支撐型式對(duì)盾構(gòu)始發(fā)反力架力學(xué)特性的影響分析

王亞冰/WANG Ya-bing

（中鐵十二局集團(tuán)第一工程有限公司，陜西 西安 710038）

反力架是在始發(fā)階段為盾構(gòu)提供反作用力的結(jié)構(gòu)部件，其設(shè)計(jì)的合理性直接關(guān)系著盾構(gòu)始發(fā)施工的安全和質(zhì)量，因而十分重要，必須保證在強(qiáng)大的盾構(gòu)推力下具有可靠的強(qiáng)度和剛度。反力架一般由鋼環(huán)、門(mén)式鋼架、支撐、預(yù)埋件等部分組成，受盾構(gòu)推力作用后，荷載先由鋼環(huán)傳至門(mén)式鋼架，并經(jīng)由鋼架背后支撐傳至預(yù)埋件，而后通過(guò)預(yù)埋件傳至其他結(jié)構(gòu)上去，這其中支撐不僅起著重要的荷載傳遞作用，其位置分布和剛度大小也會(huì)對(duì)鋼架的力學(xué)特性產(chǎn)生顯著影響。根據(jù)截面形狀的不同，支撐通常有箱型、H 型和管型幾種[1-3]；而根據(jù)作用位置的不同，支撐一般具有直撐和斜撐兩種型式[4]。當(dāng)后方端墻位置與鋼架框梁位置可較好對(duì)應(yīng)時(shí)，優(yōu)先采用前者[5]；反之則采用斜撐作用于底板上[6]。工程實(shí)踐中，反力架橫向框架梁位置更易于與后方端墻位置對(duì)應(yīng)，而兩側(cè)豎向框架梁位置則難于對(duì)應(yīng)，或者一側(cè)可對(duì)應(yīng)、而另一側(cè)則無(wú)法對(duì)應(yīng)，故多數(shù)反力架支撐設(shè)計(jì)同時(shí)直撐和斜撐兩種形式[7-8]。不同的支撐型式會(huì)改變反力架的支撐剛度，從而影響反力架的整體受力和變形特性。

目前，對(duì)于同一個(gè)工程，采用不同支撐結(jié)構(gòu)形式的對(duì)比分析還少見(jiàn)報(bào)道。本文將結(jié)合滁寧城際鐵路盾構(gòu)隧道工程實(shí)例，采用ABAQUS 有限元軟件對(duì)不同盾構(gòu)起始處具有不同支撐結(jié)構(gòu)形式的反力架數(shù)值模擬，分析支撐型式對(duì)其力學(xué)特性的影響，以便為反力架設(shè)計(jì)提供依據(jù)和類(lèi)似工程提供參考。

1 工程概況

滁寧城際鐵路是全國(guó)首條跨省城際鐵路，是皖江城際鐵路網(wǎng)的重要組成部分，全長(zhǎng)54.4km，其中滁州段全長(zhǎng)46.25km。滁州段二期工程中的技術(shù)學(xué)院站至市政府站之間雙線(xiàn)，市政府站至鳳陽(yáng)北路站的左線(xiàn)為區(qū)間隧道，采用盾構(gòu)法施工，全長(zhǎng)7 131m。施工用盾構(gòu)為中鐵ZTE8800 土壓平衡盾構(gòu)，該盾構(gòu)主機(jī)長(zhǎng)度為17m，配置有7 臺(tái)配套臺(tái)車(chē)，全機(jī)總長(zhǎng)116m。盾體長(zhǎng)度為11m、前盾長(zhǎng)度為7m，前后盾之間采用被動(dòng)鉸接連接，其最大鉸接角度為1°。盾構(gòu)的開(kāi)挖直徑為8.84m，最小水平轉(zhuǎn)彎半徑為400m、最大縱向爬坡坡率為3.5%，可以滿(mǎn)足該路段的施工需求。隧道襯砌設(shè)計(jì)為預(yù)制管片錯(cuò)縫拼裝，每環(huán)由7 塊管片構(gòu)成，管片外徑8.5m、內(nèi)徑7.7m、厚度0.4m。隧道穿越土層主要為強(qiáng)風(fēng)化和中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，上部覆蓋層一般為素填土、粉質(zhì)黏土以及細(xì)圓礫土。為減小土體變形，采用袖閥管對(duì)洞門(mén)附近土體進(jìn)行注漿加固，加固區(qū)長(zhǎng)度為12m。

