盾構(gòu)機(jī)受力計(jì)算及始發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、盾構(gòu)機(jī)受力計(jì)算及始發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)【內(nèi)容提要】本文重點(diǎn)從分析盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)階段的受力入手，設(shè)計(jì)盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)設(shè)施（始發(fā)托架、反力架）及其固定，提出對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)的控制要求。【關(guān) 鍵 詞】隧道、盾構(gòu)、始發(fā)、始發(fā)托架、反力架前言隨著技術(shù)進(jìn)步、綜合國(guó)力的增強(qiáng)，盾構(gòu)法越來越多地被國(guó)內(nèi)地鐵界所接受，上海、廣州、南京、北京、深圳、天津、西安、成都、沈陽、杭州、青島等城市都使用這種方法。上海地鐵是國(guó)內(nèi)最早采用盾構(gòu)施工的，且大部分工程都是利用盾構(gòu)完成的。雖然盾構(gòu)有許多成功的工程實(shí)例，但是使用這種方法也有較大的風(fēng)險(xiǎn)。而且使用盾構(gòu)，在對(duì)洞口進(jìn)行加固處理的始發(fā)階段出問題的概率很高，即使是非常有經(jīng)驗(yàn)的承包商也常會(huì)發(fā)生類似事故

2、。本文從盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)階段的受力入手，設(shè)計(jì)盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)設(shè)施（始發(fā)托架、反力架）及其固定，提出對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)的控制要求。1工程地質(zhì)情況簡(jiǎn)介成都地鐵1號(hào)線一期工程盾構(gòu)施工2標(biāo)，人民北路站至天府廣場(chǎng)站盾構(gòu)區(qū)間，第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)從始發(fā)井（右線）南端向南始發(fā)掘進(jìn)，到達(dá)天府廣場(chǎng)站調(diào)頭至左線，再從左線向北始發(fā)，到達(dá)騾馬市站后盾構(gòu)機(jī)過站，到達(dá)文武路站后盾構(gòu)機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)，到人民北路站吊出完成左線盾構(gòu)掘進(jìn)；第二臺(tái)盾構(gòu)機(jī)從始發(fā)井（右線）北端始發(fā)到達(dá)騾馬市站過站，到文武路站轉(zhuǎn)場(chǎng)，到人民北路站吊出完成右線盾構(gòu)掘進(jìn)，見圖1線路平面示意圖。整個(gè)盾構(gòu)區(qū)間左、右線盾構(gòu)吊裝與拆除4次、調(diào)頭1次、過站2次、轉(zhuǎn)場(chǎng)2次。成都地鐵人-天區(qū)間兩臺(tái)盾

3、構(gòu)機(jī)在右線始發(fā)井各有一次盾構(gòu)始發(fā)起點(diǎn)，總共7次始發(fā)，根據(jù)每次各100m的始發(fā)掘進(jìn)地段的地質(zhì)條件和線路平、縱斷面設(shè)計(jì)，分析盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)受力，對(duì)于正確設(shè)計(jì)、固定盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)設(shè)施，合理提出始發(fā)階段盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)的控制是十分必要的。圖1線路平面示意圖2盾構(gòu)機(jī)始發(fā)階段的受力2.1盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前的受力始發(fā)前盾構(gòu)機(jī)處于+0.6845%變坡點(diǎn)附近，整個(gè)盾體支承在始發(fā)托架上，盾構(gòu)主機(jī)僅有重力G約3200kN作用在始發(fā)托架上，重心距刀盤面約2.7m，刀盤懸臂置于托架前端，托架前端離始發(fā)掘進(jìn)面（圍護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)面）約1.8m。始發(fā)井盾構(gòu)始發(fā)設(shè)計(jì)負(fù)7環(huán)始發(fā)，負(fù)7環(huán)端面靠緊反力架的反力環(huán)面，負(fù)7環(huán)另一端成為30個(gè)推力油缸的支

