既有地鐵站盾構(gòu)機(jī)吊裝結(jié)構(gòu)加固分析

陳磊杰， 劉旭鵬， 席培勝， 杜春雨， 李冰清

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 安徽 合肥 230601； 2.安徽建筑大學(xué) 安徽省城市建設(shè)和地下空間工程技術(shù)研究中心， 安徽 合肥 230601； 3.中鐵隧道局集團(tuán)路橋工程有限公司， 天津 300300)

近年來(lái)，隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，各個(gè)城市先后修建了地鐵。由于盾構(gòu)法掘進(jìn)速度快，不影響地面交通與設(shè)施且施工勞動(dòng)強(qiáng)度低，在地鐵修建過(guò)程中得到了廣泛應(yīng)用。盾構(gòu)機(jī)本身自重大，在掘進(jìn)作業(yè)完成后的吊裝問(wèn)題一直是工程實(shí)際的一大難題。黃威然等[1]結(jié)合廣州3號(hào)線某區(qū)間工程，介紹了300 t盾構(gòu)機(jī)整體吊裝轉(zhuǎn)場(chǎng)通過(guò)地鐵車(chē)站的方法。王志華[2]分析了470 t盾構(gòu)機(jī)整體在出入井吊裝時(shí)對(duì)地鐵車(chē)站主體結(jié)構(gòu)的影響。楊咺等[3]探討了北京市軌道交通5號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)機(jī)吊裝入井技術(shù)和施工安全控制。羅德智等[4]對(duì)盾構(gòu)吊裝之后的運(yùn)輸方案進(jìn)行了研究，并成功進(jìn)行了我國(guó)第一次地鐵盾構(gòu)機(jī)整體運(yùn)輸。李聰?shù)萚5]闡述了一種履帶起重機(jī)在盾構(gòu)吊裝施工中的新工法。羅垠[6]結(jié)合深圳市地鐵3號(hào)線某盾構(gòu)區(qū)間工程，介紹了盾構(gòu)掘進(jìn)完成后盾構(gòu)機(jī)在豎井中吊裝出井的吊裝設(shè)備和機(jī)械的選擇。

以合肥火車(chē)站前廣場(chǎng)盾構(gòu)機(jī)吊裝為例，對(duì)不能滿足吊裝承載力要求的既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行臨時(shí)性加固。結(jié)合工程實(shí)際情況，提出609鋼管加固方案，并通過(guò)軟件模擬結(jié)構(gòu)受力和分析應(yīng)力云圖與位移，驗(yàn)算加固后的結(jié)構(gòu)承載能力，保證盾構(gòu)機(jī)順利出井。

1 工程概況

本文主要研究合肥市軌道交通1號(hào)線三期工程中瑤海公園站至合肥站。從瑤海公園站出來(lái)后，分別下穿勝利北路高架橋(待建)、香江國(guó)際佳元居民樓和合肥站站房，最后到達(dá)合肥站。其中心里程為右線：K16+473.000；左線：K16+533.912。

本區(qū)間擬采用2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)施工，左右線均從瑤海公園南端出發(fā)，到合肥站結(jié)束。結(jié)束區(qū)域位于合肥火車(chē)站站前廣場(chǎng)，地下一層與二層結(jié)構(gòu)分別為火車(chē)地下站廳和軌道交通1號(hào)線區(qū)間隧道，兩結(jié)構(gòu)上下重疊，如圖1所示。

(a) 平面圖

(b) 1-1剖面圖 (c) 2-2剖面圖圖1 站前廣場(chǎng)吊裝井附近結(jié)構(gòu)圖

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至合肥火車(chē)站后，需要從站前廣場(chǎng)的吊裝井吊裝而出。但此區(qū)域?yàn)闊o(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)時(shí)未考慮這些因素，導(dǎo)致無(wú)法承受盾構(gòu)機(jī)吊裝時(shí)所產(chǎn)生的超重荷載。因此需要對(duì)這一區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固并進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

