地下環線結構體上盾構吊裝設計與選型評價*

李明宇，張啟瑞，孫連勇，門燕青，周明祥，溫法慶

(1.鄭州大學，河南 鄭州 450001；2.濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250101；3.中鐵十六局集團地鐵工程有限公司，北京 100020；4.中鐵十八局第三工程有限公司，河北 涿州 072750)

隨著城市高速發展，人口快速擴張，城市交通問題變得十分嚴峻，為有效利用城市地下空間解決城市交通問題，盾構法施工在地鐵建設中以其安全性、適宜性、經濟性等特點在我國得到廣泛推廣。盾構機進、出洞在地鐵建設中既是關鍵環節又是工程事故多發階段[1]，施工過程中，盾構始發[2-4]、吊裝[5-6]及轉場[7-8]為不可回避的工程難題。在盾構吊裝出井、下井方案中，如設計不合理或施工操作不當，將會引發既有地下結構損壞、基坑坍塌等工程事故，造成重大經濟損失[9]。因此，利用多種分析方法評判盾構吊出井、下井施工作業方案的合理性、安全性和可行性，對于地下工程設計與施工安全具有較高實用價值[10]。

以濟南中央商務區綢帶公園站南端頭盾構吊裝接收工程為對象，闡述地下工程交叉施工中利用臨建地下道路結構吊裝接收盾構機的施工方法，并重點分析盾構機起吊與轉場過程中，吊裝盾構機產生的偏心荷載對地下道路側向變形、差異沉降及結構內力的影響。

1 工程概況

濟南市CBD市政配套工程歷下廣場站—綢帶公園站區間，盾構自歷下廣場站北端頭第一次始發，到達綢帶公園站南端頭后分拆、解體吊出，轉場運輸至歷下廣場站。該吊裝井周圍環境較復雜，如圖1所示，出井口以北為在建綢帶公園站，南側為地下空間開發區，東側為待建區(目前為基坑)，接收井周邊現有建筑物距吊裝區域較遠，吊裝過程對周邊環境影響較小。綢帶公園站接收井西側基坑范圍為待建區，為了盾構吊裝運輸需要，整理水平寬20m場地，填土內埋設4根直徑為1.6m鋼管樁，內部使用素混凝土填充，填土區外圍采用雙I28作為圍護，圍護兩側利用鋼絲繩對拉。吊裝井西側地下環路頂板為起重機站位區域，結構南端頭結構頂板為盾構放置平臺，平面布置如圖2所示。

圖1 盾構接收井及起重機位置現場照片

圖2 平面及監測點布置

地下環路空間結構如圖3所示，地下結構頂部東面預留有盾構吊裝孔，中部為350t履帶式起重機起重機站位，起重機履帶位于站位區域2條梁上，西面為盾構放置平臺，在地下環路西側為填土區域。地下結構為2層鋼筋混凝土框架結構，底層高6.4m，2層高10.55m，主體框架結構尺寸為29m(長)×13.6m(寬)；板、柱采用C30混凝土；地下環路底板下方為天然地基。根據工程地質勘察結果，在勘察深度范圍所揭露的地層主要包括碎石、強風化泥灰巖、中風化灰巖等。

圖3 地下環路空間結構

2 吊裝方案

使用350t履帶式起重機進行拆機作業起吊，使用500t履帶式起重機進行翻身及裝車，起重機參數如表1所示。

表1 起重機參數

盾構起吊與轉場工序如下：在斷面B，C間地下環線頂板上鋪設0.5m厚回填土，并澆筑40cm厚C30混凝土板，安放350t履帶式起重機，起重機每條履帶下放置鋼板(10m×2.2m)。500t汽車式起重機作業平臺施工如下：①在地下環線結構西側整平出20m(長)×15m(寬)場地，鋪設20mm厚鋼板，插打拉森Ⅳ型鋼板樁，鋼板樁入土深度≥3m；②在鋼板樁外側采用2根I28作為鋼圍檁，間距0.5m，南北側鋼圍檁采用直徑20mm鋼絲繩對拉，鋼絲繩水平間距0.4m、豎向間距0.5m；③在北側鋼板樁外側回填10m厚土方，防止鋼板樁傾覆；④埋設4根直徑為1.6m鋼管樁，內部填充C15素混凝土；⑤回填土夯實至樁頂面，澆筑C30混凝土承壓板，尺寸為15m(長)×13m(寬)×0.4m(高)；⑥安放500t汽車式起重機，起重機4個支撐腿中心對準4根鋼管樁中心；⑥利用350t起重機將盾構從井口起吊，經順時針轉動將盾構放在放置平臺上，再經500t汽車式起重將盾構吊裝裝車。

