地鐵盾構(gòu)施工中反力架系統(tǒng)的運(yùn)用研究

孫晶

（中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司　湖北　武漢　430074）

地鐵盾構(gòu)施工中反力架系統(tǒng)的運(yùn)用研究

孫晶

（中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司湖北武漢430074）

經(jīng)濟(jì)持續(xù)高速發(fā)展，城市化進(jìn)程也日趨加快，地鐵建設(shè)迅猛發(fā)展。但是由于我國地形條件復(fù)雜多變、施工技術(shù)難度大、建設(shè)周期長(zhǎng)、不可預(yù)見的風(fēng)險(xiǎn)因素多，地鐵建設(shè)安全事故時(shí)有發(fā)生。本文通過豐富的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)盾構(gòu)施工始發(fā)階段反力架的載荷分布以及變化進(jìn)行了分析，對(duì)地鐵盾構(gòu)施工過程中的反力架進(jìn)行了數(shù)值分析、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和受力分析，對(duì)反力架的拆除條件給出了建議。

地鐵盾構(gòu)；反力架；施工

引言

由于經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，公交已經(jīng)不能夠滿足人們的出行需求，于是就產(chǎn)生了地鐵。在地鐵施工之前，采用哪種施工方式是一個(gè)重要的問題，如何在隧道開挖之時(shí)增加斷面強(qiáng)度就成為必須要考慮的前往難題，因此盾構(gòu)機(jī)就出現(xiàn)了，它在初始掘進(jìn)時(shí)反力作用很大，所以反力架的獨(dú)特設(shè)計(jì)就尤為重要。地鐵盾構(gòu)施工中，反力架應(yīng)用廣泛，盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)、過站都需要使用反力架再次始發(fā)。目前，盾構(gòu)法施工已成為城市地下軌道交通和水利工程中不可或缺的施工方法，在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中起著重要的作用，而盾構(gòu)始發(fā)作為盾構(gòu)法施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其順利進(jìn)行關(guān)系著后期盾構(gòu)施工的質(zhì)量。盾構(gòu)始發(fā)時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)新的反力架支撐形式，就能夠取得良好的效果。

1　地鐵盾構(gòu)施工的特點(diǎn)

由于城市中建筑林立、道路交錯(cuò)、地下管線縱橫密布等特殊復(fù)雜環(huán)境，所以城市地鐵盾構(gòu)施工過程中，對(duì)地鐵盾構(gòu)施工提出了極高的要求。盾構(gòu)法施工是一種在施工過程中通過盾構(gòu)鋼殼剛性支護(hù)，前方刀盤開挖掘進(jìn)，并在盾構(gòu)機(jī)尾部進(jìn)行管片拼裝及注漿作業(yè)，最后使用千斤頂反向作用推進(jìn)的施工方法。它的特點(diǎn)就在于以下幾個(gè)方面：

（1）城市的地形異常復(fù)雜，而地鐵路線要保證整個(gè)城市都普及到，所以覆蓋范圍必須要廣，這樣整個(gè)城市的施工就成為一個(gè)巨大的項(xiàng)目，因此地鐵的施工花費(fèi)的時(shí)間就更加的長(zhǎng)，施工技術(shù)就更加的難。

（2）城市地鐵工程屬于地下隱蔽工程，同時(shí)由于城市建設(shè)過程中對(duì)地下土層結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，使得盾構(gòu)施工環(huán)境復(fù)雜多變，施工技術(shù)難度很大。

（3）城市是人們生存的主要環(huán)境，更加是居民生活和進(jìn)行一定的生產(chǎn)活動(dòng)的主要場(chǎng)所，雖然這種盾構(gòu)施工技術(shù)相對(duì)與傳統(tǒng)的施工技術(shù)來說，對(duì)生存的環(huán)境影響比較小，但是也不是說完全沒有任何影響，因?yàn)樗鼘?duì)周邊環(huán)境的影響是整個(gè)建設(shè)過程的監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，必須加以重視。

（4）為了保證人們的出行方便以及人們的正常的生活作息，地鐵站一般選擇靠近市民集中的活動(dòng)區(qū)，這樣更加能夠節(jié)約人們的時(shí)間，和促進(jìn)經(jīng)濟(jì)的繁榮發(fā)展。然而，施工時(shí)地鐵站在生活區(qū)和集中區(qū)的附近，又通常會(huì)作為施工的場(chǎng)所，例如盾構(gòu)進(jìn)出的豎井的所在，因此從這個(gè)方面來說，施工對(duì)周邊環(huán)境影響很大，同時(shí)也給市民生活造成了很大的不便。

