地铁盾构施工中反力架系统的运用研究

孙晶

（中铁十一局集团城市轨道工程有限公司　湖北　武汉　430074）

地铁盾构施工中反力架系统的运用研究

孙晶

（中铁十一局集团城市轨道工程有限公司湖北武汉430074）

经济持续高速发展，城市化进程也日趋加快，地铁建设迅猛发展。但是由于我国地形条件复杂多变、施工技术难度大、建设周期长、不可预见的风险因素多，地铁建设安全事故时有发生。本文通过丰富的实测数据，对盾构施工始发阶段反力架的载荷分布以及变化进行了分析，对地铁盾构施工过程中的反力架进行了数值分析、现场监测和受力分析，对反力架的拆除条件给出了建议。

地铁盾构；反力架；施工

引言

由于经济的飞速发展，公交已经不能够满足人们的出行需求，于是就产生了地铁。在地铁施工之前，采用哪种施工方式是一个重要的问题，如何在隧道开挖之时增加断面强度就成为必须要考虑的前往难题，因此盾构机就出现了，它在初始掘进时反力作用很大，所以反力架的独特设计就尤为重要。地铁盾构施工中，反力架应用广泛，盾构机的始发、过站都需要使用反力架再次始发。目前，盾构法施工已成为城市地下轨道交通和水利工程中不可或缺的施工方法，在城市基础设施建设中起着重要的作用，而盾构始发作为盾构法施工中的关键环节，其顺利进行关系着后期盾构施工的质量。盾构始发时设计一个新的反力架支撑形式，就能够取得良好的效果。

1　地铁盾构施工的特点

由于城市中建筑林立、道路交错、地下管线纵横密布等特殊复杂环境，所以城市地铁盾构施工过程中，对地铁盾构施工提出了极高的要求。盾构法施工是一种在施工过程中通过盾构钢壳刚性支护，前方刀盘开挖掘进，并在盾构机尾部进行管片拼装及注浆作业，最后使用千斤顶反向作用推进的施工方法。它的特点就在于以下几个方面：

（1）城市的地形异常复杂，而地铁路线要保证整个城市都普及到，所以覆盖范围必须要广，这样整个城市的施工就成为一个巨大的项目，因此地铁的施工花费的时间就更加的长，施工技术就更加的难。

（2）城市地铁工程属于地下隐蔽工程，同时由于城市建设过程中对地下土层结构的扰动，使得盾构施工环境复杂多变，施工技术难度很大。

（3）城市是人们生存的主要环境，更加是居民生活和进行一定的生产活动的主要场所，虽然这种盾构施工技术相对与传统的施工技术来说，对生存的环境影响比较小，但是也不是说完全没有任何影响，因为它对周边环境的影响是整个建设过程的监测的重点和难点，必须加以重视。

（4）为了保证人们的出行方便以及人们的正常的生活作息，地铁站一般选择靠近市民集中的活动区，这样更加能够节约人们的时间，和促进经济的繁荣发展。然而，施工时地铁站在生活区和集中区的附近，又通常会作为施工的场所，例如盾构进出的竖井的所在，因此从这个方面来说，施工对周边环境影响很大，同时也给市民生活造成了很大的不便。

它与传统的施工技术相比，对环境影响小（包括出土量少，对周围地层的沉降小，对周围构造物的影响小；不影响地表交通；对周围居民生活影响小）的优势就显然易见。另外，这种施工技术不受地形、地貌、江河水域等地表环境或天气条件限制，不会耽误施工完成的时间，节约了预算成本，当然，其施工自身的成本就相对较低，进步快，可谓是一举两得。

2　地铁盾构施工法的现状

盾构施工的先进技术主要掌握在英、法、日、美、德，这些发达国家手中。早在1818年，Brurel观察了蛆虫腐蛀船底成洞的经过得到启发，提出了盾构工法并且取得专利，即所谓的敞口式手掘盾构的原型问世，这是关于盾构施工法最早的记录。19世纪末到20世纪中叶盾构工法相继传入美国、法国、德国、日本、前苏联及我国，并得以不同程度的发展。盾构是一种既能支承地层的压力、又能在地层中掘进的隧道掘进机械，以盾构为核心的一整套完整的建造隧道的施工方法称为盾构工法。

随着我国城市地铁开始高速发展，我国在盾构施工技术方面取得的进步显而易见，但是由于起步晚，发展慢，因此总的来讲，但我国的盾构技术的发展还存在着不少不足之处，与发达国家存在较大的差距，特别是在盾构机的设计制造方面。

目前，中国已成为世界上地铁施工领域中使用盾构最多的国家之一，然而在整个盾构施工过程中，始发阶段是施工的关键阶段，关系着整个盾构施工的成败。而目前，我国的反力架的设计，反力架的拆除条件还主要靠经验计算进行，反力架的拆除条件也主要根据经验进行。因此，对盾构施工始发阶段反力架的载荷分布以及变化进行了分析，在盾构施工中对反力架的功能与作用进行了公平与公正的评价，对今后的施工过程中合理和适时拆除反力架的举措提出了一定的实验依据和指导，因此这就必要对反力架在盾构始发期间的应力情况进行实时的跟踪监测。