2 反力架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

盾構(gòu)始發(fā)時(shí)，反力架承受著盾構(gòu)作用過(guò)來(lái)的強(qiáng)大推力，為保證始發(fā)安全，反力架必須滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性要求。本工程盾構(gòu)反力架分為鋼環(huán)、門(mén)架、支撐和預(yù)埋件4 個(gè)部分，各部分之間通過(guò)螺栓或焊接方式連接。門(mén)架由2 根立柱、2根橫檔及4 根斜撐組焊成門(mén)形結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。各構(gòu)件均由兩榀H 型鋼加工焊接而成，H 型鋼翼緣寬度400mm，厚度20mm，腹板厚度25mm，沿盾構(gòu)軸向方向截面總高度1 000mm；立柱、橫檔和斜撐兩側(cè)分別每間距660mm、580mm 和500mm 加焊一道寬度150mm，厚度20mm 的肋板。鋼環(huán)內(nèi)徑7 700mm，外徑8 900mm，厚度500mm，采用工字結(jié)構(gòu)，翼緣厚25mm，腹板厚30mm，內(nèi)外側(cè)每間距500mm 設(shè)有一道厚度20mm 的肋板。根據(jù)施工區(qū)間，支撐分為兩種類(lèi)型，經(jīng)明挖段盾構(gòu)井始發(fā)時(shí)，因左右線(xiàn)中間設(shè)置有中隔墻，故一側(cè)支撐可直接作用于中隔墻上，如圖2 所示；經(jīng)車(chē)站盾構(gòu)井始發(fā)時(shí)，因車(chē)站結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，一側(cè)立柱上支撐需全部采用斜撐，如圖3 所示。對(duì)于第一種情況，支撐全部采用型號(hào)450×600mm 的鋼箱梁，壁厚25mm，上橫檔上設(shè)有5 根直支撐，下橫檔上設(shè)有5 根斜支撐，兩側(cè)立柱各設(shè)有2 根直支撐和1 根斜支撐。對(duì)于第二種情況，一側(cè)立柱設(shè)置3 根螺旋鋼管斜撐，直徑609mm，壁厚18mm。反力架構(gòu)件使用材料均為Q345B 高強(qiáng)鋼，屈服強(qiáng)度為335MPa，設(shè)計(jì)強(qiáng)度為295MPa。

圖1 反力架整體尺寸 (mm)

圖2 明挖段始發(fā)反力架支撐

圖3 車(chē)站段始發(fā)反力架支撐

3 反力架數(shù)值分析

采用ABAQUS 有限元數(shù)值軟件建立反力架系統(tǒng)的三維實(shí)體精細(xì)化模型，對(duì)不同工況下反力架的受力、位移進(jìn)行比較分析。

3.1 數(shù)值模型

以圖3 中反力架系統(tǒng)為例，建立有限元分析模型如圖4 所示，共劃分62 530 個(gè)單元、125 208個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元類(lèi)型采用C3D8R。鋼材Q345 的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線(xiàn)采用只考慮強(qiáng)化階段的三折線(xiàn)模型[10]，如圖5 所示。圖中σy、σu分別為屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度，εy和εu為分別與之對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，取值如下：σy=345MPa，εy=0.17%，σu=480MPa，εu=2.1%；另外，彈性模量E=206GPa、泊松比ν=0.3。

圖4 反力架精細(xì)化數(shù)值模型

圖5 Q345鋼應(yīng)力-應(yīng)變?nèi)劬€(xiàn)模型

3.2 計(jì)算工況

計(jì)算考慮如下3 種工況：工況1 為鋼環(huán)表面承受盾構(gòu)19 組油缸產(chǎn)生的均布推力，對(duì)應(yīng)一般情況；工況2 為鋼環(huán)上部表面承受荷載按下部表面承受荷載的一半考慮，即上表面承受總荷載的1/3，下表面承受總荷載的2/3，對(duì)應(yīng)始發(fā)過(guò)程防止盾構(gòu)栽頭；工況3 為順著盾構(gòu)掘進(jìn)方向，鋼環(huán)左側(cè)面承受油缸全部推力荷載，右側(cè)面不承受荷載的極限情況，對(duì)應(yīng)小半徑曲線(xiàn)始發(fā)時(shí)盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎需設(shè)置油缸推力左側(cè)大、右側(cè)小的狀態(tài)。盾構(gòu)設(shè)計(jì)總推力為30 000kN。

