大直径盾构始发反力架异形支撑受力安全性能分析与实践

吴宗林、李学谦、秦强

（中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，四川 成都 611130）

0 引言

盾构机始发是盾构施工中的关键步骤。在盾构机始发过程中，盾构机位于始发架托架上，通过反力架及其后支撑，为盾构机提供向前推动的支撑，刀盘通过切割围护结构后进入地层开展施工。始发反力架及其后支撑若不能提供足够强大的支撑反力，容易造成盾构始发后姿态发生偏差，造成“头重尾轻”而发生“磕头”现象。反力架的设计合理与否将直接导致盾构始发的成功与否，因此有必要对反力架的结构稳定性进行计算，以保证施工安全、可靠地进行。

目前，国内外众多学者在盾构始发方面进行了研究。阳岢杙等依托天津地铁2 号线工程，深入研究了如何在盾构施工中的始发阶段提高施工速度和安全系数，通过一些细节的把控和调整，让地铁盾构始发技术更具有先进性、科学性、安全性、实用性。王义强等结合沈阳地铁4 号线工程盾构始发施工，介绍了盾构反力架的设计情况，通过受力计算分析各部件受力机理，得到了始发阶段反力架各部件的受力状况及位移情况，确定了始发阶段重点关注部位。张子辛等应用有限元软件SAP2000 对西安某地铁工程特殊反力架的受力变形情况进行分析研究，确保了反力架的稳定性，保证了盾构机成功始发。王凯等为提升隧道专用反力架轻量化水平和降低制造及运输成本，采用PSO 算法对结构进行优化。结果表明优化后减重比例为10.1%，验证了结构优化的有效性。张曜辉等依托郑州某工程，对大坡度段地铁隧道盾构始发工序中反力架的受力情况进行数值模拟，针对大坡度段地铁盾构始发反力架构造设置提出建议。本文采用ABAQUS 有限元软件对反力架异形支撑进行建模计算，分别计算和分析了不同工况下异形支撑反力架的整体受力，对其稳定性进行了验算并通过现场实际施工总结了大直径盾构反力架支撑异形设计、受力计算及反力架现场施工过程中的安全、质量管控的成功经验，可为类似工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

成都地铁19 号线龙桥路站—双流机场T2 航站楼站区间中间风井始发基地，风井结构总长131.6～135.1m，标准段总宽25.9m，扩大段宽32.27m，顶板覆土厚度约为6.9m，底板埋深约28.8～32.74m。根据工程筹划，始发基地两端左、右线均接盾构区间，并提供盾构始发条件，同时中间段设置轨排井及出土孔。区间采用4 台8600mm 海瑞克土压平衡盾构机进行施工，盾构机全长120m，总重1050t。

2 反力架数值建模及分析

2.1 反力架结构

该工程区间盾构始发反力架由两侧立柱、上横梁、下横梁及斜撑共同组成，立柱尺寸为1000mm×710mm。其中Φ720 钢管支撑为斜支撑，HW400×400型钢支撑为水平支撑，端头反力架斜撑的一侧采用三道Φ720，t=12mm 的螺旋钢管进行支撑，另外一侧由于受到主体结构侧墙影响，采用三道Φ720，t=12mm的螺旋钢管支撑在既有风井侧墙上。反力架上下均采用5 根HW400×400 的型钢进行支撑。主体结构施工过程中，在反力架支撑位置预埋钢板，便于后期钢管与钢板焊接，形成整体受力体系。

2.2 反力架及其后支撑受力拟定

根据类似地层总结，盾构始发阶段推力最大值为20000kN。始发阶段盾构推力分为三种，将总推力20000kN 作为基准荷载，第一种工况施加总推力20000kN，第二种为基准总推力的2 倍，第三种为基准总推力的3 倍。反力架验算为基准荷载计算，即第一种工况；第二种、第三种工况用于确定反力架所能承担的最大总推力。

2.3 反力架及其支撑数值建模

利用ABAQUS 有限元对反力架支撑进行三维建模，根据反力架的几何形状和各部件之间的关系，建立反力架有限元模型，根据约束及载荷分布，建立的有限元模型图及网格划分图如图1 所示。

