盾構(gòu)機受力計算及始發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、湖北省路橋集團 【盾構(gòu)機受力計算及始發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計】盾構(gòu)機受力計算及始發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計【內(nèi)容提要】本文重點從分析盾構(gòu)機在始發(fā)階段的受力入手，設(shè)計盾構(gòu)機的始發(fā)設(shè)施（始發(fā)托架、反力架）及其固定，提出對盾構(gòu)機掘進參數(shù)的控制要求?！娟P(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)進步、綜合國力的增強，盾構(gòu)法越來越多地被國內(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例，但是使用這種方法也有較大的風(fēng)險。而且使用盾構(gòu)，在對洞口進行加固處理的始發(fā)階段出問題的概率

2、很高，即使是非常有經(jīng)驗的承包商也常會發(fā)生類似事故。本文從盾構(gòu)機在始發(fā)階段的受力入手，設(shè)計盾構(gòu)機的始發(fā)設(shè)施（始發(fā)托架、反力架）及其固定，提出對盾構(gòu)機掘進參數(shù)的控制要求。1工程地質(zhì)情況簡介成都地鐵1號線一期工程盾構(gòu)施工2標，人民北路站至天府廣場站盾構(gòu)區(qū)間，第一臺盾構(gòu)機從始發(fā)井（右線）南端向南始發(fā)掘進，到達天府廣場站調(diào)頭至左線，再從左線向北始發(fā)，到達騾馬市站后盾構(gòu)機過站，到達文武路站后盾構(gòu)機轉(zhuǎn)場，到人民北路站吊出完成左線盾構(gòu)掘進；第二臺盾構(gòu)機從始發(fā)井（右線）北端始發(fā)到達騾馬市站過站，到文武路站轉(zhuǎn)場，到人民北路站吊出完成右線盾構(gòu)掘進，見圖1線路平面示意圖。整個盾構(gòu)區(qū)間左、右線盾構(gòu)吊裝與拆除4次、調(diào)頭1

3、次、過站2次、轉(zhuǎn)場2次。成都地鐵人-天區(qū)間兩臺盾構(gòu)機在右線始發(fā)井各有一次盾構(gòu)始發(fā)起點，總共7次始發(fā)，根據(jù)每次各100m的始發(fā)掘進地段的地質(zhì)條件和線路平、縱斷面設(shè)計，分析盾構(gòu)機的掘進受力，對于正確設(shè)計、固定盾構(gòu)機的始發(fā)設(shè)施，合理提出始發(fā)階段盾構(gòu)機掘進參數(shù)的控制是十分必要的。圖1線路平面示意圖2盾構(gòu)機始發(fā)階段的受力2.1盾構(gòu)機始發(fā)前的受力始發(fā)前盾構(gòu)機處于+0.6845%變坡點附近，整個盾體支承在始發(fā)托架上，盾構(gòu)主機僅有重力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)掘進面（圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)面）約1.8m。始發(fā)井盾構(gòu)始發(fā)設(shè)計負7環(huán)始發(fā)，負7環(huán)端面靠緊反力

4、架的反力環(huán)面，負7環(huán)另一端成為30個推力油缸的支撐面，提供掘進支撐反力，盾構(gòu)機始發(fā)前受到始發(fā)托架兩個導(dǎo)軌的支撐反力。2.2盾構(gòu)機的總推力計算根據(jù)隧道工程條件，盾構(gòu)主要參數(shù)計算按盾構(gòu)在最大土壓和水壓位置進行計算。本標段選擇的計算斷面位置為YCK6+200處。根據(jù)招標文件和地質(zhì)堪察報告按盾頂埋深20 m，地下水位埋深按2m，盾構(gòu)穿越地層按<4-4>卵石土地層進行核定。2.2.1計算參數(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)機重量：320t盾構(gòu)機盾殼長度：

