谢潇鹏
中铁隧道股份有限公司 河南郑州 450000
摘要：本文以广州市广佛环线1标四工区9号工作井～琶洲站盾构区间，盾构始发施工为背景，介绍了9号工作井盾构始发反力装置的结构设计情况。并通过相关结构验算，以及实践的检验证明了该反力装置结构的合理性。事实证明该反力装置能够很好地满足盾构始发时的稳定推进和姿态控制要求。对今后同类工程施工有着极好的借鉴作用
关键词：城际铁路；盾构始发；反力装置；反力墙
Abstract：Based on the shield construction of No. 9 working wel to Pazhou Stationl in No. 4 working area of Guangzhou Guangfo Ring Line，this paper introduces the structural design of shield starting reaction device of No. 9 working well. The rationality of the structure of the reaction device is proved by the relevant structural checking calculation and the practical test. Facts have proved that the reactor can meet the requirements of stable propulsion and attitude control when shield starts. It has an excellent reference for similar projects in the future.：Based on the shield construction of No. 9 working well in No. 4 working area of Guangzhou Guangfo Ring Line，this paper introduces the structural design of shield starting reaction device of No. 9 working well. The rationality of the structure of the reaction device is proved by the relevant structural checking calculation and the practical test. Facts have proved that the reactor can meet the requirements of stable propulsion and attitude control when shield starts. It has an excellent reference for similar projects in the future.
Key words：metro；shield start；reaction device；reaction wall
引言
盾构法施工现已成为城市地下轨道交通施工的首选方法，在城市基础设施建设中起着重要的作用。盾构始发是盾构施工的关键环节，而反力装置又是盾构始发的关键。为使盾构机能够正常前进，需要设计安装反力装置来为盾构提供一个反作用力。广佛环线1标四工区9号工作井～琶洲站区间盾构始发，根据现场情况设计出了模筑混凝土加钢结构工装组合形式的新反力架结构，并在后期始发中取得了良好的效果。
1、工程概况
广佛环线GFHD-1标四工区，9号工作井～琶洲站区间线路从9号工作井（含工作井）开始，施工采用两台φ9.13m的土压平衡盾构从9号工作井组装，空推100m矿山法隧道后在暗挖段始发。
2、结构设计
盾构反力架采用模筑混凝土加钢结构工装组合形式。下部结构采用现浇钢筋混凝土形式，采用后浇方式，通过二衬施工时预埋的钢筋与二衬共同提供下部反力；上部结构采用加劲扇形弧板加型钢组合钢结构工装，通过二衬及反力墙结构预埋钢板实现共同受力。上部结构较下部结构而言较为复杂，其采用20mm厚弧形钢板（构件6、构件5）背后间距5°加设加劲板共同受力，中部采用H400型钢对焊。反力架后面采用钢管及加劲板支撑，上半部支撑间距5°加设加劲板，支撑于二衬预埋钢板（构件2）上，加劲板与二衬预埋钢板焊接；中部支撑采用φ400mm钢管，支撑与预埋钢板焊接，斜撑在反力墙混凝土面上；下部将盾构机通过钢圈抵在反力墙混凝土之上，见图1所示。
图1 盾构反力架及支撑布置图
3、受力分析
为保证反力架结构合理，强度刚度满足使用要求，需对其进行受力验算，受力验算主要为，盾构始发反力作用到反力墙上，反力墙再将作用力传递至二次衬砌及周边围岩上。
