王义强

摘要：结合沈阳地铁4号线望～观区间盾构始发施工现状，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，并利用midas civil有限元软件进行数值分析，得到了始发阶段反力架各部件的受力状况及位移情况，确定了在始发阶段重点关注部位，最后将理论研究及数值模拟结果同始发实际情况进行了比较，其研究成果旨在为以后类似区间盾构始发施工提供指导意见。

Abstract： Combined with the current situation of the initial construction of the shield tunnel in the Wang ～ Guan section of Shenyang Metro Line 4， the design of the shield reaction frame is introduced. The force mechanism of each component is analyzed through the calculation of the force. After analysis， the stress conditions and displacements of the components of the reaction force frame during the starting phase were obtained， and the key areas of concern during the starting phase were determined. Finally， the theoretical research and numerical simulation results were compared with the actual starting conditions. The aim is to provide guidance for the future construction of similar shield tunnels.

关键词：区间盾构;反力架;始发;数值模拟;受力分析

Key words： interval shield;counterforce frame;starting;numerical simulation;mechanical analysis

中图分类号：U455.43                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）08-0140-03

0  引言

目前，盾构法已成为城市地下軌道交通建设中不可或缺的施工方法，在地铁建设领域起着至关重要的作用，而盾构始发作为盾构法施工中的重要环节，其顺利进行成为保证后期盾构施工质量的关键[1]。始发时，为防止盾构机姿态发生过大偏差，反力架须为盾构机提供足够的反作用力，确保盾构机零误差进洞。因此，有必要对反力架安全性能进行评估。本文结合沈阳地铁4号线望～观区间盾构始发工况，通过受力计算及数值模拟分析，对反力架整体稳定性进行论证，进而指导工程实践。

1  工程概况

沈阳地铁4号线望～观区间起于望花屯站止于观泉路站，望花屯站、观泉路站均为岛式站台，主要沿规划路和北大营街由北向南敷设，线路间距13m～15m。沿线主要途经联合物流、森王木业、中国外运、际华3547特种装具有限公司、望花新村小区、水印蓝庭小区等。线路西侧尚有大量地块待开发。

本区间为单洞单线盾构区间，区间右线长度为1611.898m，左线长度为1614.121m，线路为单向坡度，最大坡度为25‰。隧道断面外径为6m，覆土厚度为10.95～21.1m。隧道所在地层以粉质粘土、中粗砂为主，隧道以下以砾砂为主。

2  反力架结构设计及受力计算

2.1 反力架结构形式

反力架作为盾构始发阶段的重要受力构件，它必须能够承受盾构机始发阶段所提供的始发推力，反力架整体结构及各细部构件均要求满足施工生产的强度、刚度、稳定性的要求[2]。

在盾构主机与后配套连接之前，进行反力架的安装。由于反力架为盾构始发时提供反推力，在安装反力架时，反力架端面应与始发托架轴线垂直，以便盾构轴线与隧道设计轴线保持平行。反力架环向连接主要为高强螺栓连接，支撑体系为现场焊接，焊接过程中焊缝应平顺、整齐、均匀，高度满足最薄母材的1.2倍。安装时反力架与车站结构连接部位的间隙要用钢板垫实，并与车站预埋板焊接牢固，以保证反力架脚板有足够的抗压强度。

反力架安装起始里程为DK4+226.162，共拼装10环负环，0环管片进入洞门500mm，反力架示意如图1（a）。

2.2 反力架各部件

反力架主体结构由2根500x600mm的立柱和2根500x600mm的横梁组成，为了使结构整体稳定性更好，在腹板两侧每50cm安装一块肋板。

反力架主体结构立柱由支撑将力传递到车站结构墙与车站底板上，立柱及横梁设11道支撑，采用H45C型钢、140角钢、Q235 钢板等钢材焊接加固。

2.3 反力架受力计算

2.3.1 力学模型

立柱计算高度为5700mm，上下各有两个横梁，计算跨度为5820mm。根据连接形式，以及荷载传递路径可按如图1（b）计算模型设计。

其中：L1、L2、L3、L4杆件与部分负环直接接触。

荷载传递路径分析：盾构机水平推力F→负环管片→反力架→水平支撑、斜撑以及井底、井壁的支座。

2.3.2 荷载取值

计算荷载取盾构机千斤顶推力1500t，计算式简化为均布荷载，平均分配到管片上。管片把荷载传递到反力架上的四个受力区域（如图1（b）所示的L1、L2、L3、L4四个区域）每个区域的Fi为1/4F。

F=1500t×10kN/t=15000kN;

