大直徑盾構始發鋼托架技術研究與應用

張 偉

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司，江蘇 南京 210000)

1 工程概況

1.1 線路設計概況

長沙湘雅路過江通道工程是長沙市區“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施工項目，湘雅路過江通道采用隧道形式，西起岳麓區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，采用泥水平衡盾構施工(見圖1)[1-4]。

1.2 盾構機及管片情況

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

管片外徑14.5 m,內徑13.3 m,厚度60 cm，環寬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,抗滲等級P12，采用錯縫拼裝，盾構管片縱縫設置定位棒榫槽，環縫設置分布式凹凸榫(見圖2，圖3)。

2 始發托架比選

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

表1 鋼托架與混凝土托架優缺點對比

從表1可以看出，鋼托架在施工質量、工期、經濟性、環保等方面相比混凝土托架優勢明顯，因此本項目選擇鋼結構托架作為始發托架[6-8]。

3 鋼托架設計及檢算

3.1 始發托架設計

該鋼結構始發托架采用型鋼在工廠加工焊接而成由兩側支撐梁、中間連接梁、外部側頂梁及斜箱梁底座等組成。支撐梁采用箱形結構，一側按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支撐梁連接成整體結構，根據盾構施工要求的實際情況，始發托架所用材料均采用Q235B優質碳素鋼。盾體托架長16 m，寬9.57 m，縱向對稱布置兩條盾構機滑行軌道。盾體兩側的托架各設置四根H型鋼支撐在工作井側墻，托架底部采用膨脹螺栓生根至底板結構上。主機托架后方架設4.3 m長的臺車軌道，兩側加設管片托架，用于加塞楔塊固定管片[9]。托架前端兩側焊接3對300H型鋼，增加托架防扭性能。始發托架設計圖見圖6～圖8，鋼結構始發托架技術參數詳見表2。

3.2 始發托架受力驗算

3.2.1 模型建立

該盾構機始發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碳素結構鋼，結構模型如圖9所示。

表2 始發托架技術參數表

3.2.2 參數選取

始發托架各部件的受力面積及截面系數見表3。

表3 始發托架各部件的受力面積及截面系數

始發托架采用的材料為Q235B，根據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GB/T 50017鋼結構設計規范，對于按承載能力極限狀態計算的鋼結構，可變荷載的安全系數為：

γ=0.9×1.4=1.26。

鋼結構的結構重要性系數為：

γ0=0.95。

因此，對于不同厚度的鋼板，其強度設計值為：

[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，由于為全對稱結構，采用1/2實體單元進行網格的自動劃分。該模型共劃分了141 256個單元，165 433個節點,見圖10。

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

托梁應力計算：

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

連接梁應力計算：

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

4)計算結果。盾構機始發托架最大應力80.5 MPa(見圖11)、最大靜撓度為0.694 mm；在各載荷工況下，最大應力均小于《鋼結構規范》規定的材料許用應力，最大強度和剛度滿足使用要求。

4 始發鋼托架的安裝與驗收

始發鋼托架設計完成后，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構尺寸和安裝精度進行驗收[10]。

4.1 鋼托架的安裝

1)鋼托架各構件運至工地現場吊裝前按照構件明細表核對進場構件，查驗質量證明單，檢查驗收構件在運輸過程中造成的變形情況，并記錄在案，發現問題及時進行矯正至符合規定。2)鋼托架安裝前測量班應先檢查復核盾構始發井軸線位置、高低偏差、平整度、結構幾何尺寸、標高，然后彈出十字中心線和引測標高，并必須取得基礎驗收的合格資料。由于涉及到鋼結構制作與安裝兩方面，又涉及到土建與鋼結構之間的關系，因此它們之間的測量工具必須統一[11-12]。3)始發井復測合格后，即可分塊吊裝鋼托架下井安裝，安裝時使始發托架軸線與盾構始發軸線重合，對于存在高差的部位采用鋼板墊平，保證托架平穩、受力均勻。4)托架固定可以采用膨脹螺栓也可采用在始發井底板提前預埋鋼板焊接連接的方式，連接件強度需經過受力計算，滿足盾構始發要求。5)鋼托架兩側采用H型鋼支撐至工作井側墻結構，對鋼托架進行加固，并在托架兩側設置防扭支撐。

4.2 鋼托架的驗收

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

表4 始發鋼托架安裝精度驗收表 mm

表5 始發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；盾構機2020年12月31日開始組裝，2021年4月13日完成調試，2021年4月14日開始負環拼裝，2021年5月25日完成洞門二次密封，盾構機主機全部脫離始發托，鋼托架在盾構始發過程中狀況良好，滿足了盾構始發要求，但是在使用過程中也存在一些不足之處，在后續使用過程中，需要進一步改進。

5.2 使用過程中出現的問題分析與應對

在實際使用過程中，發現鋼托架在大直徑盾構組裝和始發期間還存在一定的不足，具體表現在以下幾個方面：

1)由于大直徑盾構始發托架高度較高，鋼結構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，再加上臺車單側集中應力大，實際使用時盾構機建倉完成開始掘進土體過程中，負環脫出盾尾后托架支撐出現變形，導致負環下沉，向一側偏移。

4)相對于混凝土始發托架，負環防扭支撐需要加長。

針對負環支撐托架出現變形情況，項目采用澆筑混凝土支柱的加固方式，即在負環托架外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 結論與建議

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

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

2)托架設計計算時綜合考慮盾構機自重、管片自重及盾構機始發掘進過程中可能產生的荷載，提高托架結構的強度和剛度。

3)設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管片。

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

7 結語

近年來國內大直徑盾構隧道工程項目的不斷增多，且一般業主單位對盾構始發節點都有要求，采用傳統的鋼筋混凝土始發托架，費時費力，不利于保障盾構始發工期節點，始發鋼托架在大直徑盾構始發過程的成功應用，從一定程度上可以縮短始發托架的施工時間，為盾構按期始發提供支持，對類似工程具有很好的指導意義。