小場地大體積盾構(gòu)機(jī)吊裝施工技術(shù)研究

楊益英

(中鐵十八局集團(tuán)第三工程有限公司，河北 涿州 070350)

1 工程概況

西安地鐵八號線工程施工總承包2標(biāo)段項(xiàng)目，包含堡子村站、楊家莊站—堡子村站區(qū)間、堡子村站—廣泰門站區(qū)間、環(huán)園中路停車場出入場線區(qū)間(包含出入場線—楊家莊站區(qū)間、出入場線—堡子村站區(qū)間)的土建施工。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，根據(jù)籌劃，本標(biāo)段共采用3臺土壓平衡盾構(gòu)機(jī)：楊家莊站—堡子村站—廣泰門站區(qū)間擬使用兩臺盾構(gòu)機(jī)(DL275、中鐵工業(yè)405)，環(huán)園中路停車場出入場線區(qū)間擬使用一臺盾構(gòu)機(jī)(中鐵工業(yè)406)。

2 施工總體施工方案

根據(jù)本標(biāo)段地質(zhì)詳勘及本標(biāo)段地質(zhì)縱剖面圖，盾構(gòu)主要穿越地層有③-2古土壤、③-3粉質(zhì)黏土、④-1老黃土，F(xiàn)5地裂縫帶采用暗挖法開挖，盾構(gòu)空推通過，其余部分采用盾構(gòu)掘進(jìn)施工。本標(biāo)段盾構(gòu)區(qū)間采用2臺中鐵科工土壓式盾構(gòu)機(jī)(中鐵工業(yè)405和中鐵工業(yè)406)和1臺鐵建重工土壓式盾構(gòu)機(jī)(DL275)。先由楊家莊站東端頭始發(fā)。其中DL275盾構(gòu)右線始發(fā)，掘進(jìn)至堡楊明挖區(qū)間西端頭后，吊拆轉(zhuǎn)場至堡子村站東端頭二次始發(fā)，繼續(xù)向東掘進(jìn)至暗挖隧道后空推過站，于廣泰門站北端頭接收；中鐵工業(yè)405盾構(gòu)左線始發(fā)，掘進(jìn)至堡子村站西端頭后，吊拆轉(zhuǎn)場至堡子村站東端頭二次始發(fā)，繼續(xù)向東掘進(jìn)至暗挖隧道后空推過站，于廣泰門站北端頭接收；中鐵工業(yè)406盾構(gòu)在出入場線始發(fā)井左線始發(fā)，掘進(jìn)至楊家莊站東端頭接收轉(zhuǎn)場至始發(fā)井后二次始發(fā)右線，掘進(jìn)至出入場線吊出井后拆解吊出?？傮w施工方案籌劃見圖1。

圖1 總體施工方案籌劃

本標(biāo)段3臺盾構(gòu)機(jī)共6次下井、6次出井，均采用500t、300t兩臺汽車吊配合完成吊裝下井及出井作業(yè)，現(xiàn)場過站采用2臺全液壓平板車進(jìn)行倒運(yùn)轉(zhuǎn)場及最后存放現(xiàn)場的運(yùn)輸。

a.汽車吊吊裝、吊拆工藝。根據(jù)現(xiàn)場勘察結(jié)果及盾構(gòu)機(jī)吊裝、吊拆工期整體安排，計(jì)劃3臺盾構(gòu)機(jī)共6次下井、6次出井，均采用500t、300t兩臺汽車吊現(xiàn)場卸車、翻身、下井吊裝及現(xiàn)場出井、翻身、裝車、運(yùn)輸?shù)确椒ㄟM(jìn)行施工吊裝、運(yùn)輸作業(yè)。

b.中鐵工業(yè)405、406及DL275盾構(gòu)機(jī)吊裝及運(yùn)輸工藝。兩種不同規(guī)格型號盾構(gòu)機(jī)吊裝均采用鋼絲繩與盾構(gòu)機(jī)上平面四個(gè)專用焊接吊耳與U環(huán)相連后起吊。盾構(gòu)機(jī)現(xiàn)場轉(zhuǎn)場倒運(yùn)及存放現(xiàn)場運(yùn)輸時(shí)，必須用10t導(dǎo)鏈將盾體和平板板車上的掛扣相連系掛，然后再用電焊將盾體在平板板車上點(diǎn)焊，防止運(yùn)輸過程中突發(fā)事件系數(shù)發(fā)生[1]。

