地鐵盾構(gòu)施工中始發(fā)反力架設(shè)計(jì)及受力分析

王義強(qiáng)

摘要：結(jié)合沈陽地鐵4號線望～觀區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)施工現(xiàn)狀，介紹了盾構(gòu)反力架的設(shè)計(jì)情況，通過受力計(jì)算分析各部件受力機(jī)理，并利用midas civil有限元軟件進(jìn)行數(shù)值分析，得到了始發(fā)階段反力架各部件的受力狀況及位移情況，確定了在始發(fā)階段重點(diǎn)關(guān)注部位，最后將理論研究及數(shù)值模擬結(jié)果同始發(fā)實(shí)際情況進(jìn)行了比較，其研究成果旨在為以后類似區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)施工提供指導(dǎo)意見。

Abstract： Combined with the current situation of the initial construction of the shield tunnel in the Wang ～ Guan section of Shenyang Metro Line 4， the design of the shield reaction frame is introduced. The force mechanism of each component is analyzed through the calculation of the force. After analysis， the stress conditions and displacements of the components of the reaction force frame during the starting phase were obtained， and the key areas of concern during the starting phase were determined. Finally， the theoretical research and numerical simulation results were compared with the actual starting conditions. The aim is to provide guidance for the future construction of similar shield tunnels.

關(guān)鍵詞：區(qū)間盾構(gòu);反力架;始發(fā);數(shù)值模擬;受力分析

Key words： interval shield;counterforce frame;starting;numerical simulation;mechanical analysis

中圖分類號：U455.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2020）08-0140-03

0 ?引言

目前，盾構(gòu)法已成為城市地下軌道交通建設(shè)中不可或缺的施工方法，在地鐵建設(shè)領(lǐng)域起著至關(guān)重要的作用，而盾構(gòu)始發(fā)作為盾構(gòu)法施工中的重要環(huán)節(jié)，其順利進(jìn)行成為保證后期盾構(gòu)施工質(zhì)量的關(guān)鍵[1]。始發(fā)時，為防止盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)發(fā)生過大偏差，反力架須為盾構(gòu)機(jī)提供足夠的反作用力，確保盾構(gòu)機(jī)零誤差進(jìn)洞。因此，有必要對反力架安全性能進(jìn)行評估。本文結(jié)合沈陽地鐵4號線望～觀區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)工況，通過受力計(jì)算及數(shù)值模擬分析，對反力架整體穩(wěn)定性進(jìn)行論證，進(jìn)而指導(dǎo)工程實(shí)踐。

1 ?工程概況

沈陽地鐵4號線望～觀區(qū)間起于望花屯站止于觀泉路站，望花屯站、觀泉路站均為島式站臺，主要沿規(guī)劃路和北大營街由北向南敷設(shè)，線路間距13m～15m。沿線主要途經(jīng)聯(lián)合物流、森王木業(yè)、中國外運(yùn)、際華3547特種裝具有限公司、望花新村小區(qū)、水印藍(lán)庭小區(qū)等。線路西側(cè)尚有大量地塊待開發(fā)。

本區(qū)間為單洞單線盾構(gòu)區(qū)間，區(qū)間右線長度為1611.898m，左線長度為1614.121m，線路為單向坡度，最大坡度為25‰。隧道斷面外徑為6m，覆土厚度為10.95～21.1m。隧道所在地層以粉質(zhì)粘土、中粗砂為主，隧道以下以礫砂為主。

2 ?反力架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及受力計(jì)算

2.1 反力架結(jié)構(gòu)形式

反力架作為盾構(gòu)始發(fā)階段的重要受力構(gòu)件，它必須能夠承受盾構(gòu)機(jī)始發(fā)階段所提供的始發(fā)推力，反力架整體結(jié)構(gòu)及各細(xì)部構(gòu)件均要求滿足施工生產(chǎn)的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性的要求[2]。

在盾構(gòu)主機(jī)與后配套連接之前，進(jìn)行反力架的安裝。由于反力架為盾構(gòu)始發(fā)時提供反推力，在安裝反力架時，反力架端面應(yīng)與始發(fā)托架軸線垂直，以便盾構(gòu)軸線與隧道設(shè)計(jì)軸線保持平行。反力架環(huán)向連接主要為高強(qiáng)螺栓連接，支撐體系為現(xiàn)場焊接，焊接過程中焊縫應(yīng)平順、整齊、均勻，高度滿足最薄母材的1.2倍。安裝時反力架與車站結(jié)構(gòu)連接部位的間隙要用鋼板墊實(shí)，并與車站預(yù)埋板焊接牢固，以保證反力架腳板有足夠的抗壓強(qiáng)度。

反力架安裝起始里程為DK4+226.162，共拼裝10環(huán)負(fù)環(huán)，0環(huán)管片進(jìn)入洞門500mm，反力架示意如圖1（a）。

2.2 反力架各部件

反力架主體結(jié)構(gòu)由2根500x600mm的立柱和2根500x600mm的橫梁組成，為了使結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性更好，在腹板兩側(cè)每50cm安裝一塊肋板。

反力架主體結(jié)構(gòu)立柱由支撐將力傳遞到車站結(jié)構(gòu)墻與車站底板上，立柱及橫梁設(shè)11道支撐，采用H45C型鋼、140角鋼、Q235 鋼板等鋼材焊接加固。

2.3 反力架受力計(jì)算

2.3.1 力學(xué)模型

立柱計(jì)算高度為5700mm，上下各有兩個橫梁，計(jì)算跨度為5820mm。根據(jù)連接形式，以及荷載傳遞路徑可按如圖1（b）計(jì)算模型設(shè)計(jì)。

