盾構(gòu)始發(fā)反力架結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)

黃 斐

（中鐵隧道勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司， 廣州 南沙）

0 前言

目前，盾構(gòu)法施工已成為城市地下軌道交通中不可或缺的施工方法[1][2]。地鐵建設(shè)在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中承擔(dān)非常重要的角色，而盾構(gòu)始發(fā)作為盾構(gòu)法地鐵施工中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其順利進(jìn)行直接影響著盾構(gòu)施工安全及施工質(zhì)量。盾構(gòu)始發(fā)時，需要在盾構(gòu)機(jī)后方設(shè)置一個為盾構(gòu)機(jī)始發(fā)提供反作用力的構(gòu)件，即反力架[3]。在國內(nèi)，盾構(gòu)始發(fā)施工時，反力架的支撐作用位置一般除采用斜撐作用于底板外，還設(shè)置水平支撐作用于中板。以色列特拉維夫紅線地鐵區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)時僅有圍護(hù)結(jié)構(gòu)，車站主體結(jié)構(gòu)尚未施工，與國內(nèi)一般情況有所區(qū)別，本文結(jié)合以色列特拉維夫紅線地鐵項(xiàng)目車站的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一種經(jīng)濟(jì)合理的反力架。

1 工程概況

以色列特拉維夫紅線地鐵項(xiàng)目全長23km，共設(shè)23 座車站，本標(biāo)段工作范圍包括6 座車站及5.5 公里區(qū)間盾構(gòu)隧道，區(qū)間隧道內(nèi)徑為6.5m，外徑為7.2m，管片厚度0.35m。根據(jù)對比分析6 座車站的埋深和水位情況可知，ARLOSOROFF 站的埋深最深及水位最高，盾構(gòu)始發(fā)所需推力最大，為了保證所設(shè)計(jì)的反力架適用于所有車站，按照ARLOSOROFF 站作為輸入條件進(jìn)行反力架設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 材料屬性

反力架所用鋼材等級為歐標(biāo)S355，屈服強(qiáng)度為355N/mm2，極限強(qiáng)度為510N/mm2，彈性模量為210000N/mm2，泊松比為0.3。

2.2 荷載及組合

（1）荷載

反力架在設(shè)計(jì)時，主要承受以下2 種荷載：

a)反力架本身構(gòu)件的結(jié)構(gòu)自重。

b)水平推力：根據(jù)Arlosoroff 車站埋深、水位情況及地質(zhì)參數(shù)進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)推力的計(jì)算，作用在反力架上的總推力（包括盾構(gòu)機(jī)外殼與土的摩擦力，掌子面水土壓力，后備臺車牽引阻力）為25000kN。根據(jù)推進(jìn)油缸布置及油缸推力分布規(guī)律，確定下部油缸組的均布荷載為1450kN/m，兩側(cè)油缸組的均布荷載為971kN/m, 上部油缸組的均布荷載為580kN/m。

（2）荷載組合

按照承載能力極限狀態(tài)（ULS）和正常使用極限狀態(tài)（SLS）兩種極限狀態(tài)進(jìn)行反力架結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形分析。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 構(gòu)件選型：

反力架采用SAP2000 進(jìn)行分析，其構(gòu)件的截面初步選型統(tǒng)計(jì)如圖1 和表1 所示：

圖1：構(gòu)件編號

表1: 結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面初步選型

3.2 計(jì)算模型：

根據(jù)上述反力架各構(gòu)件的截面初步選型，利用SAP2000v20 結(jié)構(gòu)分析軟件，建立如圖2 所示模型，作用在反力架上的水平推力分布如圖3 所示。

圖2：反力架數(shù)值模型

圖3：反力架水平推力分布示意圖

3.3 計(jì)算結(jié)果：

計(jì)算結(jié)果如下所示:

表2：計(jì)算結(jié)果

3.4 數(shù)值分析驗(yàn)算

利用SAP2000 v20 鋼結(jié)構(gòu)校驗(yàn)功能，對結(jié)構(gòu)的截面內(nèi)力、變形及穩(wěn)定性進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖4 及5 所示：

圖4：構(gòu)件考慮穩(wěn)定性后應(yīng)力與抗力比值（P-M Ratio）

圖5：構(gòu)件變形

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，下部橫梁和最下層支撐為最不利位置，下部橫梁應(yīng)力與抗力比值為0.844<0.9，最下層支撐應(yīng)力與抗力比值為0.867<0.9，受力滿足要求。反力架最大變形發(fā)生在下部橫梁中部位置，最大變形為14.1mm，滿足盾構(gòu)始發(fā)變形要求。

4 結(jié)論

根據(jù)上述分析，反力架設(shè)計(jì)可以滿足盾構(gòu)始發(fā)要求。通過本次設(shè)計(jì)，總結(jié)設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：

(1)盾構(gòu)機(jī)始發(fā)反力架設(shè)計(jì)需結(jié)合盾構(gòu)始發(fā)井的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，充分的利用現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，在滿足受力安全的前提下，最大限度地節(jié)約成本。

(2)盾構(gòu)機(jī)始發(fā)過程中，反力架中下部支撐受力大于上部支撐受力，在反力架設(shè)計(jì)時必須注意中、下部支撐設(shè)計(jì)，以保證盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時的安全。

(3)反力架主體最大位移位于下部橫梁位置，設(shè)計(jì)時應(yīng)適當(dāng)加大下部橫梁截面尺寸或在下部橫梁中部后方增加支撐，以控制反力架主體水平變形。