地鐵盾構(gòu)機(jī)始發(fā)反力架體系設(shè)計(jì)及受力分析研究

杜建強(qiáng)

（甘肅鐵科建設(shè)工程咨詢有限公司，蘭州730030）

1 引言

盾構(gòu)法隧道施工安全快捷，已成為城市地下軌道交通工程建設(shè)不可或缺的施工方法。而盾構(gòu)始發(fā)是盾構(gòu)施工的重要工序和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，始發(fā)反力架是盾構(gòu)機(jī)始發(fā)階段的重要組成部分，可以為盾構(gòu)機(jī)提供足夠強(qiáng)大的支撐反力，設(shè)計(jì)合理與否直接關(guān)系到盾構(gòu)始發(fā)的成敗。因此，有必要對(duì)其安全性進(jìn)行分析研究，本文結(jié)合南寧地鐵4號(hào)線某盾構(gòu)始發(fā)過(guò)程，通過(guò)計(jì)算、數(shù)值模擬以及實(shí)施效果分析，對(duì)始發(fā)反力架體系的設(shè)計(jì)構(gòu)造及穩(wěn)定性進(jìn)行了論證，以期對(duì)同類工程安全實(shí)施有指導(dǎo)作用。

2 工程概況

南寧地鐵4號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間線間距為14.00 m，曲線最小半徑為450 m。線路埋深為8.55～14.26 m，最大縱坡為25.4‰。右線里程K1+809.457～K3+360.044，長(zhǎng)度為1 550.587 m；左線里程K1+809.457～K3+360.044，其中，含短鏈5.468 m，線路實(shí)際長(zhǎng)度為1 545.119 m。設(shè)2個(gè)聯(lián)絡(luò)通道，隧道外徑為6 m，覆土厚度為8.55～14.26 m。盾構(gòu)穿越地層主要為泥質(zhì)粉砂巖、泥巖、含黏性土圓礫。盾構(gòu)始發(fā)端地層采取降水+φ1 000 mm@750 mm的C20混凝土素樁+旋噴樁方式加固。

3 反力架體系設(shè)計(jì)

作為盾構(gòu)始發(fā)的重要受力結(jié)構(gòu)，反力架體系必須能承受始發(fā)階段產(chǎn)生的強(qiáng)大推力，因此，反力架體系應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求。其主體結(jié)構(gòu)由2根立柱、2根橫梁、4根八字撐組成，均為650 mm×500 mm的箱體結(jié)構(gòu)，主受力板及筋板均為厚30 mm的鋼板，材質(zhì)均為Q235-A鋼材，反力架之間采用M20高強(qiáng)螺栓連接，局部焊接。反力架上橫梁與車站中板由2根長(zhǎng)度為1 750 mm的斜撐連接，水平夾角為15°；下橫梁與車站底板由2根長(zhǎng)度為2 350 mm的直撐連接；左右立柱分別由2根斜撐與車站底板連接，斜撐與反力架之間焊接連接，與車站底板采用預(yù)埋螺栓安裝鋼板焊接連接，1#斜撐長(zhǎng)度為7 070 mm、2#斜撐長(zhǎng)度為3 971mm，與底板夾角分別為30°、35°，支撐均為φ500 mm壁厚8 mm的鋼管。反力架體系如圖1a所示。

4 反力架體系受力計(jì)算

4.1 計(jì)算模型

盾構(gòu)負(fù)環(huán)管片外徑為6 000 mm，厚度為300 mm，反力架立柱高度及橫梁跨度均按5 760 mm計(jì)算。荷載傳遞路徑：盾構(gòu)機(jī)水平推力→負(fù)環(huán)管片→反力架→水平支撐、斜撐→車站結(jié)構(gòu)。計(jì)算模型如圖1b所示。

圖1 反力架體系設(shè)計(jì)構(gòu)造圖

4.2 荷載取值

經(jīng)計(jì)算，盾構(gòu)機(jī)總推力F為15 130 kN（1 513 t），簡(jiǎn)化為均布荷載，平均分配到管片環(huán)面再傳遞到反力架邊框4個(gè)區(qū)域，如圖2所示，H1、H2為反力架立柱高度；L1、L2、L3、L4分別為負(fù)環(huán)管片與立柱及橫梁的接觸長(zhǎng)度，每個(gè)區(qū)域的推力Fi為F/4，即Fi=F/4=3 782.5 kN。

圖2 反力架簡(jiǎn)圖

4.3 力學(xué)計(jì)算

4.3.1 立柱、橫梁計(jì)算[1]

按受力簡(jiǎn)化模型，立柱高度及橫梁長(zhǎng)度均按5 760 mm計(jì)算，與負(fù)環(huán)直接接觸范圍為桿件長(zhǎng)度的1/3，即L1=L2=L3=L4=L/3=5 760/3=1 920 mm=1.92 m。

1）簡(jiǎn)化計(jì)算的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示，圖中，q為均布荷載；Q為剪力；M為彎矩，則

圖3 均布荷載、剪力、彎矩計(jì)算簡(jiǎn)圖

2）截面復(fù)核

立柱及橫梁均按Ⅰ63a雙拼箱式截面復(fù)核。查工字鋼參數(shù)表63a截面系數(shù)，慣性矩Ix=93 900 cm4，抗彎截面系數(shù)W=2 980 cm3，截面面積A=154.65 cm2。

