地鐵工程中的盾構(gòu)機(jī)反力架制作和安裝控制要點(diǎn)

翁 均 韓春平 陳建賓

上海市建設(shè)工程監(jiān)理咨詢有限公司 上海 200080

1 工程概況

哈爾濱市軌道交通2號線一期工程土建Ⅲ標(biāo)大耿家站—龍川路站區(qū)間距離1 331.43 m，采用型號CTE6250H-0630盾構(gòu)機(jī)。

盾構(gòu)機(jī)由龍川路站始發(fā)，區(qū)間線路線間距為14 m。左線最大轉(zhuǎn)彎半徑為3 000 m，最小轉(zhuǎn)彎半徑為800 m；右線最大轉(zhuǎn)彎半徑為3 000 m，最小轉(zhuǎn)彎半徑為800 m；區(qū)間線路左、右線均為“V”形坡。左、右線最大坡度均為2.5%，其結(jié)構(gòu)埋覆土為3.50～18.32 m。采用盾構(gòu)直線的方式掘進(jìn)始發(fā)。龍川路站盾構(gòu)機(jī)始發(fā)端頭地質(zhì)從上至下依次為雜填土、素填土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂、中砂。其中隧道范圍內(nèi)主要是細(xì)砂、中砂、粉質(zhì)黏土，穩(wěn)定水位112.53 m。

2 反力架設(shè)計(jì)、制作和安裝

施工開始前，施工單位已上報(bào)盾構(gòu)機(jī)設(shè)備掘進(jìn)專項(xiàng)方案，提請監(jiān)理工程師審批。方案中列出反力架設(shè)計(jì)、計(jì)算小節(jié)并附設(shè)計(jì)計(jì)算書。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼材選用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235，屈服強(qiáng)度σs=225 MPa，抗拉強(qiáng)度σb=375 MPa。主要結(jié)構(gòu)的鋼板厚度選用30 mm，筋板厚度選用16 mm。支撐結(jié)構(gòu)采用φ600 mm×6 mm鋼支撐（圖1）[1-2]。

圖1 始發(fā)井反力架安裝結(jié)構(gòu)

2.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

盾構(gòu)機(jī)總推力按下式計(jì)算：

式中：F1——盾構(gòu)外殼與土體之間的摩擦力 ；

F2——刀盤上的水平推力引起的推力；

F3——切土所需要的推力；

F4——盾尾與管片之間的摩阻力；

F5——后方臺車的阻力。

總扭矩按下式計(jì)算：

式中：M1——刀具的切削扭矩；

M2——刀盤自重產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩；

M3——刀盤的推力荷載產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)扭矩；

M4——密封裝置產(chǎn)生的摩擦力矩；

M5——刀盤前表面上的摩擦力矩；

M6——刀盤圓周面上的摩擦力矩；

M7——刀盤背面的摩擦力矩；

M8——刀盤開口槽的剪切力矩；

M9——刀盤土腔室內(nèi)的攪動力矩。

初始設(shè)計(jì)計(jì)算采用通用鋼結(jié)構(gòu)組件，利用強(qiáng)度仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行校核。在MATLAB軟件中，模擬反力架整體加載盾構(gòu)機(jī)最大推力33 900 kN時(shí)的最大應(yīng)力為162.2 MPa（圖2），小于其屈服強(qiáng)度225 MPa。通過計(jì)算，確定反力架主體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度能夠滿足要求。

