地铁盾构机始发反力架体系设计及受力分析研究

杜建强

（甘肃铁科建设工程咨询有限公司，兰州730030）

1 引言

盾构法隧道施工安全快捷，已成为城市地下轨道交通工程建设不可或缺的施工方法。而盾构始发是盾构施工的重要工序和关键环节，始发反力架是盾构机始发阶段的重要组成部分，可以为盾构机提供足够强大的支撑反力，设计合理与否直接关系到盾构始发的成败。因此，有必要对其安全性进行分析研究，本文结合南宁地铁4号线某盾构始发过程，通过计算、数值模拟以及实施效果分析，对始发反力架体系的设计构造及稳定性进行了论证，以期对同类工程安全实施有指导作用。

2 工程概况

南宁地铁4号线某盾构区间线间距为14.00 m，曲线最小半径为450 m。线路埋深为8.55～14.26 m，最大纵坡为25.4‰。右线里程K1+809.457～K3+360.044，长度为1 550.587 m；左线里程K1+809.457～K3+360.044，其中，含短链5.468 m，线路实际长度为1 545.119 m。设2个联络通道，隧道外径为6 m，覆土厚度为8.55～14.26 m。盾构穿越地层主要为泥质粉砂岩、泥岩、含黏性土圆砾。盾构始发端地层采取降水+φ1 000 mm@750 mm的C20混凝土素桩+旋喷桩方式加固。

3 反力架体系设计

作为盾构始发的重要受力结构，反力架体系必须能承受始发阶段产生的强大推力，因此，反力架体系应满足强度、刚度、稳定性要求。其主体结构由2根立柱、2根横梁、4根八字撑组成，均为650 mm×500 mm的箱体结构，主受力板及筋板均为厚30 mm的钢板，材质均为Q235-A钢材，反力架之间采用M20高强螺栓连接，局部焊接。反力架上横梁与车站中板由2根长度为1 750 mm的斜撑连接，水平夹角为15°；下横梁与车站底板由2根长度为2 350 mm的直撑连接；左右立柱分别由2根斜撑与车站底板连接，斜撑与反力架之间焊接连接，与车站底板采用预埋螺栓安装钢板焊接连接，1#斜撑长度为7 070 mm、2#斜撑长度为3 971mm，与底板夹角分别为30°、35°，支撑均为φ500 mm壁厚8 mm的钢管。反力架体系如图1a所示。

4 反力架体系受力计算

4.1 计算模型

盾构负环管片外径为6 000 mm，厚度为300 mm，反力架立柱高度及横梁跨度均按5 760 mm计算。荷载传递路径：盾构机水平推力→负环管片→反力架→水平支撑、斜撑→车站结构。计算模型如图1b所示。

图1 反力架体系设计构造图

4.2 荷载取值

经计算，盾构机总推力F为15 130 kN（1 513 t），简化为均布荷载，平均分配到管片环面再传递到反力架边框4个区域，如图2所示，H1、H2为反力架立柱高度；L1、L2、L3、L4分别为负环管片与立柱及横梁的接触长度，每个区域的推力Fi为F/4，即Fi=F/4=3 782.5 kN。

图2 反力架简图

4.3 力学计算

4.3.1 立柱、横梁计算[1]

按受力简化模型，立柱高度及横梁长度均按5 760 mm计算，与负环直接接触范围为杆件长度的1/3，即L1=L2=L3=L4=L/3=5 760/3=1 920 mm=1.92 m。

1）简化计算的计算简图如图3所示，图中，q为均布荷载；Q为剪力；M为弯矩，则

图3 均布荷载、剪力、弯矩计算简图

2）截面复核

立柱及横梁均按Ⅰ63a双拼箱式截面复核。查工字钢参数表63a截面系数，惯性矩Ix=93 900 cm4，抗弯截面系数W=2 980 cm3，截面面积A=154.65 cm2。

经计算，Mmax=605.18 kN·m；Vmax=1 891.2 kN

式中，Mmax为立柱、横梁最大弯矩；Vmax为立柱、横梁最大剪力；σmax为最大应力；Tmax为最大剪应力。

查GB 50017—2017《钢结构设计规范》（以下简称《设计规范》）[2]：容许应力[σ]=235 MPa；容许剪应力[τ]=120 MPa。得到σmax＜[σ]，τmax＜[τ]，强度均满足要求。

4.3.2 支撑计算

1）钢管强度、变形量计算

查《设计规范》：强度设计值fy=200 MPa，弹性模量E=2.1×105MPa。

盾构总推力：F=1 513.025t=1.51×107N。

单根φ500 mm钢管截面积：A1=π(5002-4842)/4=12 359.04 mm2；

需钢管数量：n=755 00/12 359.04=6.11，实际采用8根，满足强度要求；

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

由计算知，各支撑计算强度均小于强度设计值，强度满足要求；根据《设计规范》，取变形允许值f=L/400，分别为：4.384 mm＞ΔL1；6.33 mm＞ΔL2；17.68 mm＞ΔL3；9.93 mm＞ΔL4，各支撑变形量均小于允许值，变形量满足要求。

2）稳定性检算

支撑截面为圆环,内径d=484 mm外径D=500 mm，上横梁斜撑长度l1=1 750 mm,1#斜撑长度l2=7 070 mm,2#斜撑长度l3=3 971 mm。钢材选用Q235，长细比λs=61.6，λp=100。根据GB 50017—2017《钢结构设计规范》[2]附录D表D.0.1，轴心受压构件的稳定系数φ取0.8。钢管撑临界应力σ计算如下：

5 始发反力架模拟计算

5.1 计算模型

采用结构有限元Midas civil软件进行三维模拟计算，根据反力架体系几何形状和各部件之间的关系，建立有限元模型如图4所示，所有连接点均为固结，所有杆件均按梁单元考虑[3]。

图4 反力架体系模型

5.2 计算结果

经模拟分析，反力架体系最大组合应力值及位移值如图5～图7所示。由图5可知，在推力作用下整体变形主要是立柱和长斜撑，最大变形量fmax=4.29 mm，最大受力发生在立柱中部位置。由图6～7可知，最大位移w立柱=3.46 mm、w1#斜撑=4.61 mm；最大应力σ立柱=176 MPa、σ1#斜撑=149 MPa，根据规范[2]取变形允许值f=L/400，[σ]=235 MPa，均小于允许值。通过模拟计算对理论计算进行了校核，均小于理论计算值，说明始发托架、反力架体系结构强度、刚度及稳定满足要求，可以承受15 130 kN（1 513 t）的推力。

图5 反力架及支撑变形图

图6 立柱位移及应力图

图7 1#斜撑位移及应力图

6 实施效果

实施阶段对反力架体系重点受力部位进行了变形监测，最大累计变形量立柱为3.2 mm、1#斜撑为3.46 mm，其他部位基本无变形，各连接点螺栓紧固、焊缝完好，各构件受力符合理论计算及有限元模拟结果，变形量均小于理论计算和数值模拟结果，反力架体系实施效果良好，盾构始发安全顺利[4]。

7 结论

由计算、模拟及实施效果可知，设计的始发反力架体系完全满足使用要求，且在该工程中较好地完成了始发支撑任务，实际上反力架体系多处连接均为焊接，增强整体刚度的同时也造成了其吊装、运输及重复利用不够灵活，建议采用螺栓连接；从计算及模拟结果看，反力架立柱作为关键受力构件，其中部变形最大，建议在加工时可适当对该部位进行加强；根据计算斜撑的变形与其长度在一定范围呈线性关系，建议缩短长斜撑或增强其刚度以减小变形。