盾構(gòu)洞內(nèi)始發(fā)反力架在湘江隧道的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

孟祥輝

摘要： 本文以長(zhǎng)株潭城際鐵路湘江隧道盾構(gòu)始發(fā)施工為背景，介紹了洞內(nèi)始發(fā)反力架及支撐的設(shè)計(jì)情況，對(duì)反力架及支撐和襯砌、仰拱的受力變形進(jìn)行數(shù)值模擬，得出反力架各構(gòu)件受力強(qiáng)度滿足要求，支撐對(duì)襯砌與仰拱的受力與變形影響均很小，可以滿足強(qiáng)度要求。對(duì)始發(fā)施工中反力架及支撐的施工要點(diǎn)進(jìn)行討論，為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)參考。

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.

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)洞內(nèi)始發(fā)；反力架；支撐；軸力；彎矩

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

中圖分類號(hào)：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）25-0105-03

0 引言

盾構(gòu)法已經(jīng)成為我國(guó)軟土地區(qū)城市地下軌道交通建設(shè)與地下空間開發(fā)的主要施工方法[1-2]。盾構(gòu)始發(fā)工序是盾構(gòu)法建造隧道的關(guān)鍵工序，該工序施工技術(shù)的優(yōu)劣將直接影響到建成后隧道或管道的軸線質(zhì)量、始發(fā)段洞口處環(huán)境保護(hù)的成效以及工程施工的成敗[3-4]。由于城市空間限制、周邊構(gòu)建筑物影響等，近年來盾構(gòu)洞內(nèi)始發(fā)應(yīng)用越來越多。盾構(gòu)常規(guī)洞內(nèi)始發(fā)一般采用反力墻體系，該工法工期長(zhǎng)，反力墻段襯砌質(zhì)量難以保證。為此在長(zhǎng)株潭城際鐵路湘江隧道右線盾構(gòu)施工中采用了洞內(nèi)始發(fā)反力架，本文對(duì)其洞內(nèi)反力架進(jìn)行受力分析和研究，對(duì)反力架施工要點(diǎn)進(jìn)行分析，為類似工程提供參考。

1 工程概況

長(zhǎng)株潭城際鐵路綜合Ⅰ標(biāo)盾構(gòu)段濱開區(qū)間位于長(zhǎng)沙市岳麓區(qū)和開福區(qū)。掘進(jìn)設(shè)備采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，主機(jī)長(zhǎng)度11.2m，刀盤直徑9.34m，最大扭矩15047KN.m，最大推力7000t。由于盾構(gòu)始發(fā)井緊鄰居民小區(qū)，無法提供盾構(gòu)洞外始發(fā)場(chǎng)地，因此設(shè)計(jì)了160m的暗挖段，盾構(gòu)在暗挖段隧道進(jìn)行洞內(nèi)始發(fā)。

盾構(gòu)反力架采用H型鋼對(duì)焊拼接而成，上部采用H200型鋼對(duì)焊，中部采用H350型鋼對(duì)焊。反力架后面采用鋼管支撐，上半部支撐采用？準(zhǔn)150mm鋼管，支撐斜撐在礦山隧道的初支上，鋼管與初支鋼架焊接；中部支撐采用？準(zhǔn)300mm鋼管，支撐與預(yù)埋鋼板焊接，斜撐在混凝土面上；下部將盾構(gòu)機(jī)通過鋼圈抵在仰拱混凝土之上。具體如圖1所示。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型建立

采用FLAC3D大型數(shù)值軟件進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，結(jié)構(gòu)單元的幾何及物理特性見表1所示。

反力架所受荷載按照在全環(huán)上均勻分布簡(jiǎn)化，施加在結(jié)構(gòu)單元的節(jié)點(diǎn)上[5]，如圖2所示。同時(shí)對(duì)反力架支撐進(jìn)行編號(hào)，如圖3所示。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果與分析

2.2.1 反力架與支撐受力與變形

①反力架與支撐軸力。

將計(jì)算所得各支撐軸力列于表2中。

從表2可以看出，當(dāng)總推力為2500t時(shí)，各支撐均處于安全狀態(tài)。

②反力架與支撐彎矩與變形。

反力架及支撐彎矩云圖如圖4所示。反力架及支撐變形矢量如圖5所示。

從圖4可以看出，采用復(fù)合反力架支撐時(shí)，支撐基本沒有彎矩，變形均在可控范圍內(nèi)。

2.2.2 襯砌及仰拱受力與變形

①襯砌及仰拱受力。

襯砌及仰拱沿隧道縱向應(yīng)力云圖如圖6所示。

從圖6可以看出，在隧道的邊墻處一定范圍內(nèi)出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力，而局部出現(xiàn)拉應(yīng)力，但拉應(yīng)力及壓應(yīng)力均較小，說明襯砌及仰拱滿足強(qiáng)度要求。

從圖7可以看出，支撐對(duì)襯砌及仰拱產(chǎn)生變形很小，僅有0.05mm量級(jí)的影響，故此可以忽略不計(jì)。

3 反力架及支撐施工要點(diǎn)

3.1 反力架施工要點(diǎn)

反力架的主體由11塊型鋼構(gòu)成，為使11塊型鋼能夠成為一個(gè)整體，共同受力，必須保證連接質(zhì)量。因此該構(gòu)件將首先用M27螺栓連接，然后通過焊接連形成整體。

構(gòu)件1位于反力架上半部，其由9塊H200型鋼）組成，以便安裝。架后支撐為Φ150鋼管（構(gòu)件7），受力基礎(chǔ)為鉆爆段初支鋼拱。

構(gòu)件2位于反力架下半部，由兩塊H300型鋼組成，分別位于反力架左右兩端。架后支撐為Φ325鋼管（構(gòu)件5、6）及與之相連的20mm厚鋼板，受力基礎(chǔ)為仰拱C35鋼筋混凝土。

3.2 支撐施工要點(diǎn)

架后支撐的具體施作方式如下：

3.2.1 鋼架連接施工

以反力架為起點(diǎn)，首先將其后五榀鋼拱通過9根5米通長(zhǎng)的10號(hào)槽鋼焊接（焊接點(diǎn)位于鋼拱內(nèi)弧面上），使五榀鋼拱成為一個(gè)整體受力的結(jié)構(gòu)。其次，為保證盾構(gòu)始發(fā)時(shí)的反力不會(huì)導(dǎo)致鋼拱傾覆，應(yīng)在每根通長(zhǎng)的10號(hào)槽鋼周邊分別打入4根Φ22砂漿錨桿（錨入深度1.5m），并通過焊接連為一體。

3.2.2 仰拱預(yù)埋鋼板

下部反力墻仰拱施作時(shí)，應(yīng)按設(shè)計(jì)圖預(yù)埋鋼板（構(gòu)件8、9），這些鋼板厚20mm，通過Φ28預(yù)埋鋼筋固定在反力墻仰拱。

4 結(jié)論

①按照1.5倍安全系數(shù)考慮，反力架各構(gòu)件受力滿足強(qiáng)度要求；支撐對(duì)襯砌與仰拱的受力與變形影響均很小，可以滿足強(qiáng)度要求。

②采用該方案盾構(gòu)始發(fā)反力體系布置僅需7天，與常規(guī)反力墻始發(fā)相比，工期可節(jié)約2-3個(gè)月。

③對(duì)反力架及支撐施工的要點(diǎn)進(jìn)行討論為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)參考。

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