大直徑盾構(gòu)始發(fā)鋼托架技術(shù)研究與應(yīng)用

張 偉

(中鐵十四局集團大盾構(gòu)工程有限公司，江蘇 南京 210000)

1 工程概況

1.1 線路設(shè)計概況

長沙湘雅路過江通道工程是長沙市區(qū)“十八橫十六縱”34條主干路之一，是湖南省首條雙向六車道過江隧道，也是該省目前最大的盾構(gòu)施工項目，湘雅路過江通道采用隧道形式，西起岳麓區(qū)桐梓坡路與岳華路交叉口，東至湘雅路與芙蓉中路交叉口，線路全長約4.18 km，河東、河西分別設(shè)置一對進出匝道。隧道的江中段為雙向六車道，采用泥水平衡盾構(gòu)施工(見圖1)[1-4]。

1.2 盾構(gòu)機及管片情況

盾構(gòu)機整機長度為132 m，整機重量約4 100 t，盾構(gòu)機的開挖直徑為15.01 m，盾構(gòu)機分為盾構(gòu)機主機和4節(jié)后配套臺車，主機長度14.664 m。

管片外徑14.5 m,內(nèi)徑13.3 m,厚度60 cm，環(huán)寬2.0 m，管片采用“9+1，1/3封頂塊”型式，由一個封頂塊(F)，兩個相鄰塊(L1，L2)和七個標準塊(B1～B7)組成。管片為雙面楔型通用楔型管片，楔型量為58 mm，強度等級C60,抗?jié)B等級P12，采用錯縫拼裝，盾構(gòu)管片縱縫設(shè)置定位棒榫槽，環(huán)縫設(shè)置分布式凹凸榫(見圖2，圖3)。

2 始發(fā)托架比選

大直徑盾構(gòu)隧道施工時盾構(gòu)機自重和管片重量都非常大，對大直徑盾構(gòu)始發(fā)托架承載力和穩(wěn)定性要求高，因此目前國內(nèi)大直徑盾構(gòu)始發(fā)大多采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆機構(gòu)作為盾構(gòu)始發(fā)托架(見圖4，圖5)，以保證盾構(gòu)機組裝和始發(fā)期間的安全[5]，鋼托架應(yīng)用較少，下面鋼筋混凝土托架和鋼托架優(yōu)缺點進行綜合對比分析，得出最優(yōu)方案，對比分析詳見表1。

表1 鋼托架與混凝土托架優(yōu)缺點對比

從表1可以看出，鋼托架在施工質(zhì)量、工期、經(jīng)濟性、環(huán)保等方面相比混凝土托架優(yōu)勢明顯，因此本項目選擇鋼結(jié)構(gòu)托架作為始發(fā)托架[6-8]。

3 鋼托架設(shè)計及檢算

3.1 始發(fā)托架設(shè)計

該鋼結(jié)構(gòu)始發(fā)托架采用型鋼在工廠加工焊接而成由兩側(cè)支撐梁、中間連接梁、外部側(cè)頂梁及斜箱梁底座等組成。支撐梁采用箱形結(jié)構(gòu)，一側(cè)按25°斜角布置，連接梁采用400 mm×200 mm的H型鋼用法蘭板將兩側(cè)支撐梁連接成整體結(jié)構(gòu)，根據(jù)盾構(gòu)施工要求的實際情況，始發(fā)托架所用材料均采用Q235B優(yōu)質(zhì)碳素鋼。盾體托架長16 m，寬9.57 m，縱向?qū)ΨQ布置兩條盾構(gòu)機滑行軌道。盾體兩側(cè)的托架各設(shè)置四根H型鋼支撐在工作井側(cè)墻，托架底部采用膨脹螺栓生根至底板結(jié)構(gòu)上。主機托架后方架設(shè)4.3 m長的臺車軌道，兩側(cè)加設(shè)管片托架，用于加塞楔塊固定管片[9]。托架前端兩側(cè)焊接3對300H型鋼，增加托架防扭性能。始發(fā)托架設(shè)計圖見圖6～圖8，鋼結(jié)構(gòu)始發(fā)托架技術(shù)參數(shù)詳見表2。