3　反力架结构

盾构始发反力架的作用是在盾构开始的时候为掘进功能提供反作用力的目的，是由门式框架和若干支撑杆组成的左右对称结构，这种设计的合理性直接影响着盾构开始施工能否成功以及安全的实行。反力架安设的轴线和盾构始发架的轴线位置一致，盾构反力架主要采用型钢及厚钢板两者组合而行成的，反力架的结构则主要分为主梁部分、支撑部分、预埋件部分以及钢环部分四大方面，四大部分之间的链接主要是通过焊接的方式进行的（如图1所示）。

图1　反力架示意图

（1）主梁部分

由于在地铁施工中，一套反力架要满足多个断面多次支撑用，但是由于几个断面的结构和设计都有所不同，因而要反力架的主梁结构要同时满足不同的断面，反力架主梁就必须分为竖梁、横梁及八字梁部分，反力架竖梁采用两榀型钢并行加工焊接而成，横梁与八字梁采用20mm厚的钢板焊接成700mm×400mm的矩形结构形式，中间50cm设置一道肋板，其结构设计如图2所示。

图2　主梁结构设计

（2）支撑部分

反力架支撑采用φ600mm×12mm的钢管。一头焊接于主梁上，一头焊接于预埋钢板上。根据断面结构可采用斜支撑方式，斜撑数量2道，钢管斜撑的斜撑角度为30°。若主梁背后的部分是为墙体，就能够把钢管这个材料直接支撑在墙体上，或一侧结构采用斜支撑方式，一侧结构采用直接支撑墙体上方式，当然这是需要由具体结构而来判定的，但无论采用哪种组合方式，都能够得到广泛的运用。

（3）预埋件部分

预埋件说直接一点，其实是用来固定反力架支承钢管的用途，它根据先前计算出的支承钢管根部受力度的大小，从而来进行预埋筋和预埋钢板的设置。

（4）钢环部分

钢环采用上下盖板，其次焊接成箱型结构，内部加钢板作筋，考虑安装方便和满足运输要求，因为钢环为箱型结构，因而在每个预留孔位置进行加强，留出孔洞，作为上管片螺栓用具体结构。钢环为整个反力架反力支承的工作面，要求钢环工作面平面度不得大于5mm，加工时要严格控制。

4　反力架的设计原则

（1）总的设计原则便是让反力架整体变形达到最小，满足盾构机始发掘进反力支承的需要，结构合理，强度和刚度均满足使用要求，保证盾构始发的安全；

（2）设计外形尺寸不得与盾构机各部件"隧道洞口空间"电瓶车通行相互干扰，加工方便，用料节省，且单件便于运输；

（3）充分结合本工程盾构始发井的结构特点，利用地连墙和底板作为反力架支撑受力点，通过合理的节点连接方式将反力架支撑力充分作用于地连墙及底板。

5　反力架的有限元分析

根据反力架的几何形状和各部件之间的关系，建立反力架有限元模型，并对盾构机反力架采用空间板壳元进行分析，对于螺栓的链接位置都要采用接触单元模拟。但是由于反力架的结构和载荷分布均对称于其纵剖面的特殊性，所以在策划时，需要利用其对称性，仅取反力架的一半进行数值分析。建立的反力架模型、荷载与约束情况如图3所示。反力架单元控制尺寸为60mm，钢筋混凝土衬砌环单元控制尺寸为140mm。

图3　反力架有限元模型图

在进行静强度分析的时候，施工的荷载要考虑钢结构件重力和反向推力两个方面，做到全面有效。当然，在静强度的初始计算中，由于斜撑支点处、钢环盖板及反力架主梁处应力大于许用应力，因而进行了局部加强，使方案更加的完善，计算结果更加准确无误。

当然，盾构机在顶推过程中反力架以根底部支点支撑为转点，要保证反力架小倾斜，必须保证反力架背后支撑能抵抗千斤顶对转点产生的弯矩，要求支撑强度足够，才能够保证一定的稳定性。

6　结语

通过以上的种种分析可知，通过在地铁施工工程过程中盾构施工法的实际应用，就足以证明以上反力架支撑的结构设计模式在盾构施工中有一定的可行性，这种盾构机反力架结构设计符合设计要求以及工程实践使用要求，反力架结构的设计具有较强的实用性，不仅能够保证施工工程的质量和速度，而且成本相对较低，是一种不错的施工方式，对今后同类地铁盾构的施工具有较大的理论作用和指导作用，值得借鉴。

[1]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[2]张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3]武艳霞.盾构机反力架结构的设计及应用[J].筑路机械&施工技术，2009（2）.

[4]刘伯岩.盾构半环始发施工技术[J].西部探矿工程，2007（11）.

U455.43

A

1673-0038（2015）21-0214-03

2015-5-6

孙晶（1981-），男，中级工程师，本科，主要从事地铁土建工程的市场开发工作。