大直径盾构始发钢托架技术研究与应用

张 伟

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司，江苏 南京 210000)

1 工程概况

1.1 线路设计概况

长沙湘雅路过江通道工程是长沙市区“十八横十六纵”34条主干路之一，是湖南省首条双向六车道过江隧道，也是该省目前最大的盾构施工项目，湘雅路过江通道采用隧道形式，西起岳麓区桐梓坡路与岳华路交叉口，东至湘雅路与芙蓉中路交叉口，线路全长约4.18 km，河东、河西分别设置一对进出匝道。隧道的江中段为双向六车道，采用泥水平衡盾构施工(见图1)[1-4]。

1.2 盾构机及管片情况

盾构机整机长度为132 m，整机重量约4 100 t，盾构机的开挖直径为15.01 m，盾构机分为盾构机主机和4节后配套台车，主机长度14.664 m。

管片外径14.5 m,内径13.3 m,厚度60 cm，环宽2.0 m，管片采用“9+1，1/3封顶块”型式，由一个封顶块(F)，两个相邻块(L1，L2)和七个标准块(B1～B7)组成。管片为双面楔型通用楔型管片，楔型量为58 mm，强度等级C60,抗渗等级P12，采用错缝拼装，盾构管片纵缝设置定位棒榫槽，环缝设置分布式凹凸榫(见图2，图3)。

2 始发托架比选

大直径盾构隧道施工时盾构机自重和管片重量都非常大，对大直径盾构始发托架承载力和稳定性要求高，因此目前国内大直径盾构始发大多采用钢筋混凝土现浇机构作为盾构始发托架(见图4，图5)，以保证盾构机组装和始发期间的安全[5]，钢托架应用较少，下面钢筋混凝土托架和钢托架优缺点进行综合对比分析，得出最优方案，对比分析详见表1。

表1 钢托架与混凝土托架优缺点对比

从表1可以看出，钢托架在施工质量、工期、经济性、环保等方面相比混凝土托架优势明显，因此本项目选择钢结构托架作为始发托架[6-8]。

3 钢托架设计及检算

3.1 始发托架设计

该钢结构始发托架采用型钢在工厂加工焊接而成由两侧支撑梁、中间连接梁、外部侧顶梁及斜箱梁底座等组成。支撑梁采用箱形结构，一侧按25°斜角布置，连接梁采用400 mm×200 mm的H型钢用法兰板将两侧支撑梁连接成整体结构，根据盾构施工要求的实际情况，始发托架所用材料均采用Q235B优质碳素钢。盾体托架长16 m，宽9.57 m，纵向对称布置两条盾构机滑行轨道。盾体两侧的托架各设置四根H型钢支撑在工作井侧墙，托架底部采用膨胀螺栓生根至底板结构上。主机托架后方架设4.3 m长的台车轨道，两侧加设管片托架，用于加塞楔块固定管片[9]。托架前端两侧焊接3对300H型钢，增加托架防扭性能。始发托架设计图见图6～图8，钢结构始发托架技术参数详见表2。

3.2 始发托架受力验算

3.2.1 模型建立

该盾构机始发托架主要由支撑梁与连接梁组成，支撑梁为上、下盖板及腹板组成的箱型梁，连接梁为工字型梁。材料主要采用Q235B碳素结构钢，结构模型如图9所示。

表2 始发托架技术参数表

3.2.2 参数选取

始发托架各部件的受力面积及截面系数见表3。

表3 始发托架各部件的受力面积及截面系数

始发托架采用的材料为Q235B，根据GB/T 699标准，材料的屈服极限为：

σs≥245 MPa(钢板厚度t≤16 mm)；

σs≥235 MPa(钢板厚度t>16 mm～40 mm)；

σs≥225 MPa(钢板厚度t>40 mm～63 mm)。

根据GB/T 50017钢结构设计规范，对于按承载能力极限状态计算的钢结构，可变荷载的安全系数为：

γ=0.9×1.4=1.26。

钢结构的结构重要性系数为：

γ0=0.95。

因此，对于不同厚度的钢板，其强度设计值为：

[σs]≥205 MPa(钢板厚度t≤16 mm)；

[σs]≥196 MPa(钢板厚度t>16 mm～40 mm)；

[σs]≥188 MPa(钢板厚度t>40 mm～63 mm)。

3.2.3 计算

1)荷载选取。盾构机由刀盘、前盾、中盾、后盾组成，垂向总载荷按3 500 t计算。

2)模型分析。采用有限元进行计算，由于为全对称结构，采用1/2实体单元进行网格的自动划分。该模型共划分了141 256个单元，165 433个节点,见图10。

3)始发托架静强度理论分析计算。始发托架所受最大压力3 500 t时，根据材料力学理论分析计算如下：

托梁应力计算：

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

连接梁应力计算：

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

4)计算结果。盾构机始发托架最大应力80.5 MPa(见图11)、最大静挠度为0.694 mm；在各载荷工况下，最大应力均小于《钢结构规范》规定的材料许用应力，最大强度和刚度满足使用要求。

