地铁车站接收端盾构机吊装安全专项施工方案研究

龙建平1，许磊1，高搏2

摘  要:以深圳地铁12号线二期工程沙浦站至松岗站盾构区间为研究背景，对盾构机入场时的场地要求、施工安全、现场管理、吊装设备、施工流程进行了论述。并使用FLAC3D有限元分析软件，对吊机进场施工时，车站接收端顶板承载力安全问题进行了数值模拟，分析了现场施工最不利条件下车站结构顶板的变形情况。研究结果表明，当所有荷载均作用在一条履带上时，车站结构顶板Z方向最大位移为1.5mm；X方向最大位移为0.2mm；Y方向最大位移为0.2mm；结构顶板所受荷载最大值为135KPa<车站接收端顶板设计承载力标准值270KPa，顶板受力满足最大承载力要求，车站结构顶板变形量很小，处于安全状态，吊装施工方案可行。

关键词：盾构机；吊装施工；安全管理；承载力计算

Research on Special construction Scheme of Shield tunneling Machine Hoisting safety at receiving end of Metro station

LONG Jian-ping1, XU Lei1, GAO Bo2,LUO Jian-jun3*

(1.Sinohydro Seventh Engineering Bureau Co., LTD., Chengdu, Sichuan 611730, China;

2. School of Civil Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China;

3.School of Civil Engineering, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, China)

Abstract: Taking the shield tunnel section from Shapu Station to Songgang Station of the second phase of Shenzhen Metro Line 12 as the research background, this paper discusses the site requirements, construction safety, site management, lifting equipment and construction process when shield tunneling machine enters. Using FLAC3D finite element analysis software, the bearing capacity safety of the roof at the receiving end of the station is simulated numerically, and the deformation of the roof of the station structure under the most unfavorable conditions of site construction is analyzed. The results show that when all the loads are applied on one track, the maximum displacement of the roof in the Z-direction of the station structure is 1.5mm. The maximum displacement in X direction is 0.2mm; The maximum displacement in Y direction is 0.2mm. The maximum load on the roof is 135KPa< The design bearing capacity standard value of the roof at the receiving end of the station is 270KPa, and the roof force meets the maximum bearing capacity requirement. The deformation of the roof of the station structure is small, and it is in a safe state. The lifting construction scheme is feasible.

Key words: Shield machine; Lifting construction; Safety management; Calculation of bearing capacity

0  引  言

吊装技术在城市地铁盾构施工当中十分常见[1-[6]]。由于盾构机体形庞大，前盾部分含有各种精密仪器设备，不方便拆解吊装，因此会采用前盾整体吊装，机身分批吊装的方案。但是由于盾构机加上履带吊自重很大，对结构顶部的承载要求高，因此在吊装前需要对吊装方案的可行性进行研究，进一步提高施工过程中的安全性。李超峰[7]研究了盾构机吊装的准备工作和吊装设备及吊具的选择，提出了一些安全控制措施。谭顺利[8]研究了基于履带起重机的地铁盾构吊装施工工序，完善了施工方案。本文采用了FLAC3D数值模拟和理论分析的方法，对地铁车站接收端盾构机吊装方案进行研究，得出该方案的控制标准及可行性，为类似盾构吊装施工提供一定的借鉴意义。

1  工程概况

1.1地形地貌

沙浦站～松岗站区间线路大体呈西南-东北走向，西起于沙浦站，东止于松岗站，区间总长度为772.925m（双延米）。区间左右线均由松岗站始发，沙浦站接收，始发和接收均采用钢套筒。

场地地表水主要为附近河流、塘、沟水；地下水主要为上层滞水、孔隙潜水和基岩裂隙水，上层滞水主要赋存于素填土层。松岗站始发端隧道埋深约9.8m，程地质自上而下地层依次为素填土、填块石、淤泥粉质黏土、粗砂、强风化混合花岗岩。接收端地质剖面图如图1所示。

图1接收端地质剖面图

1.2工作场地概况

施工场地均无架空管线，无建构筑物，无重要管线。施工前，应清理道路和场地，拆除部分围挡，以方便吊机行驶和站位。工作井口吊机作业一侧，履带吊吊装占位为始发井口旁平地，为了增加地基承载力，吊装区域压实后，铺设∅10的钢筋、20cm间距的钢筋网片，浇筑C30混凝土垫层厚度300mm，抗压强度28天后可以达到30MPa。硬化面积为紧靠地连墙，与砂浆站重合位置沿用砂浆站硬化区域。盾构接收井口吊车站位平面位置示意图如图2所示。