2 荷載計(jì)算

為確保加固后的廣場(chǎng)可以承受吊裝時(shí)的荷載，減小吊裝過(guò)程對(duì)火車(chē)站站前廣場(chǎng)周?chē)煌ǖ挠绊?，需要知道吊裝盾構(gòu)機(jī)各主要單件的荷載大小及確定吊機(jī)的位置。

2.1 盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)

合肥1號(hào)線瑤海公園站至合肥站區(qū)間所用盾構(gòu)機(jī)為鐵建重工復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 鐵建重工土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)

2.2 吊裝作業(yè)

對(duì)于盾構(gòu)吊裝，目前的主要方法為汽車(chē)吊。汽車(chē)吊機(jī)的機(jī)動(dòng)性好，轉(zhuǎn)場(chǎng)速度快，操作難度小。但是，隨著起重量增加，汽車(chē)吊機(jī)自重加大，盾構(gòu)結(jié)構(gòu)容易承受不住。因此，單汽車(chē)吊不是本工程案例的最佳選擇。

考慮到盾構(gòu)設(shè)備的尺寸質(zhì)量和結(jié)構(gòu)承載能力，本次吊裝擬采用先拆卸后分體吊裝的方案。但是盾構(gòu)機(jī)單件最大質(zhì)量仍在100 t左右，若采用單機(jī)起吊，將會(huì)使荷載應(yīng)力集中于一個(gè)區(qū)域，不利于結(jié)構(gòu)承載。采用雙機(jī)吊裝不僅可以減小吊裝產(chǎn)生的應(yīng)力，還可以加快左右線隧道盾構(gòu)機(jī)其他配件的吊裝。擬采用兩臺(tái)QUY150A型液壓履帶式起重機(jī)來(lái)吊裝，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 QUY150液壓履帶式起重機(jī)主要參數(shù)

2.3 荷載計(jì)算

盾構(gòu)機(jī)分體后單件的最大質(zhì)量仍達(dá)約100 t，吊機(jī)的質(zhì)量為150 t，兩臺(tái)吊機(jī)每臺(tái)起重量約為50 t?？紤]到實(shí)際動(dòng)載、風(fēng)荷載及吊具等因素，對(duì)荷載進(jìn)行1.2倍系數(shù)放大。同時(shí)，為減小起吊過(guò)程對(duì)混凝土的損傷，在履帶起重機(jī)底部鋪設(shè)8 m × 3 m × 0.2 m的鋼板。

由公式σ=∑G/∑S得，

[(50+150)×10×1.2]/(8×3)=100 kPa

為方便計(jì)算，可認(rèn)為結(jié)構(gòu)在圖2陰影部分區(qū)域內(nèi)承受100 kPa的均勻荷載，陰影部位是結(jié)構(gòu)吊裝的最不利位置。

圖2 盾構(gòu)機(jī)吊裝荷載作用區(qū)域簡(jiǎn)圖

3 地下既有結(jié)構(gòu)加固方案選擇

3.1 幾種常用的混凝土加固方案

鋼筋混凝土根據(jù)加固方法的不同可以分為兩大類(lèi)：第一類(lèi)為直接加固法，針對(duì)局部構(gòu)件進(jìn)行有效加固，改善結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能，提高構(gòu)件承載力；第二類(lèi)為間接加固法，改變結(jié)構(gòu)的受力體系和受力狀態(tài)，調(diào)整荷載的傳導(dǎo)途徑從而達(dá)到加固的目的。

3.1.1直接加固法

(1)增大截面加固法。增大截面加固法也稱(chēng)為外包混凝土加固法，通過(guò)在原構(gòu)件外側(cè)增加新的受力鋼筋和澆筑新的混凝土來(lái)提高構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性。這種加固法適用范圍較廣，可用于加固混凝土的受彎受壓構(gòu)件。

(2)置換混凝土加固法。置換混凝土加固法適用于承重構(gòu)件受壓區(qū)混凝土的局部加固。即去掉構(gòu)件局部原有的強(qiáng)度不達(dá)標(biāo)或有質(zhì)量缺陷的混凝土，重新澆筑新的高強(qiáng)混凝土。當(dāng)采用本法時(shí)，需對(duì)原構(gòu)件加以有效的支撐，并在施工的過(guò)程中，對(duì)承載狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算、觀測(cè)和控制。

