地铁盾构施工中始发反力架的受力计算分析

摘   要：本文介绍福州地铁5号线浦上大道站～建新南路站区间盾构始发时的盾构反力架受力计算分析，供参考。

关键词：盾构施工；反力架；受力计算

1 工程概况

福州地铁5号线浦～建区间于建新南路站始发，浦上大道站接收，沿金洲南路敷设。线路间距14～16m，左线线路长约921.150m，右线线路长约909.737m。区间隧道纵断面大体呈“V”字坡，区间最大坡度为25‰，覆土厚度约为11.43m～20.23m。区间于里程右DK23+485.315处设置一座联络通道兼泵房，采用冷冻法施工。区间隧道结构所处地层主要为（含泥）中砂<2-5>、粉质粘土<3-1-1>、（含泥）粗中砂<3-3>、（泥质）粉砂<2-4-5>。

盾构机始发时，为防止盾构机姿态发生过大偏差，反力架须为其提供足够的反作用力，确保盾构机零误差进洞。而反力架立柱及横梁支撑为关键受力部件，在始发时需实时检测，以确保盾构始发的安全。因此，在始发前必须对反力架安全性能进行评估。本文结合福州地铁5号线浦上大道站～建新南路站区间盾构始发施工现状，通过受力计算，对反力架稳定性进行论证，进而指导工程实践。

2 理论基础

2.1 力学基础

盾构机始发时，反力架的受力分析依赖于结构力学和材料力学的基本原理。根据静力平衡原理，反力架作为支撑结构，需要在盾构机施加的推力作用下保持整体平衡，避免因受力不均导致结构偏移或失稳。反力架的受力分析关键在于准确计算其受力分布，包括弯矩、剪力和轴力。静力平衡条件确保结构在外力作用下始终维持稳定，以实现盾构机姿态的有效控制，避免施工误差累积。

在建立受力模型时，需要依据力的平衡方程进行分析，以反映盾构机推力传递至反力架立柱及横梁的力学特征。通过力的平衡方程及支撑约束条件，可以合理分配盾构推力至反力架各结构部件，进而建立完整的受力模型。此模型不仅要求考虑反力架立柱和横梁的直接承载力，还需分析推力作用下的应力集中及其在结构横截面上的分布情况，以确保在盾构始发推力作用下的受力稳定性。

2.2 材料力学分析

反力架结构通常采用Q235钢材，主要使用30#H型钢和45#工字钢等结构件。这种材料具有较高的强度和良好的塑性，其屈服应力为235 MPa，是承载安全的主要判定依据。材料的屈服应力决定了构件在不发生塑性变形的情况下能够承受的最大应力，因此，通过对反力架结构的应力分布进行计算，可以确定其在最大应力作用下的安全性。

在结构力学的分析中，惯性矩与弯曲系数是反力架设计的关键参数。惯性矩（I）反映了结构件对抗弯能力的强弱，其计算与反力架横截面的几何特性密切相关；对于Q235钢的30#H型钢，可通过几何尺寸计算得出惯性矩，以评估其在实际施工荷载下的承载能力。对于立柱、横梁等主要受力构件，通常要求其惯性矩足够大，以有效抵抗推力作用下产生的弯矩。弯曲系数（W）是结构抗弯强度的量度，计算时使用截面惯性矩除以截面的最大距离。反力架的弯矩计算一般在下横梁和立柱的支撑处达到峰值，通过计算最大弯矩（Mmax）和弯曲系数，可以确定构件能否满足施工要求。

在盾构施工中，还需分析受力单元在轴向上的稳定性，特别是在推力传递过程中承受较大轴向拉力或压力的部件。Q235钢的材料强度特性和结构设计中的抗剪截面积共同决定了其轴向承载能力。盾构始发时，前后两排H钢的联接螺栓承受着较大的剪切力，因此通常采用焊接增强联接，以提高螺栓的承载能力并减少变形风险。

3 反力架结构形式及受力计算

3.1 反力架结构形式

（1）本工程采用斜撑门式反力架，材料为Q235的30#H型钢，形式详见图1。

（2）反力架安装时，用45#工字钢做为斜撑与隧底预埋板焊接，预埋件为长1450mm，宽1100mm，厚20mm钢板，预埋板焊接有50根φ32mm螺纹钢。下横梁采用5排45#工字钢与隧底支撑，三根45#工字钢焊接在一起使用。安装时反力架中线和盾构机中线重合，保证垂直度。

（3）反力架立柱预埋铁采用尺寸为1100mm×1450mm，厚20mm钢板和50根620mm长的Ф32螺纹钢焊接制作，钢板打孔后和螺纹钢焊接，焊缝高度不小于12mm，焊条采用J502焊条。

3.2 反力架受力计算

3.2.1本项目投入的盾构机带有铰接系统，盾构机的旋转角在±0.3°机身盾尾不会联动旋转，施工过程中为保证自动测量精度，旋转角控制在±0.3°内，因而只计算盾构推力对反力架的影响，不考虑刀盘扭矩对反力架的影响。

3.2.2初始掘进盾构机掘进推力按22000kN计算，负环整环拼装，推力平分在反力架左右两侧立柱及上下横梁上，每侧5500kN，均布在4.538m范围内，最危险处为靠近工作井中央的立柱及斜撑，对其进行计算，计算模型如下：

（1）考虑到始发时，盾构机大部分推力设置在下方，因此单元（2）受到的均布载荷为总载荷的2/3=3666kN，单元（3）受到的均布载荷为总载荷的1/3=1833kN。如图2。