3.2 始發(fā)托架受力驗算

3.2.1 模型建立

該盾構(gòu)機始發(fā)托架主要由支撐梁與連接梁組成，支撐梁為上、下蓋板及腹板組成的箱型梁，連接梁為工字型梁。材料主要采用Q235B碳素結(jié)構(gòu)鋼，結(jié)構(gòu)模型如圖9所示。

表2 始發(fā)托架技術(shù)參數(shù)表

3.2.2 參數(shù)選取

始發(fā)托架各部件的受力面積及截面系數(shù)見表3。

表3 始發(fā)托架各部件的受力面積及截面系數(shù)

始發(fā)托架采用的材料為Q235B，根據(jù)GB/T 699標準，材料的屈服極限為：

σs≥245 MPa(鋼板厚度t≤16 mm)；

σs≥235 MPa(鋼板厚度t>16 mm～40 mm)；

σs≥225 MPa(鋼板厚度t>40 mm～63 mm)。

根據(jù)GB/T 50017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，對于按承載能力極限狀態(tài)計算的鋼結(jié)構(gòu)，可變荷載的安全系數(shù)為：

γ=0.9×1.4=1.26。

鋼結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為：

γ0=0.95。

因此，對于不同厚度的鋼板，其強度設(shè)計值為：

[σs]≥205 MPa(鋼板厚度t≤16 mm)；

[σs]≥196 MPa(鋼板厚度t>16 mm～40 mm)；

[σs]≥188 MPa(鋼板厚度t>40 mm～63 mm)。

3.2.3 計算

1)荷載選取。盾構(gòu)機由刀盤、前盾、中盾、后盾組成，垂向總載荷按3 500 t計算。

2)模型分析。采用有限元進行計算，由于為全對稱結(jié)構(gòu)，采用1/2實體單元進行網(wǎng)格的自動劃分。該模型共劃分了141 256個單元，165 433個節(jié)點,見圖10。

3)始發(fā)托架靜強度理論分析計算。始發(fā)托架所受最大壓力3 500 t時，根據(jù)材料力學理論分析計算如下：

托梁應(yīng)力計算：

σ=F×L/W=35 000 000×16 000/13/2/155 924 170=138.1 MPa。

連接梁應(yīng)力計算：

σ=F/A=35 000 000×tg(25°)/2/13/9 684=64.8 MPa。

4)計算結(jié)果。盾構(gòu)機始發(fā)托架最大應(yīng)力80.5 MPa(見圖11)、最大靜撓度為0.694 mm；在各載荷工況下，最大應(yīng)力均小于《鋼結(jié)構(gòu)規(guī)范》規(guī)定的材料許用應(yīng)力，最大強度和剛度滿足使用要求。

4 始發(fā)鋼托架的安裝與驗收

始發(fā)鋼托架設(shè)計完成后，在工廠進行加工與拼裝，檢測合格后，拆解運輸至工地分塊吊裝下井在井下完成安裝，安裝完成后對鋼托架結(jié)構(gòu)尺寸和安裝精度進行驗收[10]。

4.1 鋼托架的安裝

1)鋼托架各構(gòu)件運至工地現(xiàn)場吊裝前按照構(gòu)件明細表核對進場構(gòu)件，查驗質(zhì)量證明單，檢查驗收構(gòu)件在運輸過程中造成的變形情況，并記錄在案，發(fā)現(xiàn)問題及時進行矯正至符合規(guī)定。2)鋼托架安裝前測量班應(yīng)先檢查復核盾構(gòu)始發(fā)井軸線位置、高低偏差、平整度、結(jié)構(gòu)幾何尺寸、標高，然后彈出十字中心線和引測標高，并必須取得基礎(chǔ)驗收的合格資料。由于涉及到鋼結(jié)構(gòu)制作與安裝兩方面，又涉及到土建與鋼結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系，因此它們之間的測量工具必須統(tǒng)一[11-12]。3)始發(fā)井復測合格后，即可分塊吊裝鋼托架下井安裝，安裝時使始發(fā)托架軸線與盾構(gòu)始發(fā)軸線重合，對于存在高差的部位采用鋼板墊平，保證托架平穩(wěn)、受力均勻。4)托架固定可以采用膨脹螺栓也可采用在始發(fā)井底板提前預(yù)埋鋼板焊接連接的方式，連接件強度需經(jīng)過受力計算，滿足盾構(gòu)始發(fā)要求。5)鋼托架兩側(cè)采用H型鋼支撐至工作井側(cè)墻結(jié)構(gòu)，對鋼托架進行加固，并在托架兩側(cè)設(shè)置防扭支撐。