4、撐面，提供掘進(jìn)支撐反力，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前受到始發(fā)托架兩個(gè)導(dǎo)軌的支撐反力。2.2盾構(gòu)機(jī)的總推力計(jì)算根據(jù)隧道工程條件，盾構(gòu)主要參數(shù)計(jì)算按盾構(gòu)在最大土壓和水壓位置進(jìn)行計(jì)算。本標(biāo)段選擇的計(jì)算斷面位置為YCK6+200處。根據(jù)招標(biāo)文件和地質(zhì)堪察報(bào)告按盾頂埋深20 m，地下水位埋深按2m，盾構(gòu)穿越地層按卵石土地層進(jìn)行核定。計(jì)算參數(shù)管片內(nèi)徑：5400mm管片外徑：6000mm管片厚度：300mm管片寬度：1500mm覆土厚度：20m水頭壓力：180kPa土容重：23kN/m3土的側(cè)壓力系數(shù)：0.2盾構(gòu)機(jī)重量：320t盾構(gòu)機(jī)盾殼長(zhǎng)度：8.16m管片外徑：g=6000mm盾構(gòu)尾部的外徑為：6230mm盾構(gòu)刀盤直徑為

5、：D 06250mm鋼與土的摩擦系數(shù)10.3車輪與鋼軌之間的摩擦系數(shù)20.15每一滾刀的容許負(fù)荷pr250kN后配套系統(tǒng)G1200t最大推力F：34210kN額定扭矩：4300 kNm脫困扭矩：5200 kNm盾構(gòu)荷載計(jì)算松動(dòng)圈土壓，見圖2荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖按覆土厚度H0=20m計(jì)算Pe1=（-10）H0=（23-10）*20=260kPaPe2=Pe1-60=200 kPa 圖2荷載計(jì)算簡(jiǎn)圖盾構(gòu)機(jī)總推力計(jì)算盾構(gòu)的總推進(jìn)力必須大于各種推進(jìn)阻力的總和，否則盾構(gòu)無法向前推進(jìn)。包括盾構(gòu)外圍與土的摩擦力、盾構(gòu)推進(jìn)阻力（正面阻力）、由滾刀擠壓破巖力、管片與盾尾的密封阻力、后方臺(tái)車的牽引阻力。.1盾構(gòu)外殼與土的

6、摩擦力.2盾構(gòu)推進(jìn)阻力（正面阻力）.3由滾刀擠壓產(chǎn)生的阻力n-滾刀數(shù)量按正面有35把計(jì)算.4管片與盾尾的密封阻力MC-管件與鋼板刷之間的摩擦阻力，取0.3WS-壓在盾尾內(nèi)部2環(huán)管片的自重.5后方臺(tái)車的牽引阻力所需最大推力安全系數(shù) 結(jié)論：根據(jù)分項(xiàng)計(jì)算推力的安全系數(shù)達(dá)到1.37，可以滿足掘進(jìn)的需要；始發(fā)時(shí)每一個(gè)滾刀擠壓產(chǎn)生的負(fù)荷按150kN計(jì)算，則F3=150*35=5250kN，盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)井的反力架的承載能力應(yīng)大于F2+F3+F4+F5=8013.3+5250+118.5+300=13681.8 kN，反力架按承載15000 kN設(shè)計(jì)。3始發(fā)托架的設(shè)計(jì)3.1始發(fā)托架的用途及受力3.1.1始發(fā)托

7、架的用途始發(fā)托架用于組裝盾構(gòu)機(jī)主體和支撐組裝好的盾構(gòu)機(jī)主體，并且可使盾構(gòu)機(jī)處于理想的預(yù)定進(jìn)發(fā)位置（高度、方向）上，確保盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)掘進(jìn)穩(wěn)定，同時(shí)始發(fā)托架還可以用于盾構(gòu)機(jī)到達(dá)吊出井時(shí)的接收托架和過站時(shí)的橫移、縱移托架。3.1.2始發(fā)托架的受力始發(fā)托架受到盾構(gòu)機(jī)的重力、掘進(jìn)扭矩和管片固定及管片重力。3.2始發(fā)托架設(shè)計(jì)及固定3.2.1 始發(fā)托架高度的確定盾構(gòu)中心線與軌面線的距離為1860mm，軌面線與始發(fā)井底板的距離為1590mm，故盾構(gòu)中心線與始發(fā)井底板的距離為1860+1590=3450mm，預(yù)留20mm找平高度，設(shè)計(jì)盾構(gòu)中心線與始發(fā)托架底面的距離（含以后調(diào)頭、過站時(shí)在托架底部焊接20 mm厚的