3 工程重點(diǎn)及難點(diǎn)

3.1 工程重難點(diǎn)分析

盾構(gòu)機(jī)吊裝下井屬于大構(gòu)件吊裝作業(yè)，作業(yè)過程中必須確保設(shè)備和人員的安全，作業(yè)過程中確保吊機(jī)支座具有足夠的承載力及吊機(jī)本身的穩(wěn)定性，是施工中的重點(diǎn)。

設(shè)備重量大，安裝工作量大及施工場地狹小，特別是出入場線始發(fā)井、吊出井距離高架橋距離近，吊車作業(yè)場地小，如何充分利用有限作業(yè)空間順利完成作業(yè)，是本工程的一個(gè)難點(diǎn)。

3.2 工程重難點(diǎn)施工采取的措施

首先編制安全合理的吊裝方案，對地基承載力進(jìn)行驗(yàn)算。吊機(jī)支設(shè)前，要對現(xiàn)場情況做詳細(xì)的調(diào)查，對有限的作業(yè)場地進(jìn)行合理布置，合理確定吊機(jī)支座位置，綜合協(xié)調(diào)，確保吊機(jī)順利作業(yè)，同時(shí)安排專職人員對其進(jìn)行監(jiān)控。出入場線盾構(gòu)機(jī)吊裝、吊拆前，做好詳細(xì)規(guī)劃，協(xié)調(diào)相關(guān)部門對道路進(jìn)行封閉，疏解交通，確保安全[2]。

4 盾構(gòu)機(jī)吊裝、拆施工工藝流程

4.1 盾構(gòu)機(jī)概況

本標(biāo)段采用兩臺φ6440土壓平衡盾構(gòu)機(jī)(中鐵工業(yè)405、406)，一臺φ6410土壓平衡盾構(gòu)機(jī)(鐵建重工DL275)。其中最重部件為鐵建重工DL275前盾，重112t，即以鐵建重工DL275構(gòu)、部件作為計(jì)算依據(jù)。

4.2 起重設(shè)備說明

根據(jù)本標(biāo)段選用的三臺盾構(gòu)機(jī)重量及場地條件，本標(biāo)段盾構(gòu)機(jī)6次吊裝、6次吊拆均采用LTM1500-8.1(500t)汽車吊與AC300-1(300t)汽車吊配合完成盾構(gòu)機(jī)的刀盤、前盾、中盾和盾尾的空中轉(zhuǎn)體翻身作業(yè)以及螺旋機(jī)、后配套臺車的卸車、吊裝下井與吊拆出井工作。

4.3 盾構(gòu)進(jìn)出井吊裝站位

盾構(gòu)機(jī)吊裝、吊拆作業(yè)時(shí)吊車垂直于車站端頭井站位，吊車中心與盾構(gòu)掘進(jìn)線路中心重合，吊車支腿邊緣距車站擋墻邊1.5m，盾構(gòu)機(jī)吊裝部件卸貨于吊車側(cè)面。本文選取堡楊區(qū)間左線始發(fā)端盾構(gòu)機(jī)吊裝進(jìn)行介紹(見圖2)。

圖2 堡楊區(qū)間左線始發(fā)端盾構(gòu)機(jī)吊裝站位布置平面

4.4 盾構(gòu)機(jī)試吊

在開始正式吊裝工作之前，按如下程序進(jìn)行試吊試驗(yàn)(見圖3)。

圖3 試吊示意圖

a.空載試驗(yàn)。檢查吊機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)情況和各限位開關(guān)是否可靠?？蛰d試驗(yàn)進(jìn)行如下動作：吊鉤的起升和下降(高、中、低速)及其制動和起升限位；變幅(高、中、低速)及其制動和限位；回轉(zhuǎn)及其制動[3]。

b.靜載和動載試驗(yàn)。根據(jù)現(xiàn)場條件，用最重構(gòu)件前盾進(jìn)行靜載和動載試吊，見圖4。按相關(guān)作業(yè)程序要求綁扎固定好前盾后，緩慢勻速將構(gòu)件平穩(wěn)吊離地面約200mm后停止起鉤，懸停5min。仔細(xì)檢查起重機(jī)主臂、滑輪組、卷揚(yáng)機(jī)構(gòu)、鋼絲繩、吊鉤、索具等部位有無裂紋、變形、松動以及其他對起重機(jī)性能和安全有影響異常情況；檢查起重機(jī)力矩限制器工作是否正常；并通過測量儀器監(jiān)測起重機(jī)站位承載地基有無沉降、開裂等情況。確定無異常后，對吊物進(jìn)行起鉤、落鉤、變幅、回轉(zhuǎn)等動作，注意控制動作加速度和減速度使其在起重機(jī)正常工作范圍之內(nèi)，檢查和靜載相同的項(xiàng)目(動作和地基監(jiān)測)是否正常，確認(rèn)無異常后方可開始正式吊裝[4]。