5、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：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 kNm2.2.2盾構(gòu)荷載計算松動圈土壓，見圖2荷載計算簡圖按覆土厚度H0=20m計算Pe1=（-10）H0=（23-10）*20=260kPaPe2=Pe1-60=200 kPa 圖2荷載計算簡圖2.2.3盾構(gòu)機總推力計算盾構(gòu)的總推進力必須大于各種推進阻力的總和，否則盾構(gòu)無法向前推進。包括盾構(gòu)外圍與土的摩擦力、盾構(gòu)

6、推進阻力（正面阻力）、由滾刀擠壓破巖力、管片與盾尾的密封阻力、后方臺車的牽引阻力。2.2.3.1盾構(gòu)外殼與土的摩擦力2.2.3.2盾構(gòu)推進阻力（正面阻力）2.2.3.3由滾刀擠壓產(chǎn)生的阻力n-滾刀數(shù)量按正面有35把計算2.2.3.4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2.2.3.5后方臺車的牽引阻力所需最大推力安全系數(shù) 結(jié)論：根據(jù)分項計算推力的安全系數(shù)達到1.37，可以滿足掘進的需要；始發(fā)時每一個滾刀擠壓產(chǎn)生的負荷按150kN計算，則F3=150*35=5250kN，盾構(gòu)機在始發(fā)井的反力架的承載能力應(yīng)大于F2+F3+F4+F5=8013

7、.3+5250+118.5+300=13681.8 kN，反力架按承載15000 kN設(shè)計。3始發(fā)托架的設(shè)計3.1始發(fā)托架的用途及受力3.1.1始發(fā)托架的用途始發(fā)托架用于組裝盾構(gòu)機主體和支撐組裝好的盾構(gòu)機主體，并且可使盾構(gòu)機處于理想的預(yù)定進發(fā)位置（高度、方向）上，確保盾構(gòu)機始發(fā)時掘進穩(wěn)定，同時始發(fā)托架還可以用于盾構(gòu)機到達吊出井時的接收托架和過站時的橫移、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)機的重力、掘進扭矩和管片固定及管片重力。3.2始發(fā)托架設(shè)計及固定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

8、底板的距離為1860+1590=3450mm，預(yù)留20mm找平高度，設(shè)計盾構(gòu)中心線與始發(fā)托架底面的距離（含以后調(diào)頭、過站時在托架底部焊接20 mm厚的鋼板）為3450-20-=3430mm。3.2.2始發(fā)托架長度的確定設(shè)計零環(huán)管片進入盾構(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)管片進入隧道洞門端面的距離為1500×7+(1500-600)=11400mm,這中間安裝了7環(huán)負環(huán)管片。 始發(fā)托架的長度=反力環(huán)端面距零環(huán)管片進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

9、.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),中盾安裝時用鋁板或銅板墊平,墊平厚度為3125-6240÷2=5mm；后盾安裝時也用鋁板或銅板墊平,墊平厚度為3125-6230÷2=10mm。3.2.4 兩重軌之間夾角的確定設(shè)盾構(gòu)機重量為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ØG= N1 CosØ/2+ N2 CosØ/2=2 N1 CosØ/2N1 Sin Ø/2=

10、N2 SinØ/2故 N1 =G/ 2 CosØ/2 為了使N1 小，CosØ/2 就取大，Ø 角就越小越好。選Ø角為50°。G= 320t, 于是N1 =320/ 2 CoS25°=177t如圖3盾構(gòu)機靜載受力所示：圖3盾構(gòu)機靜載受力圖3.2.5始發(fā)托架結(jié)構(gòu)的確定盾體(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 250×250材料。兩側(cè)的重軌支撐采用3個30mm厚鋼板與H 250×250型鋼一起焊接的方式。3個30

11、mm厚鋼板焊接成的工字形支架橫向焊兩個30mm厚的加強筋板,筋板縱向間隔890mm(即H 250×250型鋼的中心線上);縱向焊兩個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20mm的三角形加強筋板。管片支撐架采用H型鋼150×150材料，焊成三角形與底部支撐（H250×250）一起與盾體底部支架通過兩個30mm厚的法蘭板用M24的高強度螺栓相連。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個部分，縱向從中間一分為二，由兩個30mm厚的

