極寒條件下大直徑盾構(gòu)刀盤焊接保溫棚設(shè)計(jì)及施工工藝

呂勇方

（中鐵十六局集團(tuán)北京軌道交通工程建設(shè)有限公司， 北京 101100）

我國盾構(gòu)技術(shù)隨著城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展而逐漸發(fā)展起來，如今已有多種盾構(gòu)機(jī)適應(yīng)不同的地形，對(duì)于在極寒環(huán)境下的的盾構(gòu)我國采用的技術(shù)較為單一，多數(shù)是對(duì)盾構(gòu)設(shè)備以及局部重要設(shè)備管件的整體保溫[1-5]，對(duì)盾構(gòu)刀盤的保溫涉及較少，極寒環(huán)境下的盾構(gòu)刀盤保溫棚焊接技術(shù)在我國的應(yīng)用并不廣泛，一般情況下只有在北方等靠近俄羅斯的城市在冬季施工時(shí)，才會(huì)考慮盾構(gòu)機(jī)的保溫。因此相關(guān)方面的內(nèi)容國內(nèi)領(lǐng)域涉及較少，只存在相關(guān)的技術(shù)在不同領(lǐng)域中的應(yīng)用等。

本文針對(duì)極寒環(huán)境提出了一種新型保溫棚技術(shù)，通過建造裝配式可拆卸的保溫棚，使盾構(gòu)機(jī)在冬季的低溫環(huán)境下也能夠進(jìn)行組裝，便利性較以往的傳統(tǒng)技術(shù)大大增強(qiáng)，對(duì)今后嚴(yán)寒環(huán)境下盾構(gòu)設(shè)備的組裝具有參考意義。

1 保溫棚及控溫方案設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

本工程位于俄羅斯首都莫斯科地區(qū)，本地區(qū)冬季氣溫平均在零度以下，而刀盤的焊接以及組裝對(duì)溫度的要求在零度以上，因此必須保證盾構(gòu)機(jī)組裝以及部件焊接時(shí)的溫度，由于工期原因，不能等到冬季結(jié)束以后或者氣溫回升，必須在冬季的嚴(yán)寒環(huán)境下完成盾構(gòu)機(jī)的組裝，因此需找到一種保證盾構(gòu)設(shè)備正常組裝的方法。

1.2 保溫棚設(shè)計(jì)

保溫棚整體由鋼桿或者連接構(gòu)件接連接而成剛桁架，各鋼桿的結(jié)點(diǎn)處，利用螺栓，墊片，螺母等零部件，通過不同的連接方式連接，典型的有鋼架頂點(diǎn)處的連接，四桿相交處的連接，兩桿相交處的連接，在各桿件之間連接斜桿增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，整體形狀呈傘狀骨架，側(cè)面的一個(gè)單元結(jié)構(gòu)呈塔形。最后通過設(shè)計(jì)傘狀的保溫棚骨架將大直徑盾構(gòu)機(jī)刀盤以及傳輸設(shè)備覆蓋起來，并在搭接好的鋼架上安裝保溫材料并密封，來達(dá)到封閉保溫的作用。保溫棚所有節(jié)點(diǎn)的連接均使用可拆卸式的連接件，在使用完成后可以對(duì)保溫棚進(jìn)行拆卸，對(duì)鋼構(gòu)件實(shí)現(xiàn)重復(fù)的利用，來達(dá)到節(jié)約材料，降低造價(jià)，節(jié)約成本。保溫棚的具體設(shè)計(jì)以見圖一，圖二。

圖一 保溫棚結(jié)構(gòu)俯視圖

圖二 保溫棚結(jié)構(gòu)正面圖

保溫棚主要由鋼桿以及緊固件的組成。根據(jù)盾構(gòu)刀盤的直徑確定構(gòu)件的長度。當(dāng)保溫棚罩在盾構(gòu)刀盤處，保溫棚的鋼結(jié)構(gòu)主要分為四層，每層均有鋼桿件連接而成，在最頂層的連接由多跟鋼桿成人字形搭接，圍繞盾構(gòu)刀盤一周，所有頂層桿件圍繞圓周連接在一起，在保溫棚的頂點(diǎn)處將各構(gòu)件連接起來，連接成為一個(gè)整體，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；之后每層都用鋼桿連接，各個(gè)桿件之間相互利用，搭接成每一層結(jié)構(gòu)的主體，每層的形狀呈等腰梯形，同樣圍繞盾構(gòu)刀盤一周，連接成整體。最終保溫棚的側(cè)面形狀呈人字形塔狀，骨架呈張開的傘狀，并在每層之間連接兩根斜桿，保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性；在盾體處的保溫棚由三層鋼架結(jié)構(gòu)組成，整體設(shè)計(jì)與盾構(gòu)刀盤處的相同，其最終都會(huì)組成一個(gè)可拆卸的鋼桁架。保溫棚具體設(shè)計(jì)與部件連接見下圖三，圖四。