圖4 試吊實(shí)物示意圖

4.5 盾構(gòu)機(jī)吊裝

4.5.1 盾構(gòu)機(jī)吊裝的準(zhǔn)備工作

將始發(fā)井口里的始發(fā)基座上放置的臨時(shí)軌道拆除；再一次對始發(fā)基座的固定情況進(jìn)行檢查、校核；在盾構(gòu)機(jī)將要落座的始發(fā)基座的鋼軌表面涂以足夠的潤滑脂(按落座的順序分段涂抹)，為下一步盾構(gòu)機(jī)的組裝做好準(zhǔn)備工作。盾體吊裝作業(yè)流程見圖5。

圖5 盾體吊裝作業(yè)流程

限于篇幅，以下只介紹最重部件(重112t前盾)和中盾的吊裝。

4.5.2 中盾的吊裝

中盾翻身下井由500t汽車吊完成，300t汽車吊進(jìn)行配合(見圖6)。具體操作如下:中盾翻身前，500t汽車吊及300t汽車吊停至預(yù)定吊裝點(diǎn)。中盾翻身時(shí)，將500t汽車吊使用的4根φ64×8m鋼絲繩掛在盾構(gòu)機(jī)中盾外側(cè)的4個(gè)吊耳上，另將300t吊車使用的2根φ64×8m的鋼絲繩掛在盾構(gòu)機(jī)中盾底部外側(cè)的2個(gè)吊耳上。在盾構(gòu)機(jī)中盾的中部系上2個(gè)牽引繩備用。兩臺吊機(jī)配合工作，在統(tǒng)一的指揮下將中盾水平提起。待盾構(gòu)機(jī)中盾離開地面約20cm后，300t吊車暫停，500t汽車吊繼續(xù)緩慢提升將中盾逐漸豎起。此時(shí),將用在300t吊車上的鋼絲繩逐漸放松,解掉用在300t吊車上的鋼絲繩。隨即回轉(zhuǎn)500t汽車吊，將中盾移至洞口上方，調(diào)整盾構(gòu)機(jī)下井姿態(tài)，盡量不使起重機(jī)做轉(zhuǎn)向或變幅的動作，平穩(wěn)緩慢地將中盾吊入井中，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)將到達(dá)機(jī)座時(shí)，停止下降，仔細(xì)調(diào)整中盾的姿態(tài)，對正中盾就落基座上的準(zhǔn)確位置，待中盾穩(wěn)定后將中盾緩慢放在始發(fā)基座上[5]。

圖6 盾構(gòu)機(jī)中盾吊裝示意圖

4.5.3 前盾的吊裝

前盾翻身前，500t汽車吊及300t汽車吊停至預(yù)定吊裝點(diǎn)，500t汽車吊吊裝半徑10m，300t汽車吊吊裝半徑6m。前盾翻身時(shí)，將500t汽車吊使用的4根φ64×8m鋼絲繩掛在盾構(gòu)機(jī)前盾外側(cè)的4個(gè)吊耳上，另將300t吊車使用的2根φ64×8m的鋼絲繩掛在盾構(gòu)機(jī)前盾底部外側(cè)的2個(gè)吊耳上。在盾構(gòu)機(jī)前盾的中部系上2根牽引繩備用。兩臺吊機(jī)配合工作，在統(tǒng)一的指揮下將前盾水平提起。待盾構(gòu)機(jī)前盾離開地面約20cm后，300t吊車暫停，500t汽車吊繼續(xù)緩慢提升將前盾逐漸豎起。此時(shí),將用在300t吊車上的鋼絲繩逐漸放松,解掉用在300t吊車上的鋼絲繩。隨即回轉(zhuǎn)500t汽車吊，將前盾移至洞口上方，調(diào)整盾構(gòu)機(jī)下井姿態(tài)，盡量不使起重機(jī)做轉(zhuǎn)向或變幅的動作，平穩(wěn)緩慢地將前盾吊入井中。