3 數值模擬分析

3.1 模型建立

采用MIDAS GTS三維數值模擬對盾構起吊和轉場施工過程進行分析。模型尺寸為60m(長)×54.4m(寬)，邊界距離地下環線結構邊緣為1.5倍地下環線結構寬度，土層深度為2倍地下環線結構高度，以此減小底部和側向約束對計算結果的影響。模型側面及底面施加法向約束，土體為實體單元，墻體和樓板為板單元，梁、柱結構為梁單元。建模時材料物理參數如表2所示。

表2 材料物理性質

3.2 荷載方案

盾構起吊為動態過程，起重及盾構最大反力可由公式(1)計算，為保證結構足夠安全，動力荷載系數取1.1[13]。

RMax=a(Q+P)

(1)

式中：P為起重機自重(t)；Q為吊件質量(t)；a為動載系數，取a=1.1[13]。

最大反力R350t=1.1×(321+121)=486.2t。

考慮4種最不利工況進行研究。

1)工況1 盾構從吊井起吊時，2條履帶荷載分配不均，由吊裝重心和力矩分配原則，起重機斷面C梁上履帶為力矩中心，此時C梁占據總荷載的3/4，斷面B，C梁上線荷載分別為121，364kN/m。

2)工況2 盾構起吊掛鉤順時針旋轉90°時，以起重機履帶靠南端點為力矩中心，根據力矩分配，此時最不利情況按三角形荷載施加于起重機站位區域梁上。

3)工況3 將起吊的盾構放置于盾構放置平臺上，此時荷載由2部分組成：①放置平臺上盾構自重平面荷載66.7kN/m2；②起重機自重分布在斷面B，C梁上線荷載均為160.5kN/m。

4)工況4 利用500t汽車式起重機將盾構裝車，此時350t起重機還位于地下環路上，起重機按均布荷載均勻分配在2條履帶下；汽車式起重機裝車過程總荷載作用在4根鋼管樁上，根據吊裝重心和力矩分配原則，靠近擋墻一側承擔了3/4荷載，此時汽車式起重機及盾構最大反力按公式(1)計算可得：R500t=1.1×(415+121)=589.6t。

3.3 計算結果分析

4種工況下計算結果如圖4、表3所示。

圖4 沉降位移云圖(單位：m)

表3 4種工況下計算結果

1)工況1 對地下環線結構的影響最明顯，此時地下環線結構最大沉降在斷面C梁靠中部位置，約-3.29mm；地下環線結構水平方向最大位移很小，最大值為0.507mm；C-1，C-3頂沉降分別為-2.12， -2.32mm，斷面C在南北方向上最大差異沉降約為1.17mm；斷面A中間頂部沉降為-0.226mm， 則框架結構東西向最大差異沉降為3.064mm；隨著起重機臂旋轉，結構最大沉降及差異沉降總體呈減小趨勢。主要原因在于工況1下起重機及盾構總荷載的3/4由斷面C梁承擔，在偏心荷載作用下，荷載較集中施加于結構；隨著起重機臂旋轉荷載重分配，總荷載較分散地作用在起重機2條履帶上。

2)整個施工過程中，地下環路結構最大主應力均出現在側墻和底板交接線上；地下環線結構在構建完成時最大主應力僅3.92MPa，當填土施工完成后增至18.3MPa，填土造成附加應力為14.38MPa。這是由于進行填土區域施工作業前，地下環路西側已存在高約6m、傾角約10°斜坡，加之堆載高5m填土，過高堆土致使地下環路產生應力集中現象。

3)4種工況下地下環路頂板最大主應力云圖如圖5所示。由圖5可知，4種工況下頂板最大主應力均集中發生在斷面B梁柱交接處，其中最小值為3.315MPa(工況2)，施加荷載前頂板最大主應力值為1.596MPa，起重機施工致使頂板最大主應力值增大了107.7%；而隨著起重機臂旋轉，頂板最大主應力位置及數值均未發生顯著變化。