（2）所受弯矩如图3。

结构最大弯矩为Mmax=2354KN·m，位于下横梁与立柱支撑处。

（3）单元（1）～（4）采用5根H钢分两排联接，在立柱内部及八字侧面焊筋板及端面板，端面封板采用Q235的20mm厚钢板，经计算惯性矩I=395026 cm4，

1）单元（1） ～ （4）弯曲系数：

W＝I/ymax＝395026/30＝13167cm3，能承受最大弯矩为Mu=σs×W＝235MPa×13167cm3=3094kN·m>Mmax=2354KN.m，安全系数为1.3，结构安全。

2）所受轴力：

单元⑴～⑷虽然采用5根H钢，但由于前后两排用螺栓联接，而轴向力是由后撑的支反力作用产生，所以计算轴向力是按3根H钢计算，截面积为390cm2，σs＝235MPa，所以后背能承受最大的轴向拉力或压力。

Nmax＝σs×A=9165kN，

单元⑸～⑺为3根H钢，计算结果同上 。

Nmax＝σs×A=9165kN。

盾构反力架轴力计算如图4。

最大轴力出现在单元⑴处，为5427.27kN< Nmax，安全系数为9165kN /5427.27=1.68。

3）立柱预埋铁强度校核：

立柱预埋铁板所受最大拉拔力为5427.27kN，所受最大剪切力为2841kN。

预埋铁板的钢筋截面积S=44*S0=44*804.2mm2=353.84cm2。

立柱预埋铁板能承受的最大拉拔力Nmax=σs×A=8315kN>5427.27kN， 安全系数为8315kN/5427.27kN=1.53，符合要求。

立柱预埋铁板能承受的最大剪切力Tmax=[σs]×A=7076kN>2841kN， 安全系数为7076kN/2841kN=2.49，符合要求。

4）所受挠度：

盾构反力架所受挠度计算图5。结构最大挠度出现在单元3和单元4处，为4.4mm，变形不大，结构安全。

3.2.3考虑到反力架受拉力时，前后两排H钢之间的联接螺栓将承受很大的剪切力，故安装时单元⑴处的前后两排H钢采用焊接联接，以减少联接螺栓所承担的剪切力。经过以上计算反力架结构安全牢固。

4 反力架结构性能评估

在盾构始发阶段，反力架的结构性能评估主要包括安全系数、挠度以及螺栓和焊接强度的分析，旨在确保反力架能够承受施加的推力而不发生破坏或失稳。安全性评估首先需计算结构的安全系数，基于反力架所用Q235钢的屈服应力（235 MPa），通过计算反力架在最大推力作用下的应力值，并将其与屈服应力对比，得出安全系数。安全系数反映了反力架结构在最大载荷下的安全裕度，数值越大，结构的承载能力越强，能更有效地抵抗突发外力。本文计算得出的安全系数表明反力架能满足盾构始发过程中所需的承载要求，确保其在推力作用下不会出现屈服失效。

挠度计算是评估反力架性能的另一个重要环节，主要用于检测结构变形在外力作用下是否保持在可控范围内，避免挠度过大而影响盾构机姿态。盾构始发时，由于推力大部分集中于下横梁，导致该位置的挠度最大，通过材料力学和结构力学分析方法，计算反力架的最大挠度值。该挠度值需小于结构设计规范规定的允许挠度，保证变形控制在合理范围内，确保反力架的稳定性和盾构机的掘进精度。

螺栓连接和焊接强度的分析在评估反力架结构性能中起到关键作用，尤其是反力架两排H型钢之间的联接强度。在盾构始发阶段，推力传递至反力架后会产生较大的剪力和拉力，作用于螺栓联接部位，特别是靠近盾构机的前排H型钢螺栓承受的剪力较大，可能导致局部失稳。为保证整体连接的刚度和稳定性，除螺栓连接外，应加强关键部位的焊接，尤其在承受最大载荷的位置增加焊缝高度和厚度，以降低剪切力对螺栓的影响，避免连接失效。焊接材料需选择适合Q235钢的高强度焊条，通过增加焊接厚度和焊缝长度，使整体联接达到设计强度，进一步提升反力架的抗剪和抗拉性能。

通过对安全系数、挠度、螺栓联接及焊接强度的综合评估，得出反力架在盾构始发阶段具有较高的安全性和稳定性，能够满足盾构施工的结构要求。在实际工程中，评估结果表明，反力架的受力状态良好，未出现明显变形，能够保证盾构始发推力的有效传递和盾构机姿态的稳定性。

5 结语

本研究通过对福州地铁5号线盾构始发反力架的受力计算与分析，验证了反力架结构的稳定性和安全性。使用Q235钢材的30#H型钢和45#工字钢构建的反力架，在盾构机施加的高推力作用下，能够有效维持结构稳定，且挠度控制在允许范围内，确保了盾构机姿态的精确控制。此外，对反力架的螺栓连接和焊接强度进行了充分评估，结果表明，在严苛的工程条件下，所采用的联接技术确保了整体结构的高强度和良好的密封性。始发过程中，对反力架重点受力部位进行测量，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，整体稳定性良好。各部位未出现明显变形和位移，满足盾构始发条件要求，实际应用情况较好。因此，盾构始发阶段的推力安全有效地通过反力架传递，确保了施工的顺利进行，这对类似工程具有重要的参考价值。

参考文献

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