當(dāng)前盾即將到達(dá)機(jī)座時(shí)，停止下降，仔細(xì)調(diào)整前盾的姿態(tài)，待前盾穩(wěn)定后將前盾緩慢放在始發(fā)基座上。用2個(gè)千斤頂將中盾向前頂推，把前盾定位銷插入到中盾的定位銷孔中，使前盾與中盾的連接螺栓孔對正。用連接螺栓臨時(shí)把中盾與前盾連接起來。前盾吊裝見圖7。

圖7 前盾吊裝示意圖

5 汽車吊穩(wěn)定性驗(yàn)算

5.1 500t汽車吊單機(jī)吊

為確保安全，依據(jù)實(shí)際情況，按照最不利情況進(jìn)行計(jì)算，即對盾構(gòu)機(jī)吊裝112t前盾時(shí)主臂吊裝、拆能力進(jìn)行計(jì)算，在吊裝、拆動作過程中，吊裝半徑不超過10m，起吊角度不小于67°，主吊臂長度26.5m，此時(shí)吊車額定荷載138t>(Q1+Q2)×1.2=137.4t，吊車的主臂單機(jī)最不利負(fù)荷率為83%(盾體翻身見圖8)。計(jì)算如下:(Q1+Q2)/Q=(112+2.5)/138=83%。其中，Q為吊裝重量，查吊車起重性能表，主臂長度26.5m、吊裝半徑在10m時(shí)主臂吊裝重量為138t;Q1為構(gòu)件的重量，按照前盾最重112t計(jì)算;Q2為吊索吊具等重量，按照2.5t計(jì)算;1.2為起重機(jī)的安全系數(shù)。

圖8 盾體翻身示意圖

因此500t汽車吊單機(jī)吊過程中穩(wěn)定性符合安全規(guī)范。

5.2 500t汽車吊與300t汽車吊雙機(jī)吊

為確保安全，依據(jù)實(shí)際情況，按照最不利情況進(jìn)行計(jì)算，即對盾構(gòu)機(jī)112t前盾進(jìn)行翻身轉(zhuǎn)體時(shí)主臂起吊能力進(jìn)行計(jì)算，在翻身、轉(zhuǎn)體過程中，500t汽車吊吊裝半徑不超過10m，起吊角度不小于67°，主吊臂長度26.5m，300t汽車吊起吊半徑不超過8m，起吊角度不小于71°，主吊臂長度25.4m。吊車的主臂最不利起重量計(jì)算如下:

當(dāng)翻身動作完成時(shí)，盾體處于垂直位置，前盾重量完全由500t汽車吊承受，此時(shí)500t汽車吊處于受力最大狀態(tài)。由前述可知500t汽車吊雙機(jī)吊穩(wěn)定性符合安全規(guī)范要求[6]。

在翻身過程中，兩臺吊車同時(shí)起吊，300t汽車吊受力最大取起吊物3/5重量計(jì)算。此時(shí)300t汽車吊額定起重量101t>(Q1+Q2)×0.6×1.2=82.44t，吊車負(fù)荷率為(Q1+Q2)×0.6/Q=(112+2.5)×0.6/101=68%。其中，查吊車起重性能表，主臂長度25.4m、吊裝半徑幅度在8m時(shí)，主臂吊裝重量Q為101t;構(gòu)件的重量Q1，按照前盾最重112t計(jì)算;吊索吊具等重量Q2按照2.5t計(jì)算。因此500t汽車吊與300t汽車吊雙機(jī)吊過程中穩(wěn)定性符合安全規(guī)范。

6 吊耳選用

前盾、中盾、尾盾起吊吊耳各4個(gè)，并對于盾體重心對稱布置，刀盤起吊吊耳2個(gè)，并對于刀盤中心對稱布置，每個(gè)吊耳設(shè)計(jì)載荷40t。根據(jù)盾構(gòu)機(jī)重量參數(shù)表，盾構(gòu)機(jī)前盾吊耳載荷最大，若前盾吊耳滿足吊裝安全要求，則其他均滿足。吊耳按照盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行加工并確定吊耳焊接位置(見圖9)。