3.3 結(jié)果分析

為了解不同工況下反力架門(mén)式框架最大應(yīng)力和位移、支撐最大應(yīng)力和鋼環(huán)最大位移的大小和位置變化情況，建立如圖6 所示的坐標(biāo)系，按象限將反力架分為4 個(gè)區(qū)域，其中橫向框架梁分別用B1（上）和B2（下）表示，豎向框架梁分別用C1（左）和C2（右）表示；鋼環(huán)均分為26 個(gè)區(qū)域；頂部5 根水平支撐從左到右分別用US1-US5 表示；左側(cè)3 根支撐從上到下分別用LS1-LS3 表示；右側(cè)3 根支撐從上到下分別用RS1-RS3 表示；底部斜撐從左到右分別用BS1-BS5 表示。圖中左右的區(qū)分以沿推力方向觀察進(jìn)行判定。

圖6 反力架分區(qū)

明挖段和車(chē)站段兩處的反力架在受荷后各工況的計(jì)算結(jié)果如表1 所示。兩種支撐方案下，框架和支撐構(gòu)件最大截面應(yīng)力均小于設(shè)計(jì)強(qiáng)度295MPa；框架最大變形量1.54cm＜f=L/400=8500/400=2.125cm；鋼箱梁支撐最大長(zhǎng)細(xì)比λmax=μL/i=0.5×5840/180.2=16.2＜λs=61.4（鋼支撐按兩段固定考慮，長(zhǎng)度系數(shù)μ取0.5，鋼箱梁支撐最大長(zhǎng)度L=5.84m，截面尺寸450×600mm 經(jīng)計(jì)算后其回轉(zhuǎn)半徑i=180.2mm）；鋼管支撐最大長(zhǎng)細(xì)比λmax=μL/i=0.5×8787/209.5=20.9 ＜λs=61.4（鋼管支撐最大長(zhǎng)度L=8.787m，環(huán)形截面經(jīng)計(jì)算后其回轉(zhuǎn)半徑i=209.5mm），因而支撐構(gòu)件均屬于短粗桿，滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求。綜合來(lái)看，兩處反力架的設(shè)計(jì)在3 種工況下均滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性的要求。

表1 反力架力學(xué)特性對(duì)比

由應(yīng)力和位移分布圖來(lái)看，由于作用荷載具有對(duì)稱(chēng)性，工況1 和工況2 的框架應(yīng)力分布也基本是對(duì)稱(chēng)的，但相較于工況1，工況2 上部荷載減小、下部荷載增大，相應(yīng)下部框架應(yīng)力有所增加，上部則有所減小。由于下部支撐剛度大，兩種工況下的位移都集中發(fā)生在反力架上橫梁與框架斜撐處，但相較于工況1 而言，工況2 的最大位移有向左移動(dòng)的趨勢(shì)。工況3 由于荷載全部作用在反力架左側(cè)，故應(yīng)力和位移分布均向左側(cè)移動(dòng)，左側(cè)第2 道斜支撐的應(yīng)力明顯增大，最大位移則發(fā)生在左側(cè)上部框架斜支撐處。