其中：L1、L2、L3、L4桿件與部分負(fù)環(huán)直接接觸。

荷載傳遞路徑分析：盾構(gòu)機(jī)水平推力F→負(fù)環(huán)管片→反力架→水平支撐、斜撐以及井底、井壁的支座。

2.3.2 荷載取值

計(jì)算荷載取盾構(gòu)機(jī)千斤頂推力1500t，計(jì)算式簡化為均布荷載，平均分配到管片上。管片把荷載傳遞到反力架上的四個受力區(qū)域（如圖1（b）所示的L1、L2、L3、L4四個區(qū)域）每個區(qū)域的Fi為1/4F。

F=1500t×10kN/t=15000kN;

Fi=F/4=3750kN。

2.3.3 力學(xué)計(jì)算

①立柱、橫梁受力計(jì)算。

根據(jù)以上分析，分別建立橫梁、立柱、支撐的計(jì)算模型。因?yàn)闄M梁的荷載是傳遞到立柱和水平支撐上的，故應(yīng)計(jì)算為橫梁→立柱→支撐→井壁支座。

1）橫梁L1、L2計(jì)算

q1=3750/2.71m=1383kN/m，L0=5.82m

2）立柱H1、H2計(jì)算

如圖3所示，qh即為管片傳遞的荷載，qh=F3/2.86m=1311kN/m。

3）截面復(fù)核

橫梁及立柱采用箱式截面，采用工56b雙拼工字鋼。查詢工56b截面系數(shù)，Ix=68500cm4，W=2450cm3。

查鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范可知：[σ]=235MPa;[τ]=120MPa。故經(jīng)檢驗(yàn)σmax<[σ]，τmax<[τ];柱滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。

②加固支撐受力計(jì)算。

按照盾構(gòu)機(jī)千斤頂最大推力1500t計(jì)算，后方加固支撐采用原有格構(gòu)柱焊接于反力架上，格構(gòu)柱組成為4L140×14角鋼組成，截面積440×440mm。反力架加固分布為上、下、左側(cè)各3根格構(gòu)柱水平支撐于車站結(jié)構(gòu)墻上承受水平受力;右側(cè)采用兩道鋼圍檁以45°角斜撐，上端焊接于反力架上，底端焊接于車站結(jié)構(gòu)預(yù)埋板中。斜撐依靠埋置于底板的埋件承受推力。每個預(yù)埋件為1000×800×20mm鋼板，用于固定鋼板的鋼筋為A60×40cm×8根。

錨固鋼筋采用沖擊鉆頭將底板鉆孔40cm深，清空孔內(nèi)灰塵，保持孔內(nèi)干燥，灌入植筋膠，插入鋼筋。待凝固大于24小時后焊接鋼板。

計(jì)算結(jié)果過程如下：

L140×14角鋼橫截面積：A1=37.57cm2;

45C工字鋼截面積：A2=120.4cm2;

根據(jù)國標(biāo)《鋼鐵產(chǎn)品牌號標(biāo)識方法》（GB/T 221-2008）規(guī)定[3]，Q235設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度為235MPa。

3 ?反力架數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型

采用結(jié)構(gòu)有限元midas civil軟件進(jìn)行三維模擬，根據(jù)反力架幾何形狀和各部件之間的關(guān)系，建立有限元模型。模型的所有連接點(diǎn)均為固結(jié)，把所有的桿件均作為梁單元來考慮[4]。

3.2 計(jì)算結(jié)果

最大組合應(yīng)力值及位移值如圖5。

由應(yīng)力云圖上可得，在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)推力作用下，反力架最大受力發(fā)生在立柱及橫梁中部位置，應(yīng)力б=173.7MPa<[σ]=235MPa，滿足規(guī)范要求。

由計(jì)算結(jié)果可得最大豎向位移發(fā)生在立柱中下部位置，位移大小為w=3.424mm，根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50017-2017）附錄[5]取變形允許值f=l/400=14.25mm，變形滿足要求。

結(jié)論：該結(jié)構(gòu)可以承受1500t的推力。

4 ?現(xiàn)場反力架實(shí)際情況

始發(fā)過程中，對反力架重點(diǎn)受力部位進(jìn)行實(shí)測實(shí)量[6]，各部位未出現(xiàn)明顯變形，各受力構(gòu)件符合受力計(jì)算及有限元模擬結(jié)果;沈陽地鐵4號線望～觀區(qū)間在實(shí)際盾構(gòu)始發(fā)工況下，反力架橫撐最大受力175MPa，立柱最大受力183MPa，立柱最大位移4.8mm，滿足規(guī)范要求。

5 ?結(jié)論

①作為盾構(gòu)始發(fā)階段的平衡力系結(jié)構(gòu)，反力架在設(shè)計(jì)時須綜合考慮始發(fā)車站的尺寸及盾構(gòu)機(jī)性能參數(shù)，從預(yù)埋鋼板的設(shè)置及反力架各部件之間的連接關(guān)系出發(fā)，確保反力架安裝固定牢靠，保證盾構(gòu)機(jī)零誤差進(jìn)洞。②對于該工程的反力架，從計(jì)算結(jié)果及模擬結(jié)果看，反力架立柱及橫撐作為關(guān)鍵受力部位，在盾構(gòu)始發(fā)時要實(shí)時監(jiān)測，以確保盾構(gòu)始發(fā)的安全。③在盾構(gòu)始發(fā)推力作用下，該反力架受力安全性能夠滿足盾構(gòu)始發(fā)要求，反力架最大應(yīng)力小于屈服要求，最大位移在彈性變形范圍內(nèi)，其整體穩(wěn)定性較好;實(shí)際工況下，也滿足了盾構(gòu)始發(fā)過程中的安全作業(yè)要求。

參考文獻(xiàn)：

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