(3)外粘型鋼加固法。外粘型鋼加固法，就是在混凝土柱的四周用型鋼包住的一種加固方法。型鋼所起的作用類(lèi)似于混凝土柱中的箍筋，可以有效地提高混凝土的承載能力。此法在增大結(jié)構(gòu)承載力的同時(shí)，不會(huì)引起剛度較多增加而導(dǎo)致的地震作用增大。

(4)粘貼纖維復(fù)合材料加固法。粘貼纖維復(fù)合材料加固法是將纖維布或板材粘貼于被加固構(gòu)件的表面，利用纖維的高強(qiáng)度和高彈性模量來(lái)達(dá)到提高結(jié)構(gòu)受彎能力的目的。目前常用的增強(qiáng)纖維材料有3種：碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維。

3.1.2 間接加固法

(1)改變受力體系加固。改變受力體系加固法是指通過(guò)增設(shè)支點(diǎn)使結(jié)構(gòu)受力體系得以改變的加固方法。在梁、板增設(shè)支點(diǎn)后，減少了計(jì)算跨度，可以使結(jié)構(gòu)所受的彎矩大幅度減小，并限制梁、板的撓度彎曲，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

(2)鋼絲繩網(wǎng)片-聚合物砂漿外加層加固法。鋼絲繩網(wǎng)片-聚合物砂漿外加層加固法是將鋼絲繩或網(wǎng)片設(shè)于原構(gòu)件的受拉區(qū)域，再在表面涂抹聚合物砂漿，其工作原理與外加混凝土類(lèi)似。由于鋼絲繩是受力主體，將原構(gòu)件的承載力轉(zhuǎn)移至外加鋼筋上，而聚合物又可以很好地將其粘結(jié)在原構(gòu)件上形成整體，可以有效提高原構(gòu)件的承載力和剛度。

3.2 方案選擇

本工程需要加固的是地下一層頂?shù)匿摻罨炷量蚣芙Y(jié)構(gòu)，加固的目的是完成盾構(gòu)吊裝和出井運(yùn)輸這一臨時(shí)目標(biāo)。對(duì)于平時(shí)的人流荷載，原結(jié)構(gòu)完全可以滿足使用要求，因此加固措施在吊裝任務(wù)完成后需要立即拆除且不能對(duì)原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。加固區(qū)域?yàn)楹戏驶疖?chē)站前廣場(chǎng)，屬于大型公共基礎(chǔ)設(shè)施，人流量大，加固施工不允許占用太大場(chǎng)地且施工工期要盡可能短。

結(jié)合本工程特點(diǎn)，決定采取增設(shè)立柱改變?cè)Y(jié)構(gòu)的受力體系來(lái)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固。在立柱的選材中，鋼筋混凝土立柱后期需要破碎混凝土且施工工期久。相比之下，鋼立柱更適合本工程的加固。在眾多的鋼立柱型號(hào)中，發(fā)現(xiàn)609鋼管廣泛用于地鐵基坑施工加固及橋梁臨時(shí)通道加固，成本低，施工方便。609鋼管直徑為609 mm，壁厚16 mm，可通過(guò)固定端和活絡(luò)端節(jié)點(diǎn)調(diào)整高度，節(jié)點(diǎn)間用法蘭盤(pán)螺栓連接?？紤]到本工程地下一層層高7.2 m，選用一節(jié)6 m的固定端與1.45 m的活絡(luò)端(調(diào)節(jié)空間0～0.25 m)進(jìn)行施工。

鋼立柱上部與梁底板細(xì)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。千斤頂提供軸向力，調(diào)整活絡(luò)頭的收縮，使鋼板墊塊與梁底緊密結(jié)合。鋼立柱下部與基礎(chǔ)梁板的細(xì)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。立柱下部通過(guò)螺栓與底部結(jié)構(gòu)相連，防止立柱工作時(shí)滑移。

圖3 鋼立柱與梁交點(diǎn)細(xì)部圖 圖4 鋼立柱與梁板底接觸細(xì)部圖

考慮到結(jié)構(gòu)加固后要滿足盾構(gòu)機(jī)吊裝時(shí)產(chǎn)生的超大荷載，將鋼立柱主要布置于結(jié)構(gòu)跨度較大處與縱橫梁的交點(diǎn)處，如圖5所示。