掘进设备采用（海瑞克）土压平衡盾构机，主机长度11.6m（含刀盘），刀盘直径9130㎜，刀盘转速0-2.75rpm，最大扭矩15047KN.m，最大推力7000T，为目前国内首台大直径复合地层掘进的土压平衡盾构。其相关力学参数详见表1
考虑盾构机总推力19130 kN，按1.3安全系数的安全系数，计算总推力为19130×1.3=25000 kN
反力架则有两种构件组成，上部20mm厚弧形钢板，中部H400型钢对焊，共有4根钢管及31块加劲板作为支撑，其中上部20mm厚加劲板支撑31块，中部φ400mm钢管支撑，钢材参数见下表2、表3所示。
由于盾构推进反力架利用了仰拱，钢管支撑等多种形式，受力相对复杂，为分析反力架的受力大小及分布规律，验算反力架及支撑受力强度，有必要采用三维数值计算，深入分析各部分的受力。本计算书采用大型商业有限差分元件FLAC3D进行计算。
4 模型简化与建立
根据上述问题，采用FLAC3D大型数值软件进行数值分析计算，对模型进行图2所示的简化，反力架及支撑采用梁单元模拟，根据不同钢材选用不同的梁单元编号。地层采用实体单元模拟，服从莫尔库伦屈服准则，隧道衬砌及仰拱回填采用弹性模型。边界条件，底面（z）竖向约束，上表面自由面；纵向（y）为纵向水平位移约束，横向（x）为横向水平约束。结构单元边界为：反力架与支撑之间刚接，立柱与基础之间为固定端，6个自由度均进行约束，斜撑（或加劲板）与反力墙（或二衬）为固定端，结构单元的几何及物理特性见下表4所示。
图2荷载简化示意图（左）及反力架支撑编号示意图（右）
4.1反力架与支撑轴力
将计算所得各支撑轴力列于表5中。
注：因结构对称，故仅列出一半支撑轴力。
下图3为反力架及支撑的轴力云图，可直观看出上表所示的轴力分布规律。
图3反力架及支撑轴力云图
图表中可以看出，当总推力为2500t时，最大轴力出现在⑨号支撑（与底板连接的上面一层斜支撑），最大轴力为1205KN，截面应力为151.2MPa，处于安全状态。而最小的轴力出现在⑩号支撑（与底板连接的下面一层斜支撑），轴力为199KN，截面应力为24.9MPa，安全。与二衬相连的其他加劲板中最大受力为①号加劲板（与斜撑相邻），最大轴力为842KN，截面应力为179.8MPa，处于安全状态。
4.2反力架与支撑弯矩
下图为反力架及支撑弯矩云图，最大弯矩为356kN·m，弯矩较大。
图4反力架及支撑弯矩云图
图中可以看出，采用复合反力架支撑时，支撑基本没有弯矩，反力架立柱根部及上部与下部连接处弯矩较大，而立柱根部弯矩最大。因此，H400×400对焊型钢与仰拱之间的连接强度必须保证，可以考虑在其与预埋钢板焊接处设钢肋。
4.3反力架与支撑变形
图5为反力架及支撑结构变形矢量图，图中可直观反映反力架及支撑变形。
图5反力架及支撑变形矢量
图中最大变形矢量为8.2mm，变形较大位置主要为反力架上部，因为其采用的20mm厚弧形钢板刚度相对稍小，其上部支撑为加劲板，对反力架存在向下的分力作用。
4.4衬砌及仰拱受力与变形
4.4.1衬砌与仰拱受力
下图6为衬砌及仰拱沿隧道纵向应力云图。
图6 衬砌及仰拱纵向应力云图
图中可以看出，在隧道的边墙处一定范围内出现较大的压应力，而局部出现拉应力，但拉应力及压应力均较小，说明衬砌及仰拱满足强度要求。
4.4.2 衬砌与仰拱变形
图7为衬砌及仰拱沿隧道纵向水平变形云图。
图7衬砌及仰拱纵向水平变形云图
图中可以看出，支撑对衬砌及仰拱产生一定的变形，但是变形很小，仅有0.05mm量级的影响，故此基本可以忽略不计。
5主要结论与建议
（1）计算可知，按1.3的安全系数考虑，反力架各构件受力强度满足要求，并且安全系数较高。
（2）底板连接的下面一层斜支撑因受力较小，可考虑采用小直径钢管，或者小型号的H型钢。
（3）反力架立柱根部处弯矩较大，必须保证H400×400对焊型钢与反力墙之间的连接强度，可以考虑在其与预埋钢板焊接处设钢肋。
（4）支撑对衬砌与仰拱的受力与变形影响均很小，可以满足强度要求。
结束语
由以上分析可知，本盾构机反力装置结构设计满足使用要求，且在广佛环线9号工作井～琶洲站区间盾构始发过程中，较好的完成了盾构机始发掘进反力支撑的作用。这证明了本项技术的的安全性和可靠性。此次反力装置的施工为后期的盾构快速掘进提供了有利条件，也为后续类似工程施工积累了宝贵的施工经验。
参考文献：
[1]竺维彬，鞠世健，史海鸥.广州地铁三号线盾构隧道工程施工技术研究.暨南大学出版社，2007
[2]刘浔，等.无锡地铁盾构始发风险分析.水利与建筑工程学报，2013
[3]G B50446-2008，盾构法隧道施工与验收规范
论文作者:谢潇鹏
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第7期
论文发表时间:2019/5/6
标签：盾构论文; 弯矩论文; 受力论文; 云图论文; 结构论文; 钢板论文; 隧道论文; 《建筑模拟》2019年第7期论文;