8、鋼板）為3450-20-=3430mm。3.2.2始發(fā)托架長(zhǎng)度的確定設(shè)計(jì)零環(huán)管片進(jìn)入盾構(gòu)隧道洞門600mm(在400-800mm范圍內(nèi))，反力架的反力環(huán)端面距零環(huán)管片進(jìn)入隧道洞門端面的距離為15007+(1500-600)=11400mm,這中間安裝了7環(huán)負(fù)環(huán)管片。 始發(fā)托架的長(zhǎng)度=反力環(huán)端面距零環(huán)管片進(jìn)入隧道洞門端面的距離(11400mm)-洞門前排水溝的寬度(1000mm)-托架距反力環(huán)端面的距離(200mm)=10200mm。3.2.3始發(fā)托架導(dǎo)軌的確定盾體支撐采用43kg/m重軌，重軌截面中心線過盾體中心,并且垂直于軌面,軌面距盾體中心R3125(即前盾外徑尺寸6250的一半),中盾安

9、裝時(shí)用鋁板或銅板墊平,墊平厚度為3125-62402=5mm；后盾安裝時(shí)也用鋁板或銅板墊平,墊平厚度為3125-62302=10mm。3.2.4 兩重軌之間夾角的確定設(shè)盾構(gòu)機(jī)重量為G ，重軌給盾體的支撐力為N1,N2,截面受力分析如下，設(shè)兩重軌界面中心線過圓心的夾角為G= N1 Cos/2+ N2 Cos/2=2 N1 Cos/2N1 Sin /2= N2 Sin/2故 N1 =G/ 2 Cos/2 為了使N1 小，Cos/2 就取大， 角就越小越好。選角為50。G= 320t, 于是N1 =320/ 2 CoS25=177t如圖3盾構(gòu)機(jī)靜載受力所示：圖3盾構(gòu)機(jī)靜載受力圖始發(fā)托架結(jié)構(gòu)的確定盾體

10、(前盾)外徑距始發(fā)托架底面的距離為3430-3125=305mm,故始發(fā)托架底部支撐采用熱軋H型鋼（GB/T 11263-1998）H 250250材料。兩側(cè)的重軌支撐采用3個(gè)30mm厚鋼板與H 250250型鋼一起焊接的方式。3個(gè)30mm厚鋼板焊接成的工字形支架橫向焊兩個(gè)30mm厚的加強(qiáng)筋板,筋板縱向間隔890mm(即H 250250型鋼的中心線上);縱向焊兩個(gè)20mm厚鋼板形成箱形結(jié)構(gòu)。重軌焊接到連接板的表面,連接板通過高強(qiáng)度螺栓與工字形支架連接，在重軌縱向的方向上每隔500mm焊兩個(gè)20mm的三角形加強(qiáng)筋板。管片支撐架采用H型鋼150150材料，焊成三角形與底部支撐（H250250）一起

11、與盾體底部支架通過兩個(gè)30mm厚的法蘭板用M24的高強(qiáng)度螺栓相連。管片支撐架的支撐面與管片之間有200mm的距離，中間通過木楔子撐緊。始發(fā)托架主體分為10個(gè)部分，縱向從中間一分為二，由兩個(gè)30mm厚的鋼板用高強(qiáng)度螺旋連接。橫向分為5個(gè)部分，中間由兩個(gè)30mm的法蘭板用高強(qiáng)度螺栓相連。等主體連接好后，將重軌及連接板與主體栓接。管片支架安裝時(shí)，先把支撐三角架分別與底座端頭用兩個(gè)30mm厚鋼板相連，然后把管片墊板用高強(qiáng)度螺栓連到支撐三角架上。始發(fā)架底架H250250型鋼之間，中間連接板兩側(cè)用14a 槽鋼焊接加強(qiáng)，用兩個(gè)14a 槽鋼斜撐焊接在重軌支架底部與中間槽鋼下方，斜撐縱向夾角55。 盾體組裝時(shí)用

