1、湖北省路橋集團 【盾構機受力計算及始發結構設計】盾構機受力計算及始發結構設計【內容提要】本文重點從分析盾構機在始發階段的受力入手，設計盾構機的始發設施（始發托架、反力架）及其固定，提出對盾構機掘進參數的控制要求。【關 鍵 詞】隧道、盾構、始發、始發托架、反力架前言隨著技術進步、綜合國力的增強，盾構法越來越多地被國內地鐵界所接受，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。上海地鐵是國內最早采用盾構施工的，且大部分工程都是利用盾構完成的。雖然盾構有許多成功的工程實例，但是使用這種方法也有較大的風險。而且使用盾構，在對洞口進行加固處理的始發階段出問題的概率

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

3、次、過站2次、轉場2次。成都地鐵人-天區間兩臺盾構機在右線始發井各有一次盾構始發起點，總共7次始發，根據每次各100m的始發掘進地段的地質條件和線路平、縱斷面設計，分析盾構機的掘進受力，對于正確設計、固定盾構機的始發設施，合理提出始發階段盾構機掘進參數的控制是十分必要的。圖1線路平面示意圖2盾構機始發階段的受力2.1盾構機始發前的受力始發前盾構機處于+0.6845%變坡點附近，整個盾體支承在始發托架上，盾構主機僅有重力G約3200kN作用在始發托架上，重心距刀盤面約2.7m，刀盤懸臂置于托架前端，托架前端離始發掘進面（圍護結構外側面）約1.8m。始發井盾構始發設計負7環始發，負7環端面靠緊反力

4、架的反力環面，負7環另一端成為30個推力油缸的支撐面，提供掘進支撐反力，盾構機始發前受到始發托架兩個導軌的支撐反力。2.2盾構機的總推力計算根據隧道工程條件，盾構主要參數計算按盾構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。根據招標文件和地質堪察報告按盾頂埋深20 m，地下水位埋深按2m，盾構穿越地層按<4-4>卵石土地層進行核定。2.2.1計算參數管片內徑：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土的側壓力系數：0.2盾構機重量：320t盾構機盾殼長度：

5、8.16m管片外徑：g=6000mm盾構尾部的外徑為：6230mm盾構刀盤直徑為：D 06250mm鋼與土的摩擦系數10.3車輪與鋼軌之間的摩擦系數20.15每一滾刀的容許負荷pr250kN后配套系統G1200t最大推力F：34210kN額定扭矩：4300 kNm脫困扭矩：5200 kNm2.2.2盾構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盾構機總推力計算盾構的總推進力必須大于各種推進阻力的總和，否則盾構無法向前推進。包括盾構外圍與土的摩擦力、盾構

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盾構外殼與土的摩擦力2.2.3.2盾構推進阻力（正面阻力）2.2.3.3由滾刀擠壓產生的阻力n-滾刀數量按正面有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-壓在盾尾內部2環管片的自重2.2.3.5后方臺車的牽引阻力所需最大推力安全系數 結論：根據分項計算推力的安全系數達到1.37，可以滿足掘進的需要；始發時每一個滾刀擠壓產生的負荷按150kN計算，則F3=150*35=5250kN，盾構機在始發井的反力架的承載能力應大于F2+F3+F4+F5=8013

7、.3+5250+118.5+300=13681.8 kN，反力架按承載15000 kN設計。3始發托架的設計3.1始發托架的用途及受力3.1.1始發托架的用途始發托架用于組裝盾構機主體和支撐組裝好的盾構機主體，并且可使盾構機處于理想的預定進發位置（高度、方向）上，確保盾構機始發時掘進穩定，同時始發托架還可以用于盾構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始發托架的受力始發托架受到盾構機的重力、掘進扭矩和管片固定及管片重力。3.2始發托架設計及固定3.2.1 始發托架高度的確定盾構中心線與軌面線的距離為1860mm，軌面線與始發井底板的距離為1590mm，故盾構中心線與始發井

8、底板的距離為1860+1590=3450mm，預留20mm找平高度，設計盾構中心線與始發托架底面的距離（含以后調頭、過站時在托架底部焊接20 mm厚的鋼板）為3450-20-=3430mm。3.2.2始發托架長度的確定設計零環管片進入盾構隧道洞門600mm(在400-800mm范圍內)，反力架的反力環端面距零環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環負環管片。 始發托架的長度=反力環端面距零環管片進入隧道洞門端面的距離(11400mm)-洞門前排水溝的寬度(1000mm)-托架距反力環端面的距離(200mm)=10200mm。3

9、.2.3始發托架導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盾構機重量為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盾構機靜載受力所示：圖3盾構機靜載受力圖3.2.5始發托架結構的確定盾體(前盾)外徑距始發托架底面的距離為3430-3125=305mm,故始發托架底部支撐采用熱軋H型鋼（GB/T 11263-1998）H 250×250材料。兩側的重軌支撐采用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厚鋼板形成箱形結構。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。始發架底架H250×250型鋼之間，中間連接板兩側用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，盾體總重按320t 設計，重軌表面涂抹黃油潤滑，有潤滑鋼對鋼的摩擦系數為0.1,所需要的推力320×0.1=32t。利用兩臺85t千斤頂可實現盾體平

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。3.2.6洞口始發導軌的安裝在圍護結構破除后，盾構始發架端部距離洞口圍巖必然會產生一定的空隙，為保證盾構在始發時不致于因刀盤懸空而產生盾構“叩頭”現象，需要在始發洞內安設洞口始發導軌。安設始發導軌時應在導軌的末端預留足夠的空間，以保證盾構在始發時，不致因安設始發導軌而影響刀盤旋轉。 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根據以上分析設計的始發托架見圖5始發托架主視圖和圖6始發托架俯視圖圖5始發托架主視圖圖6始發托架俯視圖3.2.9始發托架的固定始發托架的水平位置固定原則：在設計隧道轉彎半徑較大時，始發托架的中心在設計隧道中心線盾構機始發點的切線反向延長線上；在設計隧道轉彎半徑較小時，始發托架的中心在盾構機始發點和前八米的設計隧道中心線兩點的反向延長線上。始發托架的中心要與隧道縱曲線平行。始發托架支撐盾構機的兩縱梁（導軌），托架底部需要與始發井

16、底面的預埋鋼板焊接在一起。防止盾構機始發時托架的移動。4反力架的設計4.1反力架的用途 反力架是用來提供盾構機始發時的反力的。4.2橫梁校核反力架的主體結構是采用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反力架結構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底面預埋鋼板焊接,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。基準環采用兩個30mm厚的環型面板,面板之間焊接兩個環型立板,在兩立板之間的圓周上每隔18°均勻焊接30mm厚的筋板?；鶞虱h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。反力環內圈設有K孔，用于管片縱向螺栓經過,管片的螺栓連接數量為10個，通過反力環上的K孔(200×180)連接到鋼環板上，10個螺栓孔均布在反力環面板直徑為=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洞口第一環管片的起始位置、盾構的長度以及盾構刀盤在始發前所能到達的最遠位置確定。在盾構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