它與傳統(tǒng)的施工技術(shù)相比，對(duì)環(huán)境影響小（包括出土量少，對(duì)周圍地層的沉降小，對(duì)周圍構(gòu)造物的影響小；不影響地表交通；對(duì)周圍居民生活影響小）的優(yōu)勢(shì)就顯然易見。另外，這種施工技術(shù)不受地形、地貌、江河水域等地表環(huán)境或天氣條件限制，不會(huì)耽誤施工完成的時(shí)間，節(jié)約了預(yù)算成本，當(dāng)然，其施工自身的成本就相對(duì)較低，進(jìn)步快，可謂是一舉兩得。

2　地鐵盾構(gòu)施工法的現(xiàn)狀

盾構(gòu)施工的先進(jìn)技術(shù)主要掌握在英、法、日、美、德，這些發(fā)達(dá)國家手中。早在1818年，Brurel觀察了蛆蟲腐蛀船底成洞的經(jīng)過得到啟發(fā)，提出了盾構(gòu)工法并且取得專利，即所謂的敞口式手掘盾構(gòu)的原型問世，這是關(guān)于盾構(gòu)施工法最早的記錄。19世紀(jì)末到20世紀(jì)中葉盾構(gòu)工法相繼傳入美國、法國、德國、日本、前蘇聯(lián)及我國，并得以不同程度的發(fā)展。盾構(gòu)是一種既能支承地層的壓力、又能在地層中掘進(jìn)的隧道掘進(jìn)機(jī)械，以盾構(gòu)為核心的一整套完整的建造隧道的施工方法稱為盾構(gòu)工法。

隨著我國城市地鐵開始高速發(fā)展，我國在盾構(gòu)施工技術(shù)方面取得的進(jìn)步顯而易見，但是由于起步晚，發(fā)展慢，因此總的來講，但我國的盾構(gòu)技術(shù)的發(fā)展還存在著不少不足之處，與發(fā)達(dá)國家存在較大的差距，特別是在盾構(gòu)機(jī)的設(shè)計(jì)制造方面。

目前，中國已成為世界上地鐵施工領(lǐng)域中使用盾構(gòu)最多的國家之一，然而在整個(gè)盾構(gòu)施工過程中，始發(fā)階段是施工的關(guān)鍵階段，關(guān)系著整個(gè)盾構(gòu)施工的成敗。而目前，我國的反力架的設(shè)計(jì)，反力架的拆除條件還主要靠經(jīng)驗(yàn)計(jì)算進(jìn)行，反力架的拆除條件也主要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。因此，對(duì)盾構(gòu)施工始發(fā)階段反力架的載荷分布以及變化進(jìn)行了分析，在盾構(gòu)施工中對(duì)反力架的功能與作用進(jìn)行了公平與公正的評(píng)價(jià)，對(duì)今后的施工過程中合理和適時(shí)拆除反力架的舉措提出了一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)和指導(dǎo)，因此這就必要對(duì)反力架在盾構(gòu)始發(fā)期間的應(yīng)力情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的跟蹤監(jiān)測(cè)。

3　反力架結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)始發(fā)反力架的作用是在盾構(gòu)開始的時(shí)候?yàn)榫蜻M(jìn)功能提供反作用力的目的，是由門式框架和若干支撐桿組成的左右對(duì)稱結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)的合理性直接影響著盾構(gòu)開始施工能否成功以及安全的實(shí)行。反力架安設(shè)的軸線和盾構(gòu)始發(fā)架的軸線位置一致，盾構(gòu)反力架主要采用型鋼及厚鋼板兩者組合而行成的，反力架的結(jié)構(gòu)則主要分為主梁部分、支撐部分、預(yù)埋件部分以及鋼環(huán)部分四大方面，四大部分之間的鏈接主要是通過焊接的方式進(jìn)行的（如圖1所示）。

圖1　反力架示意圖

（1）主梁部分

由于在地鐵施工中，一套反力架要滿足多個(gè)斷面多次支撐用，但是由于幾個(gè)斷面的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)都有所不同，因而要反力架的主梁結(jié)構(gòu)要同時(shí)滿足不同的斷面，反力架主梁就必須分為豎梁、橫梁及八字梁部分，反力架豎梁采用兩榀型鋼并行加工焊接而成，橫梁與八字梁采用20mm厚的鋼板焊接成700mm×400mm的矩形結(jié)構(gòu)形式，中間50cm設(shè)置一道肋板，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

（2）支撐部分

反力架支撐采用φ600mm×12mm的鋼管。一頭焊接于主梁上，一頭焊接于預(yù)埋鋼板上。根據(jù)斷面結(jié)構(gòu)可采用斜支撐方式，斜撐數(shù)量2道，鋼管斜撐的斜撐角度為30°。若主梁背后的部分是為墻體，就能夠把鋼管這個(gè)材料直接支撐在墻體上，或一側(cè)結(jié)構(gòu)采用斜支撐方式，一側(cè)結(jié)構(gòu)采用直接支撐墻體上方式，當(dāng)然這是需要由具體結(jié)構(gòu)而來判定的，但無論采用哪種組合方式，都能夠得到廣泛的運(yùn)用。