图2 盾构接收井口吊车站位平面位置示意图

1.3 盾构机概况

本区间采用2台铁建重工ZTE6440型复合式盾构机，盾构机前盾直径为6440mm，编号为DZ655和DZ656.盾构机最重部件为中盾130t，另外前盾105t，刀盘66t，台车最重为34t。

1.4材料准备

各施工设备材料如表1所示。

表1 施工设备材料

名称	型号规格	作用
履带式起重机	三一重工350吨SCC3500A	主力吊机
汽车起重机	100T、130T、200T汽车起重机	辅助吊机
钢丝绳	Φ80mm×8m	吊前盾、中盾、盾尾、刀盘
钢丝绳	Φ42mm×12m	吊台车、安装机
卡环	55t马蹄型	吊前盾、中盾、盾尾、刀盘
卡环	25t马蹄型	安装机
卡环	17t马蹄形	吊台车
对讲机	X-900新奥电子	通信指挥
麻绳	3股Φ24mm	稳定作用
路基箱	6m*2.4m*0.2m	平衡地面承载力
路基箱	2.4m*2.4m*0.2m	平衡地面承载力

1.5吊装设备准备

通过对盾构各部件重量、结构尺寸、吊装工艺、安全、吊机起重性能以及施工现场实际情况分析，吊装设备拟选用1台三一重工350吨SCC3500A履带起重机，该吊机的性能完全能满足本区间铁建重工盾构机吊装过程中的安全和技术要求。三一重工350吨SCC3500A履带起重机自重340t，单条履带宽度1.2m，有效接地长度9m，两条履带外缘相距8.45m。履带吊最大作业倾角为85°，最小倾角为30°，350t履带吊作为主吊时，翻身采用履带吊自带副臂。根据实际情况，后配套拖车的吊装也可以选用200t汽车吊作为替代吊车。200t汽车吊自重71t，配重65t，横向支腿长度为8.7m，纵向支腿长度9.625m。当台车从出渣口吊装下井时，可采用100t和130t汽车吊配合吊装下井。三一重工350吨SCC3500A履带起重机整机尺寸如图图3 所示。

图3 三一重工350吨SCC3500A履带起重机整机尺寸

2  吊装安全计算

2.1 吊机选用验算

由于此次始发井和接收井均采用350t履带吊或200t汽车吊施工吊装（后配套吊装），350t履带吊作业半径均控制在11米之内，200t汽车吊均控制在14米之内，车辆验算以一个井口施工作业为准。

盾构机单体重量最大的为中盾130t，对其进行吊装校核。350t履带式起重机若能满足中盾的吊装要求，那么盾构机其它构件的吊装要求也能满足。

（1）吊下时起重机的单机起重量按下式计算：

Q≥K（Q1+Q2）；

Q：起重机的起重量（t）；

Q1：构件的重量（t）；

Q2：吊索具、吊钩的重量（t）；

K1：动载系数，取1.1

K2：不均衡系数，取1.1

盾构机盾体重量最大的为中盾130t，对其进行吊装校核。

Q=K1*K2（Q1+Q2）=1.1×1.1×（130+5）=163.35t。

始发井口吊装时履带吊站位于井口端端头吊装，根据履带吊外形尺寸和井口设计图可知：左右线盾构机吊装半径R=履带吊履带宽度÷2+履带吊边缘距离井口边缘距离+盾构机线路中心距离井口边缘的距离=8.4÷2+3.3+3.2=10.7m，此次计算取值为11m。

350t履带式起重机工况：主臂L=24m，作业半径R=11m，额定起重量187t；荷载Q=163.35t﹤额定起重量187t（符合吊装安全规范要求）。

中盾翻身采用350吨履带吊主钩和自带额头副臂副钩抬吊翻身。350t履带吊主臂L=24m，作业半径R=8m（盾体翻身时）。此工况下350t履带吊主钩额定起重量278t，副钩额定起重量为148t。278t×80%=222.4t，148t×80%=118.4t，均大于前盾重量的一半，符合抬吊80%的安全系数要求，并且主副钩总荷载为165t>130t，所以350t履带吊的盾构工况能满足翻身要求。

2.2 地基承载力验算

1.350t履带吊起吊时需要的地基承载力验算（按最大件中盾重量130t计算）

吊装时吊机起吊位置（两条履带下方）为钢筋混凝土地面上垫20mm的钢板。主要考虑350t履带吊，每条履带与地面的接触面为9000mm×1200mm（长×宽），其二条履带分别加垫路基箱，规格为6000mm×2400mm×200mm 共4块。