4 始发钢托架的安装与验收

始发钢托架设计完成后，在工厂进行加工与拼装，检测合格后，拆解运输至工地分块吊装下井在井下完成安装，安装完成后对钢托架结构尺寸和安装精度进行验收[10]。

4.1 钢托架的安装

1)钢托架各构件运至工地现场吊装前按照构件明细表核对进场构件，查验质量证明单，检查验收构件在运输过程中造成的变形情况，并记录在案，发现问题及时进行矫正至符合规定。2)钢托架安装前测量班应先检查复核盾构始发井轴线位置、高低偏差、平整度、结构几何尺寸、标高，然后弹出十字中心线和引测标高，并必须取得基础验收的合格资料。由于涉及到钢结构制作与安装两方面，又涉及到土建与钢结构之间的关系，因此它们之间的测量工具必须统一[11-12]。3)始发井复测合格后，即可分块吊装钢托架下井安装，安装时使始发托架轴线与盾构始发轴线重合，对于存在高差的部位采用钢板垫平，保证托架平稳、受力均匀。4)托架固定可以采用膨胀螺栓也可采用在始发井底板提前预埋钢板焊接连接的方式，连接件强度需经过受力计算，满足盾构始发要求。5)钢托架两侧采用H型钢支撑至工作井侧墙结构，对钢托架进行加固，并在托架两侧设置防扭支撑。

4.2 钢托架的验收

始发钢托架安装完成后，对托架安装精度和轨道标高精度进行测量，以保证满足盾构始发精度要求，验收情况详见表4，表5。

表4 始发钢托架安装精度验收表 mm

表5 始发钢托架轨道标高轴线测量表

5 钢托架使用情况与分析

5.1 钢架使用情况

湘雅路过江通道始发托架2020年12月25日开始安装，12月28日安装完成，用时3 d，相对混凝土托架提前20天左右；盾构机2020年12月31日开始组装，2021年4月13日完成调试，2021年4月14日开始负环拼装，2021年5月25日完成洞门二次密封，盾构机主机全部脱离始发托，钢托架在盾构始发过程中状况良好，满足了盾构始发要求，但是在使用过程中也存在一些不足之处，在后续使用过程中，需要进一步改进。

5.2 使用过程中出现的问题分析与应对

在实际使用过程中，发现钢托架在大直径盾构组装和始发期间还存在一定的不足，具体表现在以下几个方面：

1)由于大直径盾构始发托架高度较高，钢结构杆件之间存在一定间隙，组装期间人员上下及行走不便，对组装时间有一定影响。

2)由于钢架杆件间有一定间隙，人员在托架上行走，精神不集中时，容易掉落，存在一定的安全风险。

3)受大坡度、小曲线半径的影响，再加上台车单侧集中应力大，实际使用时盾构机建仓完成开始掘进土体过程中，负环脱出盾尾后托架支撑出现变形，导致负环下沉，向一侧偏移。

4)相对于混凝土始发托架，负环防扭支撑需要加长。

针对负环支撑托架出现变形情况，项目采用浇筑混凝土支柱的加固方式，即在负环托架外5 cm处浇筑厚150 cm混凝土支撑，高度至管片处，支撑管片，避免了管片变形进一步加大，见图12。

6 结论与建议

通过湘雅路过江通道工程大盾构组装及始发过程中钢托架使用情况可以看出，在大直径盾构施工中采用钢结构托架带来较多好处，但也存在一些不足，针对这些不足建议在后续大直径盾构项目采用钢托架始发时加以改进。

1)钢托架设计制作时应充分考虑盾构组装期间人员上下及行走通道，增设相应的步梯和行走平台，方便人员上下及行走，提高安全性。

2)托架设计计算时综合考虑盾构机自重、管片自重及盾构机始发掘进过程中可能产生的荷载，提高托架结构的强度和刚度。

3)设计可靠的防扭及竖向支撑，方便管片脱出盾尾后及时支撑负环管片。

4)负环管片脱出盾尾后，管片下方及时浇筑混凝土支撑，防止管片下沉和扭转变形。

7 结语

近年来国内大直径盾构隧道工程项目的不断增多，且一般业主单位对盾构始发节点都有要求，采用传统的钢筋混凝土始发托架，费时费力，不利于保障盾构始发工期节点，始发钢托架在大直径盾构始发过程的成功应用，从一定程度上可以缩短始发托架的施工时间，为盾构按期始发提供支持，对类似工程具有很好的指导意义。