12、鋼板用高強度螺旋連接。橫向分為5個部分，中間由兩個30mm的法蘭板用高強度螺栓相連。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，先把支撐三角架分別與底座端頭用兩個30mm厚鋼板相連，然后把管片墊板用高強度螺栓連到支撐三角架上。始發(fā)架底架H250×250型鋼之間，中間連接板兩側(cè)用14a 槽鋼焊接加強，用兩個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°。 盾體組裝時用千斤頂頂推來實現(xiàn)，盾體總重按320t 設(shè)計，重軌表面涂抹黃油潤滑，有潤滑鋼對鋼的摩擦系數(shù)為0.1,所需要的推力320×0.1=32t。利用兩臺85t千斤頂可實現(xiàn)盾體平

13、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250×250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高強度螺栓固定。3.2.6洞口始發(fā)導(dǎo)軌的安裝在圍護結(jié)構(gòu)破除后，盾構(gòu)始發(fā)架端部距離洞口圍巖必然會產(chǎn)生一定的空隙，為保證盾構(gòu)在始發(fā)時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，不致因安設(shè)始發(fā)導(dǎo)軌而影響刀盤旋轉(zhuǎn)。 3.2.7 重軌支撐強度校核支撐架的工字型支架按H250×250型鋼簡化成簡支梁計算因為每個重軌承受盾體的力為1

14、77t。所以支撐架中的承重加上重軌及其他部件的總量約為200t。支撐架長度以10m 來計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=100×0.5=50kN.m慣性矩 I Z=Ay2dA =1/3×A ×y3=1/3×92.18×12.53 =60013cm4最大彎應(yīng)力max = Mmax·y/ I Z=50kN.m×1.25m/60013

15、5;10-8 m4 =50×103N.m×1.25m/60013×10-8 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)計隧道轉(zhuǎn)彎半徑較大時，始發(fā)托架的中心在設(shè)計隧道中心線盾構(gòu)機始發(fā)點的切線反向延長線上；在設(shè)計隧道轉(zhuǎn)彎半徑較小時，始發(fā)托架的中心在盾構(gòu)機始發(fā)點和前八米的設(shè)計隧道中心線兩點的反向延長線上。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)機的兩縱梁（導(dǎo)軌），托架底部需要與始發(fā)井

16、底面的預(yù)埋鋼板焊接在一起。防止盾構(gòu)機始發(fā)時托架的移動。4反力架的設(shè)計4.1反力架的用途 反力架是用來提供盾構(gòu)機始發(fā)時的反力的。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1000×300，四根承壓梁之間用高強度螺栓連接，反力架總推力按1500t(15000kN)設(shè)計，每根梁承受壓力為375t，以上部橫梁簡化成簡支梁計算：因為橫梁每隔1000mm間距焊兩個30mm厚鋼板增加強度，取中間一段，承受均布載荷P=375t計算，求出反支力RA=RB=1/2P=375t/2=187.5t=1875kN最大彎矩Mmax=1875×0.5=937.5kN.m

17、橫梁截面面積A=300×30×2+30×(1000-60) =46200mm2 =462cm2慣性矩 I Z=Ay2dA =498000cm4最大彎應(yīng)力max = Mmax×y/ I Z =937.5× 103 N.m×0.5m /498000×10-8 m4=94×106 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

18、剪切力。同時也降低反力架提供反力時上竄的力。基準環(huán)采用兩個30mm厚的環(huán)型面板,面板之間焊接兩個環(huán)型立板,在兩立板之間的圓周上每隔18°均勻焊接30mm厚的筋板。基準環(huán)從中間一分為二,分別焊接到兩個20mm厚的鋼板上，焊接板通過M24的高強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，通過反力環(huán)上的K孔(200×180)連接到鋼環(huán)板上，10個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)的長度以及盾構(gòu)刀盤在始發(fā)前所能到達的最遠位置確定。在盾構(gòu)主機與后配套連接之前，開始進行反力架的安裝。安裝時反力架與