趨勢進入地層中，防止發生“磕頭”現象。在安裝反力架和始發基座時，反力架左右偏差在±10mm 之內，高程偏差控制在±5mm 之內。

4.2 始發階段掘進控制

在盾構始發期間，各組千斤頂應均衡推進，各個方向的千斤頂應對稱受力，防止反力架受力不均勻發生偏離設計線路的現象。另外，始發前應在基座軌道上涂抹油脂，減少盾構推進阻力。施工過程中操作手應實時關注掘進數據，使總推力嚴格控制在基準荷載范圍內，減少反力架變形的風險。同時在始發階段，需要安排專人對反力架的變形進行觀察，發現異常須立即停機，對反力架及其后支撐加固后方可繼續掘進。

4.3 反力架監測控制

在始發階段須加強對反力架的監測，特別是反力架的位移監測，通過在反力架頂部、底部各布設3 個監測點、腰部兩側布設2 個監測點，共計8 個監測點對反力架的變形進行觀測，通過觀測反力架的平面變化最大為6.3mm（向后移動）；高層變化最大為-2.7mm（向底部偏移）。變形量均滿足立柱擾度計算要求。

5 結論

本文通過對大直徑盾構反力架支撐的數值模擬與理論分析，并通過現場施工實際驗證，成體系地研究了反力架在始發階段不同工況下的受力效果以及現場實際施工過程中的安全管控措施，得到以下結論：

第一，反力架所用的單邊斜撐和單邊型鋼支撐體系在基準荷載作用下強度、剛度和穩定性驗算滿足施工要求，反力架支撐系統安全、可靠。

第二，盾構始發支撐體系預埋件須在主體結構底板施工期間提前進行預埋，后期通過焊接使反力架及其后支撐與焊接形成整體，確保結構整體受力。

第三，始發階段，盾構各組千斤頂應均衡推進，各個方向的千斤頂應對稱受力，防止反力架受力不均勻發生偏離設計線路事故。