圖三 圓頂展開

圖四 緊固件連接圖

1.3 棚內(nèi)控溫設(shè)計(jì)

保溫棚內(nèi)的保溫主要是通過加熱源來實(shí)現(xiàn)，利用保溫棚的密封性以及一些監(jiān)測(cè)設(shè)備來保持棚內(nèi)溫度不變。具體設(shè)計(jì)為在保溫棚骨架建立完成后，在骨架上覆蓋一層保溫膜，將保溫棚密封起來后，在棚內(nèi)中部放置兩臺(tái)加熱機(jī)，放置在場(chǎng)地的中部，保持加熱的溫度均勻，并使溫度保持在零度以上適合盾構(gòu)刀盤焊接的溫度；在保溫棚內(nèi)部安裝溫度監(jiān)控設(shè)備如測(cè)溫管等，以及連接電熱機(jī)的控制系統(tǒng)，當(dāng)溫度降低時(shí)，監(jiān)測(cè)儀器檢測(cè)到溫度的變化，并反饋給連接的電熱機(jī)系統(tǒng)，使電熱機(jī)啟動(dòng)，使溫度上升到合適的溫度，當(dāng)溫度過高時(shí)，監(jiān)測(cè)儀器接受信息給電熱機(jī)的電源，關(guān)閉加熱源，使溫度不至于過高，利用此系統(tǒng)來保持保溫棚內(nèi)的溫度始終保持在合適的范圍。

為精確量化指標(biāo)，應(yīng)確保暖棚內(nèi)溫度下降速度不超過2°C/小時(shí)。在暖棚拆除后混凝土與室外溫差不得超過15-20°C。推薦把未來12小時(shí)預(yù)報(bào)溫度的最低值作為室外溫度。作為優(yōu)選，保證加熱器提升速度為每小時(shí)5-7度。同時(shí)，養(yǎng)護(hù)混凝土?xí)r，必須控制其溫度，其變化速度，以及環(huán)境溫度。已得數(shù)據(jù)記入混凝土養(yǎng)護(hù)施工日志中。溫度測(cè)量頻度: 第1天-每3小時(shí)，然后每班-2次。

除了對(duì)混凝土的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，同時(shí)還必須監(jiān)控暖棚內(nèi)底部（在距離混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)0.4m的高度）和頂部的溫度，以及室外溫度。暖棚內(nèi)外溫度與混凝土溫度監(jiān)控應(yīng)同時(shí)進(jìn)行。

1.4 主要材料要求

（1）骨架。本方案所采用骨架材料均為C245等級(jí)的鋼材，截面尺寸主要由以下幾種類型組成：50x50x3,400x10,40x40x3，500x20等，具體根據(jù)保溫棚的結(jié)構(gòu)性能選擇適當(dāng)?shù)慕孛妗?/p>

（2）連接件：螺栓，螺母，墊片。螺母墊片等緊固件采用市場(chǎng)采用的常見材料，具體尺寸以及數(shù)量根據(jù)上圖所示尺寸決定。

（3）保溫材料：而保溫覆蓋膜，作為防潮板聚合物薄膜應(yīng)為不小于100微米厚的布，可以采用涂膠的布，在選擇其聚合物薄膜類型時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮玻璃纖維，聚丙烯或聚乙烯材料。

（4）加熱器：根據(jù)保溫棚的大小選擇適當(dāng)功率的加熱設(shè)備，本方案準(zhǔn)備兩臺(tái)加熱設(shè)備。

（5）溫度監(jiān)測(cè)儀：選擇適當(dāng)?shù)臏囟缺O(jiān)測(cè)設(shè)備，并注意需要能夠?qū)α阆碌牡蜏剡M(jìn)行測(cè)量。

結(jié)構(gòu)主體為鋼桁架結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)件為鋼桿以及連接的緊固件如，螺栓，螺母，墊片等。其中鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)在近年來的發(fā)展也以變得成熟，鋼結(jié)構(gòu)以強(qiáng)度高，相比較于其他材料有重量輕，材料可重復(fù)利用等特點(diǎn)，施工也較為方便，構(gòu)件方便在工廠進(jìn)行預(yù)制或現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行加工，并且施工快，工期較短，在現(xiàn)在的建筑中應(yīng)用較為廣泛，保溫材料也選擇市場(chǎng)常見的保溫塑料等，可以使技術(shù)變得更加可重復(fù)利用，適用性更加廣泛。