圖9 吊耳簡化模型

6.1 焊縫強(qiáng)度計(jì)算

取受力最大的前盾(最重構(gòu)件112t)焊縫進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算：

焊縫類型為角焊縫,坡口型式為K型，焊縫長度為400mm。

焊縫受到的拉力N=1120kN/4=280kN,

焊縫受到的剪力為N/tan67°=102kN。

有效厚度為he=0.7hf=0.7×50=35mm，hf是比較小的焊腳尺寸。

焊縫的計(jì)算長度lw=焊縫實(shí)際長度-2hf=250-2×50=150mm。

采用型號Q345B鋼板進(jìn)行焊接,屈服強(qiáng)度值為345MPa，一般要求焊縫強(qiáng)度高于母材強(qiáng)度(因?yàn)楹缚p直接承受動荷載，所以端焊縫強(qiáng)度增大系數(shù)βf=1.0。

6.2 吊耳分析校核

吊耳采用臥式容器板式吊耳(HP型)，盾體前盾、中盾各4個(gè)，刀盤2個(gè)，盾體翻身用的吊耳共6個(gè)。吊耳寬50mm，長400mm，高度300mm。焊接采用TFW-308L型焊絲(二氧化碳保護(hù)焊，焊縫抗拉強(qiáng)度580MPa)，焊縫高度超出吊耳厚度至少10mm，吊耳焊接方位與鋼絲繩受力方向保持一致，避免產(chǎn)生過大彎矩及剪切力。

上述盾體吊耳布置相同，最大荷載出現(xiàn)于吊拆112t前盾時(shí)的4個(gè)吊耳，故按照該情況進(jìn)行最不利驗(yàn)算即可，其余重量較前盾輕，無需驗(yàn)算。

6.3 吊耳承載能力驗(yàn)算

根據(jù)《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼規(guī)范》(GB/T 1591—2008)查知，Q345B低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼厚鋼板(δ>40mm)允許抗拉強(qiáng)度為[σ]=470MPa,允許抗剪強(qiáng)度[τ]=580MPa。驗(yàn)算承載力按照不小于卸扣承載力40t考慮。

對吊耳承載能力進(jìn)行的簡化驗(yàn)算如下:

a.吊耳最小截面承載力：

F=σA=470×(1×0.5)=235>40t,即吊耳最小截面承載力大于卸扣強(qiáng)度，滿足要求。

b.焊縫截面承載力：

F=σA=580×(1×cos45°×4×0.2)=324.8>40t,，滿足要求，焊縫強(qiáng)度按照580MPa考慮。

c.考慮到吊耳不可能完全軸向受力，對焊縫抗彎強(qiáng)度進(jìn)行簡化驗(yàn)算：

吊耳焊縫截面最大彎矩：

M=Th=400kN×0.3×sin(29°/2)=30.04kN·m

焊縫最小截面矩(彎矩作用在短邊方向)：

焊縫最大彎曲應(yīng)力：

通過驗(yàn)算，即使不考慮加固板情況下，吊耳及吊耳焊縫均滿足要求。

以上算式中，T為吊耳水平方向簡化分力；h為吊耳高度,300mm；M為吊耳水平分力產(chǎn)生的焊縫彎矩；A為焊縫及吊耳最小受力截面積；σ為焊縫及吊耳材質(zhì)允許應(yīng)力；ab為吊耳焊縫輪廓截面尺寸。

綜合以上分析，在吊耳加工、焊接制作過程嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，吊拆時(shí)嚴(yán)格按照相關(guān)吊裝要求進(jìn)行時(shí)，吊耳設(shè)計(jì)完全滿足盾體吊拆能力要求。

7 結(jié) 語

盾構(gòu)部件體積較大、質(zhì)量較重、場地狹窄時(shí)，增加了吊裝的難度和風(fēng)險(xiǎn)。西安地鐵八號線工程施工總承包2標(biāo)段項(xiàng)目盾構(gòu)法施工中,合理編制了專項(xiàng)吊裝方案，選用合適的盾構(gòu)吊裝起重設(shè)備,并對汽車吊穩(wěn)定性、吊耳承載力進(jìn)行計(jì)算驗(yàn)證。在吊裝各個(gè)階段，落實(shí)各項(xiàng)安全措施并進(jìn)行專項(xiàng)檢查驗(yàn)收，確保了盾構(gòu)設(shè)備吊裝施工安全。