新型地鐵盾構機反力支架的設計及有限元分析*

趙俊 楊垂瑋 趙騰飛

摘 ?要：反力支架支撐系統是地鐵施工中為盾構機提供反力的裝置，其設計必須滿足強度、剛度和穩定性的要求。本文結合實際工程，給出一種新型地鐵盾構機反力支架的設計模型，并根據設計建立相應的有限元模型，通過有限元計算分析，驗證新型盾構機反力支架的可靠性，為工程設計人員提供重要的設計依據與指導。

關鍵詞：盾構機;反力支架;有限元;可靠性

中圖分類號：TU37

*基金項目：國家自然科學基金項目（11572147，51568046）;國網安徽省電力有限公司科技項目。

作者簡介：趙俊（1973—），男，中級工程師，研究方向：農業機械設計研發。

通信作者：趙騰飛（1990—），男，博士在讀，研究方向：力學在土木工程中的應用。

反力支架支撐系統的主要作用是為盾構始發掘進提供反向推力，主要包括反力支架本體、反力支架支撐和負環管片，盡管反力支架支撐系統是一個臨時性結構，但是反力支撐系統關系到盾構始發反力支架的安全，在盾構始發期間，盾構必須借助反力支架才能進入地層中[1]。因此，反力支架支撐系統必須具備足夠的強度、剛度和穩定性[2，3]。

在安裝反力支架時，反力支架端面應該與始發基座水平軸垂直，對反力支架固定前應按設計對其進行精確的定位。反力支架現場組裝，在盾構主機與后配套臺車連接之前，進行反力支架的安裝與加固[3]。反力支架安裝前先把其中心線和位置放出，檢查反力支架中心線、托架中心線、隧道中心線三線是否重合。吊放好反力支架后立即對兩個方向的垂直度進行檢查，使垂直度偏差控制在2‰且距離在10mm以內，吊裝后及時對反力支架進行臨時加固。

1 ?新型盾構機的設計模型

根據盾構機工作中的受力，初步確定盾構反力支架立柱截面為箱型截面[4，5]，截面尺寸為700*600*40*20，上下門梁截面為箱型截面，其截面尺寸為700*600*40*20，水平支撐截面為雙工字形截面，其截面尺寸為250*236*13*10，油缸下環向支撐為工字形截面，其截面尺寸為700*350*40*20。盾構反力支架采用Q235鋼材，反力支架通過30個油缸（20組，由單、雙油缸交替布置）均布傳遞，反力支架所承受的總荷載為2000kN，每個油缸傳遞荷載為667kN。

2 ?有限元模型的建立

根據反力支架裝配圖和支撐布置圖建立SOLIDWORKS三維模型，將SOLIDWORKS和ANSYS進行無縫連接，建立對應的有限元模型，通過梁單元對反力支架進行有限元分析，提取相應的應力、變形結果。

3計算結果

通過對有限元模型施加盾構機對應的工作荷載，得到盾構機反力支架的最大應力、構件的軸向應力如圖1所示。

盾構機反力支架整體的結構位移如圖2所示。

通過計算，可以看出，反力支架在最大荷載的作用下，最大等效應力都在240MPa以內，并且主要結構的等效應力都小于200MPa，最大軸向應力為190MPa，小于相應的設計屈服應力205MPa，最大位移為9mm，強度和剛度均滿足設計要求，考慮到鋼材的塑性儲備，并且此工況為盾構機的啟動最大荷載，不是持續荷載，安全性是可以滿足要求。

4 結論

提出了一種新型的盾構機反力支架的設計形式，并建立了新型反力支架的有限元模型，通過數值模擬得到盾構機反力支架在極限荷載工況下的最大等效應力、軸向應力及對應結構整體的變形，通過分析發現新型結構的設計滿足了結構強度、剛度及穩定性的要求，為工程設計提供了參考。

參考文獻：

[1] 李志力，于天明.15.03m超大直徑盾構機反力支架受力分析與安裝技術[J].中國住宅設施，2020（03）：106-107.

[2]王義強.地鐵盾構施工中始發反力支架設計及受力分析[J].價值工程，2020，39（08）：140-142.

[3] 黃斐.盾構始發反力支架結構分析與設計[J].四川水泥，2019（11）：108.

[4] 盾構隧道施工手冊[M]. 人民交通出版社 ， 張鳳祥等編著， 2005.

[5] 盾構法隧道施工技術及應用[M]. 中國建筑工業出版社 ， 周文波編著， 2004.