圖5 鋼立柱加固平面圖

4 加固效果分析

4.1 結(jié)構(gòu)建模

在經(jīng)過(guò)鋼立柱加固后，為分析加固措施是否能有效保證盾構(gòu)機(jī)吊裝的安全性，需對(duì)新結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬與受力分析。采用有限元軟件ABAQUS對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，通過(guò)軟件求解結(jié)果評(píng)價(jià)鋼立柱加固方案的可靠性。

結(jié)合圖2，對(duì)區(qū)域1(橫軸20～22，縱軸P～R)及區(qū)域2(橫軸17～19，縱軸N～Q)建模。查閱施工圖紙，確定結(jié)構(gòu)梁板柱混凝土型號(hào)，再根據(jù)混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范，確定結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

結(jié)構(gòu)主梁截面尺寸為800 mm × 1 200 mm，次梁為700 mm × 900 mm，柱為800 mm × 800 mm，板厚為250 mm和300 mm兩種。模型建完之后對(duì)結(jié)構(gòu)施加荷載和邊界條件，整個(gè)結(jié)構(gòu)上表面承受豎直向下的均布載荷，大小為100 kPa。結(jié)構(gòu)承受自身重力，重力加速度取10 m/s2。兩個(gè)區(qū)域模型，如圖6和圖7所示。

圖6 區(qū)域1模型圖 圖7 區(qū)域2模型圖

4.2 結(jié)果分析

區(qū)域1與區(qū)域2的應(yīng)力云圖和位移，如圖8和圖9所示。兩塊區(qū)域都發(fā)生了豎向變形，區(qū)域1應(yīng)力范圍位于0.24～97.71 MPa之間，豎向位移范圍為0～2.86 mm，結(jié)構(gòu)在X、Y、Z方向上最大位移分別為0.52 mm、0.56 mm、2.86 mm。區(qū)域2應(yīng)力變化位于0.55～86.79 MPa之間，豎向位移范圍為0～2.47 mm。結(jié)構(gòu)在X、Y、Z方向上最大位移分別為0.56 mm、0.58 mm、2.47 mm。

圖8 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析圖

圖9 結(jié)構(gòu)位移分析圖

C40混凝土單軸抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為26.8 MPa,Q235鋼材屈服強(qiáng)度為235 MPa，混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力都遠(yuǎn)小于此限值，結(jié)構(gòu)承載能力滿足使用要求。同時(shí)區(qū)域梁底最大撓度分別為2.86 mm和2.47 mm，豎向位移較小，小于撓度限值8.4 mm，結(jié)構(gòu)變形能滿足正常使用狀態(tài)的要求。由以上分析可知，用鋼立柱加固合肥火車(chē)站站前廣場(chǎng)，可以使得承載能力大幅度提高。在承受吊裝荷載時(shí)，結(jié)構(gòu)變形也在可接受范圍內(nèi)，滿足盾構(gòu)機(jī)吊裝施工安全性要求。因此，本加固方案可行。

5 結(jié) 語(yǔ)

(1)為使結(jié)構(gòu)滿足盾構(gòu)機(jī)出井的吊裝要求，對(duì)比多種混凝土結(jié)構(gòu)加固方法，最終確定采用由609鋼管組裝成的臨時(shí)立柱加固方法，在荷載影響區(qū)域與結(jié)構(gòu)跨度較大處布置臨時(shí)立柱。

(2)臨時(shí)立柱的引入增加了支撐點(diǎn)數(shù)量，減小了結(jié)構(gòu)跨度。借助ABAQUS軟件得到結(jié)構(gòu)受到吊裝荷載時(shí)的應(yīng)力云圖與位移，分析說(shuō)明達(dá)到了施工安全性要求，加固方案有效。

(3)本文只采用了單一的加固方式。在施工過(guò)程中，也可根據(jù)實(shí)際，采用不同加固方式組合的加固方案，使施工更方便，有助于盾構(gòu)機(jī)更快速出井。