12、千斤頂頂推來實(shí)現(xiàn)，盾體總重按320t 設(shè)計(jì)，重軌表面涂抹黃油潤(rùn)滑，有潤(rùn)滑鋼對(duì)鋼的摩擦系數(shù)為0.1,所需要的推力3200.1=32t。利用兩臺(tái)85t千斤頂可實(shí)現(xiàn)盾體平移組裝。千斤頂擋板采用30mm厚鋼板焊接成L型，后面加一支撐的方式。千斤頂擋板支架采用H型鋼250250材料，與底部支撐H型鋼栓接在一起。千斤擋板與擋板支架間用M24高強(qiáng)度螺栓固定。洞口始發(fā)導(dǎo)軌的安裝在圍護(hù)結(jié)構(gòu)破除后，盾構(gòu)始發(fā)架端部距離洞口圍巖必然會(huì)產(chǎn)生一定的空隙，為保證盾構(gòu)在始發(fā)時(shí)不致于因刀盤懸空而產(chǎn)生盾構(gòu)“叩頭”現(xiàn)象，需要在始發(fā)洞內(nèi)安設(shè)洞口始發(fā)導(dǎo)軌。安設(shè)始發(fā)導(dǎo)軌時(shí)應(yīng)在導(dǎo)軌的末端預(yù)留足夠的空間，以保證盾構(gòu)在始發(fā)時(shí)，不致因安設(shè)始發(fā)導(dǎo)

13、軌而影響刀盤旋轉(zhuǎn)。 3.2.7 重軌支撐強(qiáng)度校核支撐架的工字型支架按H250250型鋼簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)支梁計(jì)算因?yàn)槊總€(gè)重軌承受盾體的力為177t。所以支撐架中的承重加上重軌及其他部件的總量約為200t。支撐架長(zhǎng)度以10m 來計(jì)算每米支承架的承受力P=200t/10=20t=200kN(1t=10kN)受力見圖4支撐架的剪力圖彎矩圖：支反力RA=RB=P/2=200kN/2=100kN最大變距在距兩端500m處。Mmax=RA 0.5=1000.5=50kN.m慣性矩 I Z=Ay2dA =1/3A y3=1/392.1812.53 =60013cm4最大彎應(yīng)力max = Mmaxy/ I Z=50kN

14、.m1.25m/6001310-8 m4 =50103N.m1.25m/6001310-8 m4=104MPa 故滿足要求圖4支撐架的剪力和彎矩圖3.2.8根據(jù)以上分析設(shè)計(jì)的始發(fā)托架見圖5始發(fā)托架主視圖和圖6始發(fā)托架俯視圖圖5始發(fā)托架主視圖圖6始發(fā)托架俯視圖3.2.9始發(fā)托架的固定始發(fā)托架的水平位置固定原則：在設(shè)計(jì)隧道轉(zhuǎn)彎半徑較大時(shí)，始發(fā)托架的中心在設(shè)計(jì)隧道中心線盾構(gòu)機(jī)始發(fā)點(diǎn)的切線反向延長(zhǎng)線上；在設(shè)計(jì)隧道轉(zhuǎn)彎半徑較小時(shí)，始發(fā)托架的中心在盾構(gòu)機(jī)始發(fā)點(diǎn)和前八米的設(shè)計(jì)隧道中心線兩點(diǎn)的反向延長(zhǎng)線上。始發(fā)托架的中心要與隧道縱曲線平行。始發(fā)托架支撐盾構(gòu)機(jī)的兩縱梁（導(dǎo)軌），托架底部需要與始發(fā)井底面的預(yù)埋鋼板

