大直徑盾構(gòu)始發(fā)反力架異形支撐受力安全性能分析與實(shí)踐

吳宗林、李學(xué)謙、秦強(qiáng)

（中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，四川 成都 611130）

0 引言

盾構(gòu)機(jī)始發(fā)是盾構(gòu)施工中的關(guān)鍵步驟。在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)過程中，盾構(gòu)機(jī)位于始發(fā)架托架上，通過反力架及其后支撐，為盾構(gòu)機(jī)提供向前推動(dòng)的支撐，刀盤通過切割圍護(hù)結(jié)構(gòu)后進(jìn)入地層開展施工。始發(fā)反力架及其后支撐若不能提供足夠強(qiáng)大的支撐反力，容易造成盾構(gòu)始發(fā)后姿態(tài)發(fā)生偏差，造成“頭重尾輕”而發(fā)生“磕頭”現(xiàn)象。反力架的設(shè)計(jì)合理與否將直接導(dǎo)致盾構(gòu)始發(fā)的成功與否，因此有必要對(duì)反力架的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算，以保證施工安全、可靠地進(jìn)行。

目前，國內(nèi)外眾多學(xué)者在盾構(gòu)始發(fā)方面進(jìn)行了研究。陽岢杙等依托天津地鐵2 號(hào)線工程，深入研究了如何在盾構(gòu)施工中的始發(fā)階段提高施工速度和安全系數(shù)，通過一些細(xì)節(jié)的把控和調(diào)整，讓地鐵盾構(gòu)始發(fā)技術(shù)更具有先進(jìn)性、科學(xué)性、安全性、實(shí)用性。王義強(qiáng)等結(jié)合沈陽地鐵4 號(hào)線工程盾構(gòu)始發(fā)施工，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，得到了始發(fā)階段反力架各部件的受力狀況及位移情況，確定了始發(fā)階段重點(diǎn)關(guān)注部位。張子辛等應(yīng)用有限元軟件SAP2000 對(duì)西安某地鐵工程特殊反力架的受力變形情況進(jìn)行分析研究，確保了反力架的穩(wěn)定性，保證了盾構(gòu)機(jī)成功始發(fā)。王凱等為提升隧道專用反力架輕量化水平和降低制造及運(yùn)輸成本，采用PSO 算法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果表明優(yōu)化后減重比例為10.1%，驗(yàn)證了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的有效性。張曜輝等依托鄭州某工程，對(duì)大坡度段地鐵隧道盾構(gòu)始發(fā)工序中反力架的受力情況進(jìn)行數(shù)值模擬，針對(duì)大坡度段地鐵盾構(gòu)始發(fā)反力架構(gòu)造設(shè)置提出建議。本文采用ABAQUS 有限元軟件對(duì)反力架異形支撐進(jìn)行建模計(jì)算，分別計(jì)算和分析了不同工況下異形支撐反力架的整體受力，對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算并通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工總結(jié)了大直徑盾構(gòu)反力架支撐異形設(shè)計(jì)、受力計(jì)算及反力架現(xiàn)場(chǎng)施工過程中的安全、質(zhì)量管控的成功經(jīng)驗(yàn)，可為類似工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

成都地鐵19 號(hào)線龍橋路站—雙流機(jī)場(chǎng)T2 航站樓站區(qū)間中間風(fēng)井始發(fā)基地，風(fēng)井結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)131.6～135.1m，標(biāo)準(zhǔn)段總寬25.9m，擴(kuò)大段寬32.27m，頂板覆土厚度約為6.9m，底板埋深約28.8～32.74m。根據(jù)工程籌劃，始發(fā)基地兩端左、右線均接盾構(gòu)區(qū)間，并提供盾構(gòu)始發(fā)條件，同時(shí)中間段設(shè)置軌排井及出土孔。區(qū)間采用4 臺(tái)8600mm 海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工，盾構(gòu)機(jī)全長(zhǎng)120m，總重1050t。