Fi=F/4=3750kN。

2.3.3 力学计算

①立柱、横梁受力计算。

根据以上分析，分别建立横梁、立柱、支撑的计算模型。因为横梁的荷载是传递到立柱和水平支撑上的，故应计算为横梁→立柱→支撑→井壁支座。

1）横梁L1、L2计算

q1=3750/2.71m=1383kN/m，L0=5.82m

2）立柱H1、H2計算

如图3所示，qh即为管片传递的荷载，qh=F3/2.86m=1311kN/m。

3）截面复核

横梁及立柱采用箱式截面，采用工56b双拼工字钢。查询工56b截面系数，Ix=68500cm4，W=2450cm3。

查钢结构设计规范可知：[σ]=235MPa;[τ]=120MPa。故经检验σmax<[σ]，τmax<[τ];柱满足强度设计要求。

②加固支撑受力计算。

按照盾构机千斤顶最大推力1500t计算，后方加固支撑采用原有格构柱焊接于反力架上，格构柱组成为4L140×14角钢组成，截面积440×440mm。反力架加固分布为上、下、左侧各3根格构柱水平支撑于车站结构墙上承受水平受力;右侧采用两道钢围檩以45°角斜撑，上端焊接于反力架上，底端焊接于车站结构预埋板中。斜撑依靠埋置于底板的埋件承受推力。每个预埋件为1000×800×20mm钢板，用于固定钢板的钢筋为A60×40cm×8根。

锚固钢筋采用冲击钻头将底板钻孔40cm深，清空孔内灰尘，保持孔内干燥，灌入植筋胶，插入钢筋。待凝固大于24小时后焊接钢板。

计算结果过程如下：

L140×14角钢横截面积：A1=37.57cm2;

45C工字钢截面积：A2=120.4cm2;

根据国标《钢铁产品牌号标识方法》（GB/T 221-2008）规定[3]，Q235设计抗压强度为235MPa。

3  反力架数值模拟

3.1 计算模型

采用结构有限元midas civil软件进行三维模拟，根据反力架几何形状和各部件之间的关系，建立有限元模型。模型的所有连接点均为固结，把所有的杆件均作为梁单元来考虑[4]。

3.2 计算结果

最大组合应力值及位移值如图5。

由应力云图上可得，在盾构机始发推力作用下，反力架最大受力发生在立柱及横梁中部位置，应力б=173.7MPa<[σ]=235MPa，满足规范要求。

由计算结果可得最大竖向位移发生在立柱中下部位置，位移大小为w=3.424mm，根据《钢结构设计规范》（GB50017-2017）附录[5]取变形允许值f=l/400=14.25mm，变形满足要求。

结论：该结构可以承受1500t的推力。

4  现场反力架实际情况

始发过程中，对反力架重点受力部位进行实测实量[6]，各部位未出现明显变形，各受力构件符合受力计算及有限元模拟结果;沈阳地铁4号线望～观区间在实际盾构始发工况下，反力架横撑最大受力175MPa，立柱最大受力183MPa，立柱最大位移4.8mm，满足规范要求。

5  结论

①作为盾构始发阶段的平衡力系结构，反力架在设计时须综合考虑始发车站的尺寸及盾构机性能参数，从预埋钢板的设置及反力架各部件之间的连接关系出发，确保反力架安装固定牢靠，保证盾构机零误差进洞。②对于该工程的反力架，从计算结果及模拟结果看，反力架立柱及横撑作为关键受力部位，在盾构始发时要实时监测，以确保盾构始发的安全。③在盾构始发推力作用下，该反力架受力安全性能够满足盾构始发要求，反力架最大应力小于屈服要求，最大位移在弹性变形范围内，其整体稳定性较好;实际工况下，也满足了盾构始发过程中的安全作业要求。

参考文献：

[1]何占峰.盾构始发反力架结构设计及应用效果分析[J].水利水电技术，2013（11）：66-70.

[2]左悦.反力架的应用研究及案例分析[J].机械管理开发，2017（2）：35-36.

[3]中华人民共和国国家标准.GB/T 221-2008，钢铁产品牌号标识方法[S].国家质量监督检验检疫总局发布，2000.

[4]祝全兵，李雪.成都地铁火车南站大直径盾构始发反力架安全性能受力分析[J].施工技术，2018年6月（增刊）：791-794.

[5]中华人民共和国国家标准.GB50017-2017，钢结构设计规范[S].中国计划出版社，2017.

[6]高洪吉.9.15m直径盾构始发阶段推力计算及反力架受力分析[J].轨道交通与地下工程，2019，37（4）：121-125.