4.2 鋼托架的驗收

始發(fā)鋼托架安裝完成后，對托架安裝精度和軌道標高精度進行測量，以保證滿足盾構(gòu)始發(fā)精度要求，驗收情況詳見表4，表5。

表4 始發(fā)鋼托架安裝精度驗收表 mm

表5 始發(fā)鋼托架軌道標高軸線測量表

5 鋼托架使用情況與分析

5.1 鋼架使用情況

湘雅路過江通道始發(fā)托架2020年12月25日開始安裝，12月28日安裝完成，用時3 d，相對混凝土托架提前20天左右；盾構(gòu)機2020年12月31日開始組裝，2021年4月13日完成調(diào)試，2021年4月14日開始負環(huán)拼裝，2021年5月25日完成洞門二次密封，盾構(gòu)機主機全部脫離始發(fā)托，鋼托架在盾構(gòu)始發(fā)過程中狀況良好，滿足了盾構(gòu)始發(fā)要求，但是在使用過程中也存在一些不足之處，在后續(xù)使用過程中，需要進一步改進。

5.2 使用過程中出現(xiàn)的問題分析與應(yīng)對

在實際使用過程中，發(fā)現(xiàn)鋼托架在大直徑盾構(gòu)組裝和始發(fā)期間還存在一定的不足，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：

1)由于大直徑盾構(gòu)始發(fā)托架高度較高，鋼結(jié)構(gòu)桿件之間存在一定間隙，組裝期間人員上下及行走不便，對組裝時間有一定影響。

2)由于鋼架桿件間有一定間隙，人員在托架上行走，精神不集中時，容易掉落，存在一定的安全風險。

3)受大坡度、小曲線半徑的影響，再加上臺車單側(cè)集中應(yīng)力大，實際使用時盾構(gòu)機建倉完成開始掘進土體過程中，負環(huán)脫出盾尾后托架支撐出現(xiàn)變形，導致負環(huán)下沉，向一側(cè)偏移。

4)相對于混凝土始發(fā)托架，負環(huán)防扭支撐需要加長。

針對負環(huán)支撐托架出現(xiàn)變形情況，項目采用澆筑混凝土支柱的加固方式，即在負環(huán)托架外5 cm處澆筑厚150 cm混凝土支撐，高度至管片處，支撐管片，避免了管片變形進一步加大，見圖12。

6 結(jié)論與建議

通過湘雅路過江通道工程大盾構(gòu)組裝及始發(fā)過程中鋼托架使用情況可以看出，在大直徑盾構(gòu)施工中采用鋼結(jié)構(gòu)托架帶來較多好處，但也存在一些不足，針對這些不足建議在后續(xù)大直徑盾構(gòu)項目采用鋼托架始發(fā)時加以改進。

1)鋼托架設(shè)計制作時應(yīng)充分考慮盾構(gòu)組裝期間人員上下及行走通道，增設(shè)相應(yīng)的步梯和行走平臺，方便人員上下及行走，提高安全性。

2)托架設(shè)計計算時綜合考慮盾構(gòu)機自重、管片自重及盾構(gòu)機始發(fā)掘進過程中可能產(chǎn)生的荷載，提高托架結(jié)構(gòu)的強度和剛度。

3)設(shè)計可靠的防扭及豎向支撐，方便管片脫出盾尾后及時支撐負環(huán)管片。

4)負環(huán)管片脫出盾尾后，管片下方及時澆筑混凝土支撐，防止管片下沉和扭轉(zhuǎn)變形。

7 結(jié)語

近年來國內(nèi)大直徑盾構(gòu)隧道工程項目的不斷增多，且一般業(yè)主單位對盾構(gòu)始發(fā)節(jié)點都有要求，采用傳統(tǒng)的鋼筋混凝土始發(fā)托架，費時費力，不利于保障盾構(gòu)始發(fā)工期節(jié)點，始發(fā)鋼托架在大直徑盾構(gòu)始發(fā)過程的成功應(yīng)用，從一定程度上可以縮短始發(fā)托架的施工時間，為盾構(gòu)按期始發(fā)提供支持，對類似工程具有很好的指導意義。