图1 有限元模型图

2.4 模型计算及分析

通过建模，对反力架荷载三维模型进行计算分析。首先在基准荷载作用下得到反力架的Mises 应力分布云图及变形图。

从图2 和图3 可看出，基准荷载作用下，通过基准环向反力架传递的荷载受力较均匀，应力较小，反力架立柱及横梁应力较小，均远小于100MPa 及Q345 屈服应力。

图2 基准荷载作用下反力架整体响应

图3 基准荷载下左下斜撑响应

3 反力架后支撑稳定性验算

反力架斜向支撑截面积：

A

=

π

×（720- 696）/4 =26691mm，

惯性矩：回转半径：

3.1 强度验算

通过建模计算，反力架支撑应力小于100MPa，抗压强度满足要求。

3.2 刚度和稳定性验算

短斜撑的长度

l

=4890mm，长斜撑的长度

l

=12118mm，

查受压构件稳定性系数表得知，

ϕ

= 0.982，

ϕ

=0.920，基准荷载作用下，短斜撑轴力为824.3kN，长斜撑的轴力为748.3kN，由此可知，

构件刚度和稳定性满足要求。

4 反力架实施及效果分析

成都地铁19 号线龙桥路站—双流机场T2 航站楼站区间始发基座及反力架自2020年7月21日进行现场安装，于8月28日安装完成并进行了盾构始发，端头反力架斜撑一侧采用三道Φ720，t=12mm 的螺旋钢管进行支撑，另外一侧由于受到主体结构侧墙影响，采用三道Φ720，t=12mm 的螺旋钢管支撑在既有风井侧墙上。反力架上下均采用5 根HW400×400 的型钢进行支撑。在风井主体结构施工过程中，在反力架支撑位置预埋钢板，便于钢管与钢板焊接，形成整体受力体系。

4.1 始发托架及反力架安装现场控制

在盾构反力架安装前，须按照设计位置、高程进行现场放点。根据施工实践经验，建议盾体刀盘位置抬升4cm，盾尾位置抬升2cm，使盾体保持一个“抬头”趋势进入地层中，防止发生“磕头”现象。在安装反力架和始发基座时，反力架左右偏差在±10mm 之内，高程偏差控制在±5mm 之内。

4.2 始发阶段掘进控制

在盾构始发期间，各组千斤顶应均衡推进，各个方向的千斤顶应对称受力，防止反力架受力不均匀发生偏离设计线路的现象。另外，始发前应在基座轨道上涂抹油脂，减少盾构推进阻力。施工过程中操作手应实时关注掘进数据，使总推力严格控制在基准荷载范围内，减少反力架变形的风险。同时在始发阶段，需要安排专人对反力架的变形进行观察，发现异常须立即停机，对反力架及其后支撑加固后方可继续掘进。

4.3 反力架监测控制

在始发阶段须加强对反力架的监测，特别是反力架的位移监测，通过在反力架顶部、底部各布设3 个监测点、腰部两侧布设2 个监测点，共计8 个监测点对反力架的变形进行观测，通过观测反力架的平面变化最大为6.3mm（向后移动）；高层变化最大为-2.7mm（向底部偏移）。变形量均满足立柱扰度计算要求。

5 结论

本文通过对大直径盾构反力架支撑的数值模拟与理论分析，并通过现场施工实际验证，成体系地研究了反力架在始发阶段不同工况下的受力效果以及现场实际施工过程中的安全管控措施，得到以下结论：

第一，反力架所用的单边斜撑和单边型钢支撑体系在基准荷载作用下强度、刚度和稳定性验算满足施工要求，反力架支撑系统安全、可靠。

第二，盾构始发支撑体系预埋件须在主体结构底板施工期间提前进行预埋，后期通过焊接使反力架及其后支撑与焊接形成整体，确保结构整体受力。

第三，始发阶段，盾构各组千斤顶应均衡推进，各个方向的千斤顶应对称受力，防止反力架受力不均匀发生偏离设计线路事故。