孫晶

（中鐵十一局集團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)的運用研究

孫晶

（中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司湖北武漢430074）

經(jīng)濟持續(xù)高速發(fā)展，城市化進程也日趨加快，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、不可預(yù)見的風(fēng)險因素多，地鐵建設(shè)安全事故時有發(fā)生。本文通過豐富的實測數(shù)據(jù)，對盾構(gòu)施工始發(fā)階段反力架的載荷分布以及變化進行了分析，對地鐵盾構(gòu)施工過程中的反力架進行了數(shù)值分析、現(xiàn)場監(jiān)測和受力分析，對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重要的問題，如何在隧道開挖之時增加斷面強度就成為必須要考慮的前往難題，因此盾構(gòu)機就出現(xiàn)了，它在初始掘進時反力作用很大，所以反力架的獨特設(shè)計就尤為重要。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)，其順利進行關(guān)系著后期盾構(gòu)施工的質(zhì)量。盾構(gòu)始發(fā)時設(shè)計一個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

由于城市中建筑林立、道路交錯、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，前方刀盤開挖掘進，并在盾構(gòu)機尾部進行管片拼裝及注漿作業(yè)，最后使用千斤頂反向作用推進的施工方法。它的特點就在于以下幾個方面：

（1）城市的地形異常復(fù)雜，而地鐵路線要保證整個城市都普及到，所以覆蓋范圍必須要廣，這樣整個城市的施工就成為一個巨大的項目，因此地鐵的施工花費的時間就更加的長，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，同時由于城市建設(shè)過程中對地下土層結(jié)構(gòu)的擾動，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行一定的生產(chǎn)活動的主要場所，雖然這種盾構(gòu)施工技術(shù)相對與傳統(tǒng)的施工技術(shù)來說，對生存的環(huán)境影響比較小，但是也不是說完全沒有任何影響，因為它對周邊環(huán)境的影響是整個建設(shè)過程的監(jiān)測的重點和難點，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區(qū)，這樣更加能夠節(jié)約人們的時間，和促進經(jīng)濟的繁榮發(fā)展。然而，施工時地鐵站在生活區(qū)和集中區(qū)的附近，又通常會作為施工的場所，例如盾構(gòu)進出的豎井的所在，因此從這個方面來說，施工對周邊環(huán)境影響很大，同時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，對環(huán)境影響?。òǔ鐾亮可?，對周圍地層的沉降小，對周圍構(gòu)造物的影響??；不影響地表交通；對周圍居民生活影響?。┑膬?yōu)勢就顯然易見。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，不會耽誤施工完成的時間，節(jié)約了預(yù)算成本，當(dāng)然，其施工自身的成本就相對較低，進步快，可謂是一舉兩得。

2　地鐵盾構(gòu)施工法的現(xiàn)狀

盾構(gòu)施工的先進技術(shù)主要掌握在英、法、日、美、德，這些發(fā)達國家手中。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、又能在地層中掘進的隧道掘進機械，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)達國家存在較大的差距，特別是在盾構(gòu)機的設(shè)計制造方面。

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)系著整個盾構(gòu)施工的成敗。而目前，我國的反力架的設(shè)計，反力架的拆除條件還主要靠經(jīng)驗計算進行，反力架的拆除條件也主要根據(jù)經(jīng)驗進行。因此，對盾構(gòu)施工始發(fā)階段反力架的載荷分布以及變化進行了分析，在盾構(gòu)施工中對反力架的功能與作用進行了公平與公正的評價，對今后的施工過程中合理和適時拆除反力架的舉措提出了一定的實驗依據(jù)和指導(dǎo)，因此這就必要對反力架在盾構(gòu)始發(fā)期間的應(yīng)力情況進行實時的跟蹤監(jiān)測。

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)開始的時候為掘進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稱結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計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斷面多次支撐用，但是由于幾個斷面的結(jié)構(gòu)和設(shè)計都有所不同，因而要反力架的主梁結(jié)構(gòu)要同時滿足不同的斷面，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)計如圖2所示。

圖2　主梁結(jié)構(gòu)設(shè)計

（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用。

（3）預(yù)埋件部分

預(yù)埋件說直接一點，其實是用來固定反力架支承鋼管的用途，它根據(jù)先前計算出的支承鋼管根部受力度的大小，從而來進行預(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輸要求，因為鋼環(huán)為箱型結(jié)構(gòu)，因而在每個預(yù)留孔位置進行加強，留出孔洞，作為上管片螺栓用具體結(jié)構(gòu)。鋼環(huán)為整個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，加工時要嚴格控制。

4　反力架的設(shè)計原則

（1）總的設(shè)計原則便是讓反力架整體變形達到最小，滿足盾構(gòu)機始發(fā)掘進反力支承的需要，結(jié)構(gòu)合理，強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)計外形尺寸不得與盾構(gòu)機各部件"隧道洞口空間"電瓶車通行相互干擾，加工方便，用料節(jié)省，且單件便于運輸；

（3）充分結(jié)合本工程盾構(gòu)始發(fā)井的結(jié)構(gòu)特點，利用地連墻和底板作為反力架支撐受力點，通過合理的節(jié)點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，并對盾構(gòu)機反力架采用空間板殼元進行分析，對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)和載荷分布均對稱于其縱剖面的特殊性，所以在策劃時，需要利用其對稱性，僅取反力架的一半進行數(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

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

當(dāng)然，盾構(gòu)機在頂推過程中反力架以根底部支點支撐為轉(zhuǎn)點，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轉(zhuǎn)點產(chǎn)生的彎矩，要求支撐強度足夠，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)施工法的實際應(yīng)用，就足以證明以上反力架支撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計模式在盾構(gòu)施工中有一定的可行性，這種盾構(gòu)機反力架結(jié)構(gòu)設(shè)計符合設(shè)計要求以及工程實踐使用要求，反力架結(jié)構(gòu)的設(shè)計具有較強的實用性，不僅能夠保證施工工程的質(zhì)量和速度，而且成本相對較低，是一種不錯的施工方式，對今后同類地鐵盾構(gòu)的施工具有較大的理論作用和指導(dǎo)作用，值得借鑒。

[1]周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[2]張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構(gòu)隧道[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3]武艷霞.盾構(gòu)機反力架結(jié)構(gòu)的設(shè)計及應(yīng)用[J].筑路機械&施工技術(shù)，2009（2）.

[4]劉伯巖.盾構(gòu)半環(huán)始發(fā)施工技術(shù)[J].西部探礦工程，2007（11）.

U455.43

A

1673-0038（2015）21-0214-03

2015-5-6

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