2 反力架數(shù)值建模及分析

2.1 反力架結(jié)構(gòu)

該工程區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)反力架由兩側(cè)立柱、上橫梁、下橫梁及斜撐共同組成，立柱尺寸為1000mm×710mm。其中Φ720 鋼管支撐為斜支撐，HW400×400型鋼支撐為水平支撐，端頭反力架斜撐的一側(cè)采用三道Φ720，t=12mm 的螺旋鋼管進(jìn)行支撐，另外一側(cè)由于受到主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻影響，采用三道Φ720，t=12mm的螺旋鋼管支撐在既有風(fēng)井側(cè)墻上。反力架上下均采用5 根HW400×400 的型鋼進(jìn)行支撐。主體結(jié)構(gòu)施工過程中，在反力架支撐位置預(yù)埋鋼板，便于后期鋼管與鋼板焊接，形成整體受力體系。

2.2 反力架及其后支撐受力擬定

根據(jù)類似地層總結(jié)，盾構(gòu)始發(fā)階段推力最大值為20000kN。始發(fā)階段盾構(gòu)推力分為三種，將總推力20000kN 作為基準(zhǔn)荷載，第一種工況施加總推力20000kN，第二種為基準(zhǔn)總推力的2 倍，第三種為基準(zhǔn)總推力的3 倍。反力架驗(yàn)算為基準(zhǔn)荷載計(jì)算，即第一種工況；第二種、第三種工況用于確定反力架所能承擔(dān)的最大總推力。

2.3 反力架及其支撐數(shù)值建模

利用ABAQUS 有限元對(duì)反力架支撐進(jìn)行三維建模，根據(jù)反力架的幾何形狀和各部件之間的關(guān)系，建立反力架有限元模型，根據(jù)約束及載荷分布，建立的有限元模型圖及網(wǎng)格劃分圖如圖1 所示。

圖1 有限元模型圖

2.4 模型計(jì)算及分析

通過建模，對(duì)反力架荷載三維模型進(jìn)行計(jì)算分析。首先在基準(zhǔn)荷載作用下得到反力架的Mises 應(yīng)力分布云圖及變形圖。

從圖2 和圖3 可看出，基準(zhǔn)荷載作用下，通過基準(zhǔn)環(huán)向反力架傳遞的荷載受力較均勻，應(yīng)力較小，反力架立柱及橫梁應(yīng)力較小，均遠(yuǎn)小于100MPa 及Q345 屈服應(yīng)力。

圖2 基準(zhǔn)荷載作用下反力架整體響應(yīng)

圖3 基準(zhǔn)荷載下左下斜撐響應(yīng)

3 反力架后支撐穩(wěn)定性驗(yàn)算

反力架斜向支撐截面積：

A

=

π

×（720- 696）/4 =26691mm，

慣性矩：回轉(zhuǎn)半徑：

3.1 強(qiáng)度驗(yàn)算

通過建模計(jì)算，反力架支撐應(yīng)力小于100MPa，抗壓強(qiáng)度滿足要求。

3.2 剛度和穩(wěn)定性驗(yàn)算

短斜撐的長(zhǎng)度

l

=4890mm，長(zhǎng)斜撐的長(zhǎng)度

l

=12118mm，

查受壓構(gòu)件穩(wěn)定性系數(shù)表得知，

?

= 0.982，

?