圖2 應(yīng)力云圖

2.3 制作

反力架采用Q235B鋼材制作，立柱與橫梁處采用厚25 mm法蘭連接。

2.4 反力架的安裝

反力架安裝之前，先清理車站結(jié)構(gòu)底板。在測量員的配合下對反力架進(jìn)行精確定位，使之與盾構(gòu)機(jī)的中心軸線保持垂直。在安裝反力架時(shí)，反力架平面偏差控制在－10～10 mm之內(nèi)，高程偏差控制在－5～5 mm之內(nèi)。始發(fā)臺水平軸線的垂直方向與反力架的夾角為－2%～2%，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)與設(shè)計(jì)軸線的豎直偏差為－2%～2%，水平趨勢偏差為－3%～3%。為了保證盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)反力架的橫向穩(wěn)定，用型鋼對反力架進(jìn)行橫向固定?？拷囌灸媳苯Y(jié)構(gòu)側(cè)墻的反力架立柱支撐采用雙拼56b#工字鋼，豎向均布3道支撐；遠(yuǎn)離車站結(jié)構(gòu)側(cè)墻的反力架立柱支撐采用雙拼56b#工字鋼，布設(shè)2道斜撐，一端與反力架立柱焊接，另一端與車站底板預(yù)埋件焊接，斜撐與底板夾角為45°。反力架底端橫桿背后設(shè)置2道φ609 mm的鋼管進(jìn)行斜支撐，2個(gè)立柱底各設(shè)置1道φ609 mm鋼管支撐。反力架頂端采用20#的H型鋼與中板進(jìn)行支撐。底板預(yù)埋件采用800 mm×1 200 mm×20 mm鋼板與鋼筋進(jìn)行穿孔焊固定在底板上，焊縫須飽滿。

3 反力架設(shè)計(jì)、制作和安裝的控制要點(diǎn)

3.1 反力架設(shè)計(jì)主體責(zé)任要明確

盾構(gòu)機(jī)作為大型施工設(shè)備，每臺特性都略有不同。不同品牌、不同形式的盾構(gòu)機(jī)對反力架的要求也不同。反力架作為盾構(gòu)機(jī)始發(fā)必備的結(jié)構(gòu)配件，現(xiàn)階段反力架設(shè)計(jì)主體國家還沒有明確，施工中一般由施工單位根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)及環(huán)境條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，屬于施工單位的項(xiàng)目措施內(nèi)容。但按照國家有關(guān)規(guī)定，設(shè)計(jì)文件應(yīng)由具有設(shè)計(jì)資質(zhì)的單位和人員簽字為有效，而施工單位一般不具備該條件。在反力架制作和安裝的過程中，對于架體質(zhì)量控制的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，驗(yàn)收方和施工單位往往存在異議，造成主體責(zé)任不清等問題[3-4]。

筆者認(rèn)為，反力架作為盾構(gòu)機(jī)必備的鋼結(jié)構(gòu)配件，應(yīng)由盾構(gòu)機(jī)制作廠家提供全部反力架及支撐體系的圖紙，圖紙中應(yīng)明確按照外部環(huán)境的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)以指導(dǎo)施工。反力架作為盾構(gòu)機(jī)基礎(chǔ)支撐體系中提供反推力的鋼結(jié)構(gòu)部件，只有盾構(gòu)機(jī)設(shè)計(jì)者才能真正提出外部反力架鋼構(gòu)、支撐架體系鋼構(gòu)和防扭板等受力后的變形量、剛度以及基礎(chǔ)連接方式等的相關(guān)要求，繼而按要求進(jìn)行相應(yīng)的加工制作，從而達(dá)到盾構(gòu)機(jī)受力狀態(tài)合理、姿態(tài)可控的目的。

而對于現(xiàn)場管理者和施工方來說，也都能夠接受以設(shè)備廠家（第三方）提供的設(shè)備基礎(chǔ)圖作為鋼結(jié)構(gòu)反力架及支撐體系等的制作與安裝驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，從而避免由于對盾構(gòu)機(jī)設(shè)備狀況的不熟悉或反力架設(shè)計(jì)的不合理，而造成反力架在使用中存在質(zhì)量和安全隱患，達(dá)到落實(shí)責(zé)任主體的目的。