15、焊接在一起。防止盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)托架的移動(dòng)。4反力架的設(shè)計(jì)4.1反力架的用途 反力架是用來提供盾構(gòu)機(jī)始發(fā)時(shí)的反力的。4.2橫梁校核反力架的主體結(jié)構(gòu)是采用30mm厚的鋼板焊接成H型鋼，截面尺寸為1000300，四根承壓梁之間用高強(qiáng)度螺栓連接，反力架總推力按1500t(15000kN)設(shè)計(jì)，每根梁承受壓力為375t，以上部橫梁簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)支梁計(jì)算：因?yàn)闄M梁每隔1000mm間距焊兩個(gè)30mm厚鋼板增加強(qiáng)度，取中間一段，承受均布載荷P=375t計(jì)算，求出反支力RA=RB=1/2P=375t/2=187.5t=1875kN最大彎矩Mmax=18750.5=937.5kN.m橫梁截面面積A=300302+30(1

16、000-60) =46200mm2 =462cm2慣性矩 I Z=Ay2dA =498000cm4最大彎應(yīng)力max = Mmaxy/ I Z =937.5 103 N.m0.5m /49800010-8 m4=94106 N/m2 =94MPa 故滿足要求4.3反力架結(jié)構(gòu)的確定反力架豎梁下方部位用M24的高強(qiáng)度螺栓通過法蘭盤連接，橫梁豎梁斜梁之間通過M24螺栓連接。反力架豎梁底部鋼板與始發(fā)底面預(yù)埋鋼板焊接,并在底部鋼板后面焊上20mm厚的鋼板（或三角形立筋）消除剪切力。同時(shí)也降低反力架提供反力時(shí)上竄的力?；鶞?zhǔn)環(huán)采用兩個(gè)30mm厚的環(huán)型面板,面板之間焊接兩個(gè)環(huán)型立板,在兩立板之間的圓周上每隔18

17、均勻焊接30mm厚的筋板?；鶞?zhǔn)環(huán)從中間一分為二,分別焊接到兩個(gè)20mm厚的鋼板上，焊接板通過M24的高強(qiáng)度螺栓連接到反力架上,反力環(huán)與反力架的中間部位通過八個(gè)30mm厚的鋼板用螺栓壓緊。反力環(huán)內(nèi)圈設(shè)有K孔，用于管片縱向螺栓經(jīng)過,管片的螺栓連接數(shù)量為10個(gè)，通過反力環(huán)上的K孔(200180)連接到鋼環(huán)板上，10個(gè)螺栓孔均布在反力環(huán)面板直徑為=5640mm的圓上。4.4反力架的安裝及固定反力架的位置確定主要依據(jù)洞口第一環(huán)管片的起始位置、盾構(gòu)的長(zhǎng)度以及盾構(gòu)刀盤在始發(fā)前所能到達(dá)的最遠(yuǎn)位置確定。在盾構(gòu)主機(jī)與后配套連接之前，開始進(jìn)行反力架的安裝。安裝時(shí)反力架與車站結(jié)構(gòu)連接部位的間隙要墊實(shí)，以保證反力架腳板有足夠的抗壓強(qiáng)度。 由于反力架和始發(fā)托架為盾構(gòu)始發(fā)時(shí)提供初始的推力以及初始的空間姿態(tài)，在安裝反力架和始發(fā)托架時(shí)，反力架左右偏差控制在10mm之內(nèi)，高程偏差控制在5mm之內(nèi)，上下偏差控制在10mm之內(nèi)。始發(fā)托架水平軸線的垂直方向與反力架的夾角2，盾構(gòu)姿態(tài)與設(shè)計(jì)軸線豎直趨勢(shì)偏差2，水平趨勢(shì)偏差3。反力架豎梁后面留有48個(gè)螺栓孔,用于支撐連接。 支撐采用鋼管材料，鋼管外徑600mm，壁厚14mm。鋼管中間部位焊接環(huán)形鋼板增加抗彎強(qiáng)度,在環(huán)形鋼板與鋼管之間焊接三角形筋板加強(qiáng)，焊接管縱向焊縫為V形坡口,鋼管兩頭焊接30m