装配式钢结构反力墙受力分析研究

汪鹏，张振，王松

（中铁四局集团有限公司设计研究院，安徽 合肥 230022）

1 引言

综合管廊工程是指在城市道路下建造一个市政公用隧道，将电力、通信、供水、燃气多种市政管线集中在一起，实行“统一计划、统一建设、统一管理”，以做到地下空间的综合利用和资源共享。海口作为全国首批地下综合管廊试点城市之一，计划建成地下综合管廊96.47km。在海口管廊建设中，首次采用U型盾构施工方法，可节省工费和缩短工期[1]。

图1 U型盾构机

该种盾构需要在始发井内组装成型，需要始发井内设置反力墙提供较大的顶进反力。反力墙是一种为框架涵、顶管、盾构等顶进设备提供顶进反力的结构，一般的顶力后背为钢筋混凝土墙，这种混凝土结构稳定，可靠并且可以提供很大的反力[2]。

根据海口管廊项目现场实际需要，设计的反力墙要求能够可拆卸多次使用，可以根据不同管廊截面调节反力墙的大小[3]。

始发井围护结构设计围护桩和钢板桩2种支护形式，分别对2种支护形式下反力墙受力情况进行数值计算分析。

支撑反力墙的钢围檩采用H300×300型钢，间距80cm，与围护桩之间采用上挂下撑形式进行连接[4]。

2 模型建立

为了确保计算的准确性，建立实体模型。

钢结构反力墙分为2个构件组成，分别为角件和边件，2个构件之间采用法兰盘连接，其中边件可以分为多种型号，通过调节边件长度来适应单舱管廊和双舱管廊，如图2所示。

图2 角件和边件

图3 钢结构反力墙

钢围檩的作用是将盾构机施加在反力墙上的作用力平均分配到围护桩上，使围护桩和反力墙更加协调工作。

①土体模型：土体采用弹性材料模拟，选取一种砂质粘土的土质参数，E=30MPa，v=0.45顶托在模型中使用2cm厚钢垫片，目的是为了更好地分担千斤顶的力。

②连接：所有连接均采用绑定，围檩与支护结构之间采用无摩擦接触。

图4 钢围檩

③边界条件：边界条件为将土体三面固定，在钢顶托上施加法向力。

④工况介绍：钢结构顶力后背主要受力为盾构顶进时产生的千斤顶反力，经过现场调研发现，单仓管廊最大顶进力为6000kN，双仓管廊最大顶进力为10000kN。

3 计算结果

3.1 钢板桩计算结果

当围护结构采用Ⅳ型钢板桩时，计算结果如下。

3.1.1 单舱管廊

单仓管廊反力墙在6000kN的顶推力作用下，其各部分应力及变形情况如下图。

图5 钢围檩应力云图

图6 反力墙应力云图

图7 整体位移云图

由图可见，在6000kN顶推力的情况下，钢围檩部分最大应力为232.37MPa，反力墙最大应力为143.07MPa，整个结构最大位移为11.83mm。

图8 钢围檩应力云图

图9 反力墙应力云图

图10 整体位移云图

3.1.2 双舱管廊

双舱反力墙在1000kN顶推力作用下，其各部分应力及变形情况如下图。

图11 钢围檩应力云图

图12 反力墙应力云图

图13 整体位移云图

由图可见，在10000kN顶推力的情况下，钢围檩部分最大应力为210MPa，反力墙最大应力为106.6MPa，整个结构最大位移为16.7mm。

3.2 钻孔桩计算结果

3.2.1 单舱管廊

由图可见，在6000kN的顶推力作用下，钢围檩部分最大应力为101.69MPa，反力墙最大应力为218.16MPa，整个结构最大位移为14.385mm。

3.2.2 双舱管廊

图14 钢围檩应力云图

图15 反力墙应力云图

图16 整体位移云图

由图可见，在10000kN的顶推力作用下，钢围檩部分最大应力为140.83MPa，反力墙最大应力为191.37MPa，整个结构最大位移为17.864mm。

4 结论

①经过计算，可知相同作用下，钻孔桩支护时，顶力后背应力较大，钢围檩应力较小，钢板桩支护时，顶力后背应力较小，钢围檩应力较大，而4种情况下构件应力均小于235MPa，构件可在正常荷载下正常使用。

②在相同作用下，钢板桩的位移小于钻孔桩，单仓双仓情况下，两种支护形式的位移分别为11.8mm、16.7mm、14.84mm、17.86mm。