2 施工方案

2.1 施工工序

施工準(zhǔn)備階段：在正式施工前，先選定相關(guān)的場(chǎng)地，將無關(guān)的東西清理，確保場(chǎng)地空間；同時(shí)也需要將所用到的相關(guān)材料設(shè)備運(yùn)輸?shù)綀?chǎng)地中，做好備用方案應(yīng)對(duì)可能發(fā)生的不利情況，合理的安排施工人員的施工以及人員的調(diào)度工作，確保施工的正常運(yùn)行。

正式施工階段：在相關(guān)的材料設(shè)備，人員安排以及應(yīng)急方案等安排妥當(dāng)后，開始保溫棚的安裝工作，按照保溫棚的圖紙開始正式組裝保溫棚，等到保溫棚的骨架組裝完成之后，開始在骨架上覆蓋保溫塑料膜，確保密封性后開始對(duì)加熱設(shè)備以及保溫棚開設(shè)檢測(cè)，確保結(jié)構(gòu)的可靠性，加熱設(shè)備以及溫度檢測(cè)設(shè)備能夠正常的運(yùn)行，最后進(jìn)行盾構(gòu)設(shè)備的安裝以及焊接工作。

施工完成階段：在保溫棚安裝完成，設(shè)備正常運(yùn)行以及盾構(gòu)設(shè)備安裝正常進(jìn)行后，對(duì)施工區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保工作的正常進(jìn)行，預(yù)防意外事故的發(fā)生，確保項(xiàng)目順利完成。

2.2 結(jié)構(gòu)施工安裝

本方案主要是保溫棚的結(jié)構(gòu)安裝問題。在安裝保溫棚時(shí)，先從骨架的底部開始安裝，將每一層的桿件用螺栓，螺母，墊片等零部件連接起來，等到每一層的結(jié)構(gòu)安裝完成之后，擰緊連接件，開始上層結(jié)構(gòu)的安裝工作，按照相同的順序完成每一層的安裝工作，最后組裝成一個(gè)完整的骨架。在骨架完成之后在骨架周圍安裝保溫膜，一般以塑料布為材料，最終完成整個(gè)保溫棚的結(jié)構(gòu)。保溫棚結(jié)構(gòu)完成以后可以在棚內(nèi)安裝其他的相關(guān)儀器設(shè)備，等到整體系統(tǒng)施工完成后，溫度保持在適宜的范圍，便可對(duì)盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行組裝等操作。

2.3 施工注意事項(xiàng)

（1）確保人員的安全，始終確保人員安全第一的原則；

（2）施工順序嚴(yán)格按照要求執(zhí)行，確保施工的條理性；

（3）設(shè)備的使用與安裝按照有關(guān)的安全規(guī)范以及正常使用要求使用；

（4）對(duì)保溫棚內(nèi)外的溫度要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保溫度監(jiān)測(cè)儀器的正常運(yùn)行，保證測(cè)量儀器的靈敏性；

（5）保溫棚安裝完成后要對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行檢測(cè)，確保結(jié)構(gòu)的安全性；

（6）要嚴(yán)格遵循相關(guān)的施工安全規(guī)范對(duì)場(chǎng)地施工時(shí)的安全進(jìn)行管理，并要時(shí)時(shí)注意預(yù)防危險(xiǎn)的發(fā)生，做好預(yù)警工作。

3 結(jié)論

大直徑盾構(gòu)刀盤焊接保溫棚設(shè)計(jì)是為了在極寒環(huán)境下，使盾構(gòu)設(shè)備的組裝空間的溫度能夠保持在一定的范圍內(nèi)，使盾構(gòu)設(shè)備的安裝能夠在嚴(yán)寒環(huán)境下順利完成。

根據(jù)位于莫斯科的盾構(gòu)設(shè)備安裝項(xiàng)目，本文提出了一種裝配式的保溫棚結(jié)構(gòu)，利用鋼桿組合連接為鋼桁架結(jié)構(gòu)，即使處在極寒環(huán)境下，也能夠使盾構(gòu)設(shè)備正常安裝，確保工期的正常進(jìn)行。保溫棚的施工方案主要在于其便利性以及可靠性，能夠多次重復(fù)的利用，材料獲取簡單，組裝以及拆卸簡單，只需連接相關(guān)部位的緊固件，便能夠使結(jié)構(gòu)成為一個(gè)整體，對(duì)于損壞的零部件的安裝也較為方便，并且穩(wěn)定性可靠，經(jīng)濟(jì)效益比高。

同時(shí)本文提出的技術(shù)對(duì)類似環(huán)境下的施工也具有一定的參考意義，解決了極寒環(huán)境下大直徑盾構(gòu)刀盤的焊接以及組裝中對(duì)溫度的適應(yīng)等問題，方案可操作性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性高，有一定的發(fā)展前景。