經(jīng)計(jì)算，Mmax=605.18 kN·m；Vmax=1 891.2 kN

式中，Mmax為立柱、橫梁最大彎矩；Vmax為立柱、橫梁最大剪力；σmax為最大應(yīng)力；Tmax為最大剪應(yīng)力。

查GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《設(shè)計(jì)規(guī)范》）[2]：容許應(yīng)力[σ]=235 MPa；容許剪應(yīng)力[τ]=120 MPa。得到σmax＜[σ]，τmax＜[τ]，強(qiáng)度均滿足要求。

4.3.2 支撐計(jì)算

1）鋼管強(qiáng)度、變形量計(jì)算

查《設(shè)計(jì)規(guī)范》：強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy=200 MPa，彈性模量E=2.1×105MPa。

盾構(gòu)總推力：F=1 513.025t=1.51×107N。

單根φ500 mm鋼管截面積：A1=π(5002-4842)/4=12 359.04 mm2；

需鋼管數(shù)量：n=755 00/12 359.04=6.11，實(shí)際采用8根，滿足強(qiáng)度要求；

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

由計(jì)算知，各支撐計(jì)算強(qiáng)度均小于強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，強(qiáng)度滿足要求；根據(jù)《設(shè)計(jì)規(guī)范》，取變形允許值f=L/400，分別為：4.384 mm＞ΔL1；6.33 mm＞ΔL2；17.68 mm＞ΔL3；9.93 mm＞ΔL4，各支撐變形量均小于允許值，變形量滿足要求。

2）穩(wěn)定性檢算

支撐截面為圓環(huán),內(nèi)徑d=484 mm外徑D=500 mm，上橫梁斜撐長(zhǎng)度l1=1 750 mm,1#斜撐長(zhǎng)度l2=7 070 mm,2#斜撐長(zhǎng)度l3=3 971 mm。鋼材選用Q235，長(zhǎng)細(xì)比λs=61.6，λp=100。根據(jù)GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]附錄D表D.0.1，軸心受壓構(gòu)件的穩(wěn)定系數(shù)φ取0.8。鋼管撐臨界應(yīng)力σ計(jì)算如下：

5 始發(fā)反力架模擬計(jì)算

5.1 計(jì)算模型

采用結(jié)構(gòu)有限元Midas civil軟件進(jìn)行三維模擬計(jì)算，根據(jù)反力架體系幾何形狀和各部件之間的關(guān)系，建立有限元模型如圖4所示，所有連接點(diǎn)均為固結(jié)，所有桿件均按梁?jiǎn)卧紤][3]。

圖4 反力架體系模型

5.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)模擬分析，反力架體系最大組合應(yīng)力值及位移值如圖5～圖7所示。由圖5可知，在推力作用下整體變形主要是立柱和長(zhǎng)斜撐，最大變形量fmax=4.29 mm，最大受力發(fā)生在立柱中部位置。由圖6～7可知，最大位移w立柱=3.46 mm、w1#斜撐=4.61 mm；最大應(yīng)力σ立柱=176 MPa、σ1#斜撐=149 MPa，根據(jù)規(guī)范[2]取變形允許值f=L/400，[σ]=235 MPa，均小于允許值。通過(guò)模擬計(jì)算對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行了校核，均小于理論計(jì)算值，說(shuō)明始發(fā)托架、反力架體系結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定滿足要求，可以承受15 130 kN（1 513 t）的推力。

圖5 反力架及支撐變形圖

圖6 立柱位移及應(yīng)力圖

圖7 1#斜撐位移及應(yīng)力圖

6 實(shí)施效果

實(shí)施階段對(duì)反力架體系重點(diǎn)受力部位進(jìn)行了變形監(jiān)測(cè)，最大累計(jì)變形量立柱為3.2 mm、1#斜撐為3.46 mm，其他部位基本無(wú)變形，各連接點(diǎn)螺栓緊固、焊縫完好，各構(gòu)件受力符合理論計(jì)算及有限元模擬結(jié)果，變形量均小于理論計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果，反力架體系實(shí)施效果良好，盾構(gòu)始發(fā)安全順利[4]。

7 結(jié)論

由計(jì)算、模擬及實(shí)施效果可知，設(shè)計(jì)的始發(fā)反力架體系完全滿足使用要求，且在該工程中較好地完成了始發(fā)支撐任務(wù)，實(shí)際上反力架體系多處連接均為焊接，增強(qiáng)整體剛度的同時(shí)也造成了其吊裝、運(yùn)輸及重復(fù)利用不夠靈活，建議采用螺栓連接；從計(jì)算及模擬結(jié)果看，反力架立柱作為關(guān)鍵受力構(gòu)件，其中部變形最大，建議在加工時(shí)可適當(dāng)對(duì)該部位進(jìn)行加強(qiáng)；根據(jù)計(jì)算斜撐的變形與其長(zhǎng)度在一定范圍呈線性關(guān)系，建議縮短長(zhǎng)斜撐或增強(qiáng)其剛度以減小變形。