新型地鐵盾構(gòu)機反力支架的設(shè)計及有限元分析*

趙俊 楊垂瑋 趙騰飛

摘 ?要：反力支架支撐系統(tǒng)是地鐵施工中為盾構(gòu)機提供反力的裝置，其設(shè)計必須滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的要求。本文結(jié)合實際工程，給出一種新型地鐵盾構(gòu)機反力支架的設(shè)計模型，并根據(jù)設(shè)計建立相應(yīng)的有限元模型，通過有限元計算分析，驗證新型盾構(gòu)機反力支架的可靠性，為工程設(shè)計人員提供重要的設(shè)計依據(jù)與指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)機;反力支架;有限元;可靠性

中圖分類號：TU37

*基金項目：國家自然科學(xué)基金項目（11572147，51568046）;國網(wǎng)安徽省電力有限公司科技項目。

作者簡介：趙?。?973—），男，中級工程師，研究方向：農(nóng)業(yè)機械設(shè)計研發(fā)。

通信作者：趙騰飛（1990—），男，博士在讀，研究方向：力學(xué)在土木工程中的應(yīng)用。

反力支架支撐系統(tǒng)的主要作用是為盾構(gòu)始發(fā)掘進提供反向推力，主要包括反力支架本體、反力支架支撐和負環(huán)管片，盡管反力支架支撐系統(tǒng)是一個臨時性結(jié)構(gòu)，但是反力支撐系統(tǒng)關(guān)系到盾構(gòu)始發(fā)反力支架的安全，在盾構(gòu)始發(fā)期間，盾構(gòu)必須借助反力支架才能進入地層中[1]。因此，反力支架支撐系統(tǒng)必須具備足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性[2，3]。

在安裝反力支架時，反力支架端面應(yīng)該與始發(fā)基座水平軸垂直，對反力支架固定前應(yīng)按設(shè)計對其進行精確的定位。反力支架現(xiàn)場組裝，在盾構(gòu)主機與后配套臺車連接之前，進行反力支架的安裝與加固[3]。反力支架安裝前先把其中心線和位置放出，檢查反力支架中心線、托架中心線、隧道中心線三線是否重合。吊放好反力支架后立即對兩個方向的垂直度進行檢查，使垂直度偏差控制在2‰且距離在10mm以內(nèi)，吊裝后及時對反力支架進行臨時加固。

1 ?新型盾構(gòu)機的設(shè)計模型

根據(jù)盾構(gòu)機工作中的受力，初步確定盾構(gòu)反力支架立柱截面為箱型截面[4，5]，截面尺寸為700*600*40*20，上下門梁截面為箱型截面，其截面尺寸為700*600*40*20，水平支撐截面為雙工字形截面，其截面尺寸為250*236*13*10，油缸下環(huán)向支撐為工字形截面，其截面尺寸為700*350*40*20。盾構(gòu)反力支架采用Q235鋼材，反力支架通過30個油缸（20組，由單、雙油缸交替布置）均布傳遞，反力支架所承受的總荷載為2000kN，每個油缸傳遞荷載為667kN。

2 ?有限元模型的建立

根據(jù)反力支架裝配圖和支撐布置圖建立SOLIDWORKS三維模型，將SOLIDWORKS和ANSYS進行無縫連接，建立對應(yīng)的有限元模型，通過梁單元對反力支架進行有限元分析，提取相應(yīng)的應(yīng)力、變形結(jié)果。

3計算結(jié)果

通過對有限元模型施加盾構(gòu)機對應(yīng)的工作荷載，得到盾構(gòu)機反力支架的最大應(yīng)力、構(gòu)件的軸向應(yīng)力如圖1所示。

盾構(gòu)機反力支架整體的結(jié)構(gòu)位移如圖2所示。

通過計算，可以看出，反力支架在最大荷載的作用下，最大等效應(yīng)力都在240MPa以內(nèi)，并且主要結(jié)構(gòu)的等效應(yīng)力都小于200MPa，最大軸向應(yīng)力為190MPa，小于相應(yīng)的設(shè)計屈服應(yīng)力205MPa，最大位移為9mm，強度和剛度均滿足設(shè)計要求，考慮到鋼材的塑性儲備，并且此工況為盾構(gòu)機的啟動最大荷載，不是持續(xù)荷載，安全性是可以滿足要求。

4 結(jié)論

提出了一種新型的盾構(gòu)機反力支架的設(shè)計形式，并建立了新型反力支架的有限元模型，通過數(shù)值模擬得到盾構(gòu)機反力支架在極限荷載工況下的最大等效應(yīng)力、軸向應(yīng)力及對應(yīng)結(jié)構(gòu)整體的變形，通過分析發(fā)現(xiàn)新型結(jié)構(gòu)的設(shè)計滿足了結(jié)構(gòu)強度、剛度及穩(wěn)定性的要求，為工程設(shè)計提供了參考。

參考文獻：

[1] 李志力，于天明.15.03m超大直徑盾構(gòu)機反力支架受力分析與安裝技術(shù)[J].中國住宅設(shè)施，2020（03）：106-107.

[2]王義強.地鐵盾構(gòu)施工中始發(fā)反力支架設(shè)計及受力分析[J].價值工程，2020，39（08）：140-142.

[3] 黃斐.盾構(gòu)始發(fā)反力支架結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計[J].四川水泥，2019（11）：108.

[4] 盾構(gòu)隧道施工手冊[M]. 人民交通出版社 ， 張鳳祥等編著， 2005.

[5] 盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用[M]. 中國建筑工業(yè)出版社 ， 周文波編著， 2004.