自盾構(gòu)機(jī)出洞掘進(jìn)伊始，反力架受力后由于土體側(cè)壓力自上而下的變化，合力作用點(diǎn)偏心施加在刀盤上，造成盾構(gòu)體產(chǎn)生附加彎矩，盾尾負(fù)環(huán)管片與反力架間產(chǎn)生豎向滑移趨勢。這種滑移趨勢輕則造成管片局部壓潰或碎裂，重則使盾構(gòu)體姿態(tài)發(fā)生改變?，F(xiàn)今施工單位方案中主要以施工工序和施工工藝設(shè)計(jì)為主，對于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)正如上文所說的沒有能力承擔(dān)。在上述設(shè)計(jì)方案計(jì)算中，考慮了沿盾構(gòu)機(jī)軸線方向外殼與土體的摩擦力（即F1），土體側(cè)壓力變化作用在刀盤表面，呈從上到下逐步增大的分布荷載，并沒有考慮垂直刀盤荷載中由于受力不均產(chǎn)生的附加彎矩，以及刀盤圓環(huán)與盾尾圓環(huán)同軸度偏差而產(chǎn)生的附加力偶。該附加彎矩和力偶會造成盾構(gòu)體圓環(huán)軸線的變形，使負(fù)環(huán)尾部環(huán)體與反力架接觸表面產(chǎn)生滑移趨勢，嚴(yán)重的將造成反力架與負(fù)環(huán)管片間接觸面積的減小。為消除該項(xiàng)變形產(chǎn)生的滑移，在反力架制作過程中應(yīng)在環(huán)管內(nèi)側(cè)周邊增設(shè)徑向擋塊或沿垂直方向在受力面增設(shè)小于摩擦角的圓環(huán)盤，從而消除環(huán)片的滑移趨勢。

3.2 反力架制作過程要精準(zhǔn)

反力架制作應(yīng)按GB 50205—2001《鋼結(jié)構(gòu)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》的要求進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)收?，F(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)應(yīng)按GB 50661—2011《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范》的規(guī)定實(shí)施焊接。鋼結(jié)構(gòu)施工單位應(yīng)具備與工程結(jié)構(gòu)類型相對應(yīng)的資質(zhì)，鋼結(jié)構(gòu)焊接工程相關(guān)人員的資格應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定。鋼結(jié)構(gòu)用材及焊接材料應(yīng)符合設(shè)計(jì)文件要求，并應(yīng)具有鋼廠和焊接材料廠出具的產(chǎn)品質(zhì)量證明書或檢驗(yàn)報(bào)告。按圖紙要求檢查坡口形式和尺寸，檢查施焊前、施焊中和施焊后的焊接質(zhì)量，在自檢合格的前提下進(jìn)行監(jiān)檢。重點(diǎn)檢查焊縫的外觀質(zhì)量和外形尺寸，對進(jìn)場的結(jié)構(gòu)焊接件應(yīng)檢查其焊縫無損檢測記錄。只有認(rèn)真執(zhí)行焊接操作的有關(guān)規(guī)程、規(guī)定，對反力架的制作過程進(jìn)行有效的監(jiān)管和監(jiān)測，反力架制作才能達(dá)到精度要求。

3.3 反力架安裝要牢固

反力架支撐體系安裝應(yīng)精準(zhǔn)，保證反力架在受力狀態(tài)下力的傳導(dǎo)路徑短和接觸面不被壓潰。

按反力架圖紙中對架體支撐體系的要求進(jìn)行支撐構(gòu)件安裝，主要控制點(diǎn)為：

1）鋼結(jié)構(gòu)不變形及涂層不脫落，如若存在涂層脫離和變形要及時(shí)修補(bǔ)。

2）反力架支撐體系中要求頂緊的節(jié)點(diǎn)，其緊貼接觸面不應(yīng)少于70%，且邊緣最大間隙不應(yīng)大于0.8 mm。

3）反力架支撐體系基礎(chǔ)頂面直接作為支撐面和基礎(chǔ)頂面預(yù)埋鋼板時(shí)，其支承面位置允許偏差應(yīng)符合標(biāo)高－3～ 3 mm、水平度l/1 000的要求。