=0.920，基準(zhǔn)荷載作用下，短斜撐軸力為824.3kN，長(zhǎng)斜撐的軸力為748.3kN，由此可知，

構(gòu)件剛度和穩(wěn)定性滿足要求。

4 反力架實(shí)施及效果分析

成都地鐵19 號(hào)線龍橋路站—雙流機(jī)場(chǎng)T2 航站樓站區(qū)間始發(fā)基座及反力架自2020年7月21日進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝，于8月28日安裝完成并進(jìn)行了盾構(gòu)始發(fā)，端頭反力架斜撐一側(cè)采用三道Φ720，t=12mm 的螺旋鋼管進(jìn)行支撐，另外一側(cè)由于受到主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻影響，采用三道Φ720，t=12mm 的螺旋鋼管支撐在既有風(fēng)井側(cè)墻上。反力架上下均采用5 根HW400×400 的型鋼進(jìn)行支撐。在風(fēng)井主體結(jié)構(gòu)施工過程中，在反力架支撐位置預(yù)埋鋼板，便于鋼管與鋼板焊接，形成整體受力體系。

4.1 始發(fā)托架及反力架安裝現(xiàn)場(chǎng)控制

在盾構(gòu)反力架安裝前，須按照設(shè)計(jì)位置、高程進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)放點(diǎn)。根據(jù)施工實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，建議盾體刀盤位置抬升4cm，盾尾位置抬升2cm，使盾體保持一個(gè)“抬頭”趨勢(shì)進(jìn)入地層中，防止發(fā)生“磕頭”現(xiàn)象。在安裝反力架和始發(fā)基座時(shí)，反力架左右偏差在±10mm 之內(nèi)，高程偏差控制在±5mm 之內(nèi)。

4.2 始發(fā)階段掘進(jìn)控制

在盾構(gòu)始發(fā)期間，各組千斤頂應(yīng)均衡推進(jìn)，各個(gè)方向的千斤頂應(yīng)對(duì)稱受力，防止反力架受力不均勻發(fā)生偏離設(shè)計(jì)線路的現(xiàn)象。另外，始發(fā)前應(yīng)在基座軌道上涂抹油脂，減少盾構(gòu)推進(jìn)阻力。施工過程中操作手應(yīng)實(shí)時(shí)關(guān)注掘進(jìn)數(shù)據(jù)，使總推力嚴(yán)格控制在基準(zhǔn)荷載范圍內(nèi)，減少反力架變形的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)在始發(fā)階段，需要安排專人對(duì)反力架的變形進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)異常須立即停機(jī)，對(duì)反力架及其后支撐加固后方可繼續(xù)掘進(jìn)。

4.3 反力架監(jiān)測(cè)控制

在始發(fā)階段須加強(qiáng)對(duì)反力架的監(jiān)測(cè)，特別是反力架的位移監(jiān)測(cè)，通過在反力架頂部、底部各布設(shè)3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)、腰部?jī)蓚?cè)布設(shè)2 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)8 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)反力架的變形進(jìn)行觀測(cè)，通過觀測(cè)反力架的平面變化最大為6.3mm（向后移動(dòng)）；高層變化最大為-2.7mm（向底部偏移）。變形量均滿足立柱擾度計(jì)算要求。

5 結(jié)論

本文通過對(duì)大直徑盾構(gòu)反力架支撐的數(shù)值模擬與理論分析，并通過現(xiàn)場(chǎng)施工實(shí)際驗(yàn)證，成體系地研究了反力架在始發(fā)階段不同工況下的受力效果以及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工過程中的安全管控措施，得到以下結(jié)論：

第一，反力架所用的單邊斜撐和單邊型鋼支撐體系在基準(zhǔn)荷載作用下強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性驗(yàn)算滿足施工要求，反力架支撐系統(tǒng)安全、可靠。

第二，盾構(gòu)始發(fā)支撐體系預(yù)埋件須在主體結(jié)構(gòu)底板施工期間提前進(jìn)行預(yù)埋，后期通過焊接使反力架及其后支撐與焊接形成整體，確保結(jié)構(gòu)整體受力。

第三，始發(fā)階段，盾構(gòu)各組千斤頂應(yīng)均衡推進(jìn)，各個(gè)方向的千斤頂應(yīng)對(duì)稱受力，防止反力架受力不均勻發(fā)生偏離設(shè)計(jì)線路事故。