新型地铁盾构机反力支架的设计及有限元分析*

赵俊 杨垂玮 赵腾飞

摘  要：反力支架支撑系统是地铁施工中为盾构机提供反力的装置，其设计必须满足强度、刚度和稳定性的要求。本文结合实际工程，给出一种新型地铁盾构机反力支架的设计模型，并根据设计建立相应的有限元模型，通过有限元计算分析，验证新型盾构机反力支架的可靠性，为工程设计人员提供重要的设计依据与指导。

关键词：盾构机;反力支架;有限元;可靠性

中图分类号：TU37

*基金项目：国家自然科学基金项目（11572147，51568046）;国网安徽省电力有限公司科技项目。

作者简介：赵俊（1973—），男，中级工程师，研究方向：农业机械设计研发。

通信作者：赵腾飞（1990—），男，博士在读，研究方向：力学在土木工程中的应用。

反力支架支撑系统的主要作用是为盾构始发掘进提供反向推力，主要包括反力支架本体、反力支架支撑和负环管片，尽管反力支架支撑系统是一个临时性结构，但是反力支撑系统关系到盾构始发反力支架的安全，在盾构始发期间，盾构必须借助反力支架才能进入地层中[1]。因此，反力支架支撑系统必须具备足够的强度、刚度和稳定性[2，3]。

在安装反力支架时，反力支架端面應该与始发基座水平轴垂直，对反力支架固定前应按设计对其进行精确的定位。反力支架现场组装，在盾构主机与后配套台车连接之前，进行反力支架的安装与加固[3]。反力支架安装前先把其中心线和位置放出，检查反力支架中心线、托架中心线、隧道中心线三线是否重合。吊放好反力支架后立即对两个方向的垂直度进行检查，使垂直度偏差控制在2‰且距离在10mm以内，吊装后及时对反力支架进行临时加固。

1  新型盾构机的设计模型

根据盾构机工作中的受力，初步确定盾构反力支架立柱截面为箱型截面[4，5]，截面尺寸为700*600*40*20，上下门梁截面为箱型截面，其截面尺寸为700*600*40*20，水平支撑截面为双工字形截面，其截面尺寸为250*236*13*10，油缸下环向支撑为工字形截面，其截面尺寸为700*350*40*20。盾构反力支架采用Q235钢材，反力支架通过30个油缸（20组，由单、双油缸交替布置）均布传递，反力支架所承受的总荷载为2000kN，每个油缸传递荷载为667kN。

2  有限元模型的建立

根据反力支架装配图和支撑布置图建立SOLIDWORKS三维模型，将SOLIDWORKS和ANSYS进行无缝连接，建立对应的有限元模型，通过梁单元对反力支架进行有限元分析，提取相应的应力、变形结果。

3计算结果

通过对有限元模型施加盾构机对应的工作荷载，得到盾构机反力支架的最大应力、构件的轴向应力如图1所示。

盾构机反力支架整体的结构位移如图2所示。

通过计算，可以看出，反力支架在最大荷载的作用下，最大等效应力都在240MPa以内，并且主要结构的等效应力都小于200MPa，最大轴向应力为190MPa，小于相应的设计屈服应力205MPa，最大位移为9mm，强度和刚度均满足设计要求，考虑到钢材的塑性储备，并且此工况为盾构机的启动最大荷载，不是持续荷载，安全性是可以满足要求。

4 结论

提出了一种新型的盾构机反力支架的设计形式，并建立了新型反力支架的有限元模型，通过数值模拟得到盾构机反力支架在极限荷载工况下的最大等效应力、轴向应力及对应结构整体的变形，通过分析发现新型结构的设计满足了结构强度、刚度及稳定性的要求，为工程设计提供了参考。

参考文献：

[1] 李志力，于天明.15.03m超大直径盾构机反力支架受力分析与安装技术[J].中国住宅设施，2020（03）：106-107.

[2]王义强.地铁盾构施工中始发反力支架设计及受力分析[J].价值工程，2020，39（08）：140-142.

[3] 黄斐.盾构始发反力支架结构分析与设计[J].四川水泥，2019（11）：108.

[4] 盾构隧道施工手册[M]. 人民交通出版社 ， 张凤祥等编著， 2005.

[5] 盾构法隧道施工技术及应用[M]. 中国建筑工业出版社 ， 周文波编著， 2004.