（3）預(yù)埋件部分

預(yù)埋件說直接一點(diǎn)，其實(shí)是用來固定反力架支承鋼管的用途，它根據(jù)先前計(jì)算出的支承鋼管根部受力度的大小，從而來進(jìn)行預(yù)埋筋和預(yù)埋鋼板的設(shè)置。

（4）鋼環(huán)部分

鋼環(huán)采用上下蓋板，其次焊接成箱型結(jié)構(gòu)，內(nèi)部加鋼板作筋，考慮安裝方便和滿足運(yùn)輸要求，因?yàn)殇摥h(huán)為箱型結(jié)構(gòu)，因而在每個(gè)預(yù)留孔位置進(jìn)行加強(qiáng)，留出孔洞，作為上管片螺栓用具體結(jié)構(gòu)。鋼環(huán)為整個(gè)反力架反力支承的工作面，要求鋼環(huán)工作面平面度不得大于5mm，加工時(shí)要嚴(yán)格控制。

4　反力架的設(shè)計(jì)原則

（1）總的設(shè)計(jì)原則便是讓反力架整體變形達(dá)到最小，滿足盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)反力支承的需要，結(jié)構(gòu)合理，強(qiáng)度和剛度均滿足使用要求，保證盾構(gòu)始發(fā)的安全；

（2）設(shè)計(jì)外形尺寸不得與盾構(gòu)機(jī)各部件"隧道洞口空間"電瓶車通行相互干擾，加工方便，用料節(jié)省，且單件便于運(yùn)輸；

（3）充分結(jié)合本工程盾構(gòu)始發(fā)井的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用地連墻和底板作為反力架支撐受力點(diǎn)，通過合理的節(jié)點(diǎn)連接方式將反力架支撐力充分作用于地連墻及底板。

5　反力架的有限元分析

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，并對(duì)盾構(gòu)機(jī)反力架采用空間板殼元進(jìn)行分析，對(duì)于螺栓的鏈接位置都要采用接觸單元模擬。但是由于反力架的結(jié)構(gòu)和載荷分布均對(duì)稱于其縱剖面的特殊性，所以在策劃時(shí)，需要利用其對(duì)稱性，僅取反力架的一半進(jìn)行數(shù)值分析。建立的反力架模型、荷載與約束情況如圖3所示。反力架單元控制尺寸為60mm，鋼筋混凝土襯砌環(huán)單元控制尺寸為140mm。

圖3　反力架有限元模型圖

在進(jìn)行靜強(qiáng)度分析的時(shí)候，施工的荷載要考慮鋼結(jié)構(gòu)件重力和反向推力兩個(gè)方面，做到全面有效。當(dāng)然，在靜強(qiáng)度的初始計(jì)算中，由于斜撐支點(diǎn)處、鋼環(huán)蓋板及反力架主梁處應(yīng)力大于許用應(yīng)力，因而進(jìn)行了局部加強(qiáng)，使方案更加的完善，計(jì)算結(jié)果更加準(zhǔn)確無誤。

當(dāng)然，盾構(gòu)機(jī)在頂推過程中反力架以根底部支點(diǎn)支撐為轉(zhuǎn)點(diǎn)，要保證反力架小傾斜，必須保證反力架背后支撐能抵抗千斤頂對(duì)轉(zhuǎn)點(diǎn)產(chǎn)生的彎矩，要求支撐強(qiáng)度足夠，才能夠保證一定的穩(wěn)定性。

6　結(jié)語

通過以上的種種分析可知，通過在地鐵施工工程過程中盾構(gòu)施工法的實(shí)際應(yīng)用，就足以證明以上反力架支撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)模式在盾構(gòu)施工中有一定的可行性，這種盾構(gòu)機(jī)反力架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合設(shè)計(jì)要求以及工程實(shí)踐使用要求，反力架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的實(shí)用性，不僅能夠保證施工工程的質(zhì)量和速度，而且成本相對(duì)較低，是一種不錯(cuò)的施工方式，對(duì)今后同類地鐵盾構(gòu)的施工具有較大的理論作用和指導(dǎo)作用，值得借鑒。

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[3]武艷霞.盾構(gòu)機(jī)反力架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].筑路機(jī)械&施工技術(shù)，2009（2）.

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U455.43

A

1673-0038（2015）21-0214-03

2015-5-6

孫晶（1981-），男，中級(jí)工程師，本科，主要從事地鐵土建工程的市場(chǎng)開發(fā)工作。