圖5 頂板最大主應力云圖(單位：kPa)

4 盾構吊裝變形監測

為確保施工安全，現場對地下環線結構側墻水平和豎向位移及回填土區承壓板沉降進行監測，監測點布置如圖2所示。

4.1 地下結構影響分析

起吊時中斷面E，F計算結果與實測沉降對比如圖6所示。地下環線最大沉降實測值與有限元計算結果基本吻合，只是實際工程中承壓板下方人工回填土壓實度分布不均勻，而有限元數值模擬無法體現這一點，因此，數據規律略有差異。頂板墊層鋪設在斷面B，C間，盾構從吊井起吊時斷面E上監測點2-5表現為下沉，沉降值為-2.93mm， 而監測點2-6表現為隆起，對于斷面F上的監測點2-1，2-2均表現為隆起，隆起值分別為3.28，-0.46mm，而監測點2-3表現為下沉，沉降量為-4.37mm。考慮到起重機下方混凝土承壓板與地下結構頂板間0.5m厚填土，偏心荷載集中施加于斷面C梁上，因此，發生不均勻沉降，此時混凝土墊板西側翹起，東西方向最大差異沉降為7.19mm，反映墊板出現翹起現象，中部存在折斷危險。

圖6 斷面E，F計算與實測沉降對比

吊裝過程中斷面B，C計算結果與實測沉降對比如圖7所示。由圖7可知，起吊時，斷面C現場監測沉降規律與有限元模擬結果較吻合，實測沉降數據值略大于計算值。當起重機臂轉動90°時斷面B，C沉降規律相似，此時監測點2-3，2-5沉降值分別為-0.89，-3.42mm；監測點2-1，1-4沉降值分別為3.28，-4.65mm；整體呈現南低北高的變形趨勢。但轉動90°時斷面B計算值與實測差異較大，考慮到墊板下墊層被壓縮，而斷面C處墊層在起吊時已被壓縮固結穩定，因此，未表現出較大突變，吻合度較高。

圖7 斷面B，C計算結果與實測沉降對比曲線

4.2 回填土區承壓板沉降數據分析

500t汽車式起重機吊裝盾構時，較大荷載施加于雜填土區域，則會對土體產出擠壓繼而會對既有結構及拉森Ⅳ型鋼板樁穩定性產生影響。起吊時，監測點3-1，3-2均表現為隆起，隆起值分別為1.9，1.7mm，這與施加荷載后結構變形規律相悖，考慮到起吊過程中起重機以點3-3為力矩中心，此時荷載主要集中在3-3點上，偏心荷載作用下混凝土承壓板產生傾斜，導致一端沉降，另一端隆起。當盾構裝車、起重機卸荷后，此時僅起重機停置在加固區，荷載分配較均勻，此時監測點3-1，3-3處均發生沉降，沉降值均為-0.2mm，證實盾構起吊時混凝土承壓板翹起這一猜想。由于墊板翹起，導致混凝土承壓板受彎中心撓曲變形過大，因此，應采取必要措施對墊板進行加固處理。

5 結語

1)鑒于施工進度、場地限制等因素影響，設計了一種地下結構交叉施工臨時盾構吊裝方法，實踐證明，該方法具有良好實用性，可以推廣應用。

2)對吊裝過程4種特殊工況進行計算，結果表明，盾構剛吊起出井時對下方地下結構差異沉降的影響最顯著，而后隨著起重機臂旋轉，荷載分散施加于結構上，結構差異沉降及最大沉降均呈現減小趨勢。

3)施工荷載致使地下環路結構頂板最大主應力迅速增大，且4種工況下頂板最大主應力均集中出現在梁柱交接處，隨著起重機臂轉動，頂板應力位置及數值未發生顯著變化；地下環路西側填土造成結構產生應力集中現象，導致附加應力的產生，對結構產生影響，應力主要集中發生在西側豎墻與地板交界線上。

4)地下環線結構西側回填堆土會影響回填區拉森Ⅳ型鋼板樁和地下環線結構抗滑移穩定，應重點關注。