吊机重量：340t    

    前盾重量：130t       

钢丝绳卸扣加路基箱：20t

合计:340+1.1×（130+5）+20=508.5t

履带吊承载的极限状况为所有荷载均压在单侧履带上，另一侧履带近似不受力，履带接地面积9×1.2=10.8㎡。履带下垫2cm厚的钢板，地面为30cm的钢筋混凝土，履带吊对地基的压力通过钢板和混凝土层传递到土路基上，将履带下钢板和混凝土层看成一个条形基础，履带按45°角扩散，单侧履带扩散到土路基上的面积如图4所示，A=（2.4+0.3+0.3）×（12+0.3+0.3）=37.8m2。

图4 单侧履带扩散到土路基上的面积

单侧履带下地基土荷载计算如下：

；

所以履带吊最不利工况下，地基承载力需达到135kPa，135kPa<车站接收端顶板设计承载力标准值270kPa，因此满足最大承载力要求。

2.3 有限元数值模拟验算

1）建立模型及参数设置

为验证接收端顶板是否能承受履带吊机及起吊货物的重量，采用犀牛（Rhino）软件进行接收端结构及内部钢筋的建模，之后导入Flac3D有限元数值模拟软件进行赋值计算。接收端结构建模如图5所示，材料取值参数如表2所示，结构配筋建模如图6所示，钢筋取值参数如表3及续表3所示。

图5 接收端结构建模

图6 结构配筋建模

表2 材料取值参数

项目名称	强度等级	密度	弹性模量	泊松比	内摩擦角	粘聚力
		ρ	E	ν	φ	c
		Kg/m3	GPa		°	MPa
路基箱		7850	210	0.3
回填土		1800	0.25	0.3	30	5
30cm厚混凝土路面	C30	2300	30	0.2
挡土墙	C30	2300	30	0.2
梁、板、墙、壁柱	C35	2300	31.5	0.2
立柱	C50	2300	34.5	0.2

表3 钢筋取值参数

项目名称	密度	弹性模量	泊松比	截面面积	水泥浆外圈周长
	ρ	E	ν	A	Pg
	Kg/m3	GPa		m2	m
Φ18@150	7850	210	0.2	2.545×10-4	0.314
Φ20@150	7850	210	0.2	3.142×10-4	0.314
Φ22@150	7850	210	0.2	3.801×10-4	0.314
Φ28@150	7850	210	0.2	6.158×10-4	0.314
Φ32@150	7850	210	0.2	8.042×10-4	0.314

续表3

单位长度上水泥的粘结力	水泥浆的内摩擦角	单位长度上水泥浆刚度	抗拉强度	抗压强度
cg	Øg	kg	Ft	Fc
F/L	°	F/L2	Pa	Pa
2×107	45.0	30×109	540×106	400×106

对右侧单履带路基箱施加498.5吨的力进行模拟计算。最不利状况下受力位置如图7所示，结构顶板竖向位移云图如图8所示。

图7 最不利状况下受力位置

图8 结构顶板竖向位移云图

图9 板下表面Z向位移曲线图10 板下表面X向位移曲线

图11 板下表面Y向位移曲线

顶板下表面Z向位移曲线如图9所示，顶板下表面X向位移曲线如图10所示，顶板下表面Y向位移曲线如图11所示。由图9，图10，图11运算结果数据可看出，结构整体Z方向最大位移为1.4127mm，整体X方向最大位移为0.12872mm，整体Y方向最大位移为0.65319mm。

3  结论

通过采用FLAC3D软件模拟现场盾构吊装施工方案得出，结构顶板所受荷载最大值为135KPa<车站接收端顶板设计承载力标准值270KPa，顶板受力满足最大承载力要求，车站结构顶板变形量很小，处于安全状态，吊装施工方案可行。

参考文献

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[3] 张美东,盾构机吊装施工实践[J].中国电力企业管理,2021,(12):86-87.

[4] 魏向阳.超大直径盾构出井吊装对工作井影响研究[J].

铁道建筑技术,2021,(2):136-140+173.

[5] 历朋林.软土地层深基坑盾构吊装有限元分析[C]//2020年工业建筑学术交流会论文集(下册).北京:工业建筑杂志社,2020:638-643.

[6] 刘帅,孟康,周晶.盾构机吊装进退场技术案例分析[J].东北水利水电,2020,38(5):7-9+71.

[7] 李超峰.地铁盾构机吊装技术研究[J].工程设备与材料,2019,4(8):106-107.

[8] 谭顺利.履带起重机结构特性及其在盾构吊装施工中的应用[J].工程机械与维修,2022(1):100-101.

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[6]收稿日期：2022-10-16

作者简介：龙建平(1978—),男,四川省广安市武胜县,本科,工程师,主要从事盾构施工管理方面的研究.E-mail: [e-mail]

通讯作者：骆建军(1971—),男,湖南省汨罗市,博士后,教授,博士研究生导师,主要从事隧道与地下工程方面的研究.E-mail: [e-mail]