4 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至50～60環(huán)過程中的監(jiān)理質(zhì)量控制要點(diǎn)

1）盾構(gòu)機(jī)出洞掘進(jìn)開始時(shí)，盾體推力、扭矩和掘進(jìn)速度要堅(jiān)持小梯度間歇性增加的方式。此時(shí)在監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行的同時(shí)，要檢查和監(jiān)測反力架運(yùn)行的姿態(tài)和狀態(tài)、架體變形變化、反力架支撐體系本身與基礎(chǔ)建筑體周邊的狀態(tài)變化，采用先試掘、后全面掘進(jìn)的策略。施工前應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)方案的審批和安全與技術(shù)的交底，同時(shí)要求施工單位開展試掘進(jìn)跟蹤監(jiān)測測量，明確盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)技術(shù)數(shù)據(jù)和參數(shù)；因地制宜地采取有效方式解決因設(shè)備由靜態(tài)到動態(tài)、由空載到負(fù)荷而引起的整個(gè)掘進(jìn)設(shè)備姿態(tài)改變的問題，消除設(shè)備本身對隧道工程產(chǎn)生的誤差影響。

2）勤巡視，勤檢查。每臺掘進(jìn)設(shè)備的工作狀態(tài)參數(shù)不完全相同，監(jiān)理應(yīng)加強(qiáng)巡視、檢查，做到及時(shí)監(jiān)督、控制盾構(gòu)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，檢查成型環(huán)管施工的質(zhì)量，以及反力架受力后焊口、支撐變形、基礎(chǔ)連接件等的狀態(tài)，收集相關(guān)數(shù)據(jù)。

3）增加驗(yàn)收環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)層層把關(guān)。盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前確定驗(yàn)收流程和制度，增加設(shè)備驗(yàn)收、條件驗(yàn)收、試掘進(jìn)驗(yàn)收等環(huán)節(jié)。

4）加強(qiáng)設(shè)備驗(yàn)收工作中的平行檢測能力，從質(zhì)量源頭進(jìn)行管控。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中除了常規(guī)的材料驗(yàn)收和見證取樣復(fù)試等工作外，監(jiān)理還應(yīng)根據(jù)施工進(jìn)程和材料進(jìn)場情況，對盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行姿態(tài)、反力架姿態(tài)（初始階段）、管片質(zhì)量、管環(huán)安裝質(zhì)量、環(huán)管軸線偏差、地面建筑物沉降等按一定比例抽取復(fù)測，以確保工程質(zhì)量可靠、施工環(huán)境影響因素可控。

5）發(fā)揮各方管理職能，并發(fā)揮總包的管理作用，使各單位通力合作，做到互為補(bǔ)充、互相協(xié)調(diào)，形成一個(gè)團(tuán)結(jié)戰(zhàn)斗的團(tuán)體，實(shí)現(xiàn)施工的質(zhì)量逐步上升，達(dá)到分級管理的效果。

5 結(jié)語

筆者就本工程盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)工藝中反力架的監(jiān)理質(zhì)量控制進(jìn)行了初步分析和總結(jié)，認(rèn)為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工初始階段的反力架監(jiān)理控制重點(diǎn)如下[5-7]：

1）反力架設(shè)計(jì)主體責(zé)任明確，是控制工程質(zhì)量的前提。

2）反力架架體的穩(wěn)定性、焊接的質(zhì)量和精工制作是反力架發(fā)揮作用，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)前期安全掘進(jìn)的保障。

3）反力架體與地基連接的牢固程度和完整性，是實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)有效運(yùn)行、工程設(shè)備姿態(tài)可控的重要因素。

4）盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中的精細(xì)操作，全面落實(shí)PDCA（計(jì)劃、執(zhí)行、檢查、處理）循環(huán)，是保證隧道工程整體質(zhì)量和進(jìn)度的基石。