進(jìn)一步從反力架支撐剛度分布來(lái)看，在明挖位置時(shí)，反力架支撐設(shè)計(jì)基本左右對(duì)稱(chēng)，但與其他頂部水平支撐相比，最右側(cè)US5 支撐在水平面內(nèi)內(nèi)傾，并與隧道軸線(xiàn)成12°，導(dǎo)致右側(cè)支撐剛度略小于左側(cè)，故框架最大應(yīng)力166.1MPa 發(fā)生在C1（Ⅱ）區(qū)；頂部水平支撐長(zhǎng)度大于底部斜撐，故底部支撐剛度大于頂部，即反力架右上側(cè)是剛度分布最小之處，而計(jì)算最大位移1.15cm也發(fā)生在上部橫向框架的右側(cè)中部，即B1（Ⅰ中），相應(yīng)鋼環(huán)最大位移1.43cm 發(fā)生位置3 區(qū)也在這一區(qū)域；對(duì)應(yīng)于框架最大位移，支撐最大應(yīng)力166.9MPa 發(fā)生在右側(cè)RS2 支撐上。由此可見(jiàn)，反力架、支撐的應(yīng)力、位移分布與其剛度分布是對(duì)應(yīng)的。從不同工況來(lái)看，相較于工況1，工況2 下半部分作用荷載增大，上部減小，結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力僅有不明顯的減小，但框架最大應(yīng)力發(fā)生位置降低，由工況1 時(shí)的C1（Ⅱ）區(qū)下降到C1（Ⅲ)，最大位移位置左移至B1（中）；框架和鋼環(huán)最大位移分別有40%和20%以上的減小幅度，這主要是由于底部斜撐剛度大，承擔(dān)了下部分的增大荷載所導(dǎo)致，而因上部荷載減小，鋼環(huán)最大位移位置下降至23 區(qū)。應(yīng)力、位移除受剛度影響外，還與荷載分布相關(guān)。對(duì)于工況3，荷載左大右小，分布不均，導(dǎo)致最大應(yīng)力和位移相較于工況1 而言均有近20%幅度的增大，且發(fā)生位置全部向左移動(dòng)，如框架最大位移發(fā)生在B1（Ⅱ中)，支撐LS2 出現(xiàn)最大應(yīng)力。為了適應(yīng)車(chē)站結(jié)構(gòu)，改左側(cè)水平鋼箱梁支撐為鋼管斜撐后，出現(xiàn)左側(cè)支撐剛度較右側(cè)小的情況，剛度中心右移，因而工況1 中框架最大應(yīng)力的發(fā)生位置也隨之右移至右側(cè)豎向框架梁的C2（I)，最大位移位置則左移至B1（II 中)。此外，由于總體支撐剛度降低，相較于明挖處而言，各工況下應(yīng)力具有小幅降低，位移則有15%～20%的增大，但不同工況下的變化規(guī)律和明挖處基本一致。

4 存在的問(wèn)題與改進(jìn)

采用上述反力架設(shè)計(jì)方案后，盾構(gòu)始發(fā)過(guò)程中通過(guò)對(duì)反力架重點(diǎn)部位進(jìn)行觀察測(cè)量，各部位均未出現(xiàn)明顯變形，各個(gè)支撐部件處于正常狀態(tài)，說(shuō)明反力架的表現(xiàn)與計(jì)算結(jié)果較為符合，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)約束斜撐底端的混凝土底板普遍出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，如圖7 所示。分析原因?yàn)?0cm 底板厚度過(guò)薄，無(wú)法承受斜撐傳過(guò)來(lái)的擠壓荷載，混凝土發(fā)生了局部承壓破壞。在下一個(gè)車(chē)站始發(fā)時(shí)，提出如下改進(jìn)方案：將底部斜撐全部去除，混凝土底板厚度設(shè)計(jì)為80cm，左右兩側(cè)落地斜撐長(zhǎng)度也相應(yīng)減小。改進(jìn)方案很好地完成了后續(xù)車(chē)站的盾構(gòu)始發(fā)施工，底板開(kāi)裂的情況未再出現(xiàn)，反力架各部位也均表現(xiàn)正常。

圖7 底板局部承壓破壞

5 結(jié)論

因支撐條件有變化，滁寧城際鐵路隧道盾構(gòu)施工反力架設(shè)計(jì)在不同始發(fā)處采用了不同的支撐型式。本文以此為工程背景，考慮3 種設(shè)計(jì)工況，采用ABAQUS 有限元軟件對(duì)具有不同支撐結(jié)構(gòu)形式的反力架進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算和對(duì)比分析，主要得到了以下結(jié)論，可供類(lèi)似工程提供參考。

1）不同的支撐結(jié)構(gòu)會(huì)改變反力架的剛度分布，反力架的應(yīng)力、位移分布與支撐的剛度分布是對(duì)應(yīng)的。

2）反力架的應(yīng)力、位移分布除受剛度影響外，還與荷載分布相關(guān)。不同支撐型式下，與曲線(xiàn)始發(fā)對(duì)應(yīng)的工況3 均具有最大應(yīng)力和位移，設(shè)計(jì)時(shí)不能忽視。

3）底板應(yīng)具有一定的厚度，否則易出現(xiàn)局部承壓破壞的現(xiàn)象；若底板厚度足夠，底部框梁斜撐可考慮取消。