盾构洞内始发反力架在湘江隧道的设计及应用

孟祥辉

摘要： 本文以长株潭城际铁路湘江隧道盾构始发施工为背景，介绍了洞内始发反力架及支撑的设计情况，对反力架及支撑和衬砌、仰拱的受力变形进行数值模拟，得出反力架各构件受力强度满足要求，支撑对衬砌与仰拱的受力与变形影响均很小，可以满足强度要求。对始发施工中反力架及支撑的施工要点进行讨论，为类似工程提供经验参考。

Abstract： By taking the shield launching of Chang-Zhu-Tan Intercity Railway Xiangjiang Tunnel， the structural design of the shield launching reaction frame is described herein， numerical simulation is carried out on the force deformation of the reaction frame and the supporting and lining and the inverted arch， it is concluded that the force of each member of the reaction frame meets the requirement of strength， the impact of support on the lining and the inverted arch is very small and can meet the requirement of strength. It is discussed that the key points of construction of reaction frame and supporting that provides empirical reference for similar projects.

关键词：盾构洞内始发；反力架；支撑；轴力；弯矩

Key words： shield launching in the tunnel；reaction frame；supporting；axial force；bending moment

中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）25-0105-03

0 引言

盾构法已经成为我国软土地区城市地下轨道交通建设与地下空间开发的主要施工方法[1-2]。盾构始发工序是盾构法建造隧道的关键工序，该工序施工技术的优劣将直接影响到建成后隧道或管道的轴线质量、始发段洞口处环境保护的成效以及工程施工的成败[3-4]。由于城市空间限制、周边构建筑物影响等，近年来盾构洞内始发应用越来越多。盾构常规洞内始发一般采用反力墙体系，该工法工期长，反力墙段衬砌质量难以保证。为此在长株潭城际铁路湘江隧道右线盾构施工中采用了洞内始发反力架，本文对其洞内反力架进行受力分析和研究，对反力架施工要点进行分析，为类似工程提供参考。

1 工程概况

长株潭城际铁路综合Ⅰ标盾构段滨开区间位于长沙市岳麓区和开福区。掘进设备采用土压平衡盾构机，主机长度11.2m，刀盘直径9.34m，最大扭矩15047KN.m，最大推力7000t。由于盾构始发井紧邻居民小区，无法提供盾构洞外始发场地，因此设计了160m的暗挖段，盾构在暗挖段隧道进行洞内始发。

盾构反力架采用H型钢对焊拼接而成，上部采用H200型钢对焊，中部采用H350型钢对焊。反力架后面采用钢管支撑，上半部支撑采用？准150mm钢管，支撑斜撑在矿山隧道的初支上，钢管与初支钢架焊接；中部支撑采用？准300mm钢管，支撑与预埋钢板焊接，斜撑在混凝土面上；下部将盾构机通过钢圈抵在仰拱混凝土之上。具体如图1所示。

2 数值模拟

2.1 数值模型建立

采用FLAC3D大型数值软件进行数值分析计算，结构单元的几何及物理特性见表1所示。

反力架所受荷载按照在全环上均匀分布简化，施加在结构单元的节点上[5]，如图2所示。同時对反力架支撑进行编号，如图3所示。

2.2 数值模拟结果与分析

2.2.1 反力架与支撑受力与变形

①反力架与支撑轴力。

将计算所得各支撑轴力列于表2中。

从表2可以看出，当总推力为2500t时，各支撑均处于安全状态。

②反力架与支撑弯矩与变形。

反力架及支撑弯矩云图如图4所示。反力架及支撑变形矢量如图5所示。

从图4可以看出，采用复合反力架支撑时，支撑基本没有弯矩，变形均在可控范围内。

2.2.2 衬砌及仰拱受力与变形

①衬砌及仰拱受力。

衬砌及仰拱沿隧道纵向应力云图如图6所示。

从图6可以看出，在隧道的边墙处一定范围内出现较大的压应力，而局部出现拉应力，但拉应力及压应力均较小，说明衬砌及仰拱满足强度要求。

从图7可以看出，支撑对衬砌及仰拱产生变形很小，仅有0.05mm量级的影响，故此可以忽略不计。

3 反力架及支撑施工要点

3.1 反力架施工要点

反力架的主体由11块型钢构成，为使11块型钢能够成为一个整体，共同受力，必须保证连接质量。因此该构件将首先用M27螺栓连接，然后通过焊接连形成整体。

构件1位于反力架上半部，其由9块H200型钢）组成，以便安装。架后支撑为Φ150钢管（构件7），受力基础为钻爆段初支钢拱。

构件2位于反力架下半部，由两块H300型钢组成，分别位于反力架左右两端。架后支撑为Φ325钢管（构件5、6）及与之相连的20mm厚钢板，受力基础为仰拱C35钢筋混凝土。

3.2 支撑施工要点

架后支撑的具体施作方式如下：

3.2.1 钢架连接施工

以反力架为起点，首先将其后五榀钢拱通过9根5米通长的10号槽钢焊接（焊接点位于钢拱内弧面上），使五榀钢拱成为一个整体受力的结构。其次，为保证盾构始发时的反力不会导致钢拱倾覆，应在每根通长的10号槽钢周边分别打入4根Φ22砂浆锚杆（锚入深度1.5m），并通过焊接连为一体。

3.2.2 仰拱预埋钢板

下部反力墙仰拱施作时，应按设计图预埋钢板（构件8、9），这些钢板厚20mm，通过Φ28预埋钢筋固定在反力墙仰拱。

4 结论

①按照1.5倍安全系数考虑，反力架各构件受力满足强度要求；支撑对衬砌与仰拱的受力与变形影响均很小，可以满足强度要求。

②采用该方案盾构始发反力体系布置仅需7天，与常规反力墙始发相比，工期可节约2-3个月。

③对反力架及支撑施工的要点进行讨论为类似工程提供经验参考。

参考文献：

[1]邓彬，顾小芳.上软下硬地层盾构施工技术研究[J].现代隧道技术，2012，49（02）：59-64.

[2]何川，封坤，方勇.盾构法修建地铁隧道的技术现状与展望[J].西南交通大学学报，2015，50（01）：97-109.

[3]刘伯岩.盾构半环始发施工技术[J].西部探矿工程，2007（11）：144-147.

[4]江玉生，杨志勇，江华.论土压平衡盾构始发和到达端头加固的合理范围[J].隧道建设，2009，29（03）：263-266.

[5]赵宝虎，王燕群，岳澄.盾构始发过程反力架应力监测与安全评价[J].工程力学，2009，26（09）：105-111.