軟弱地質(zhì)條件下超大直徑盾構(gòu)吊裝綜合技術(shù)

岳 川，溫曉虎

（1、廣州軌道交通建設(shè)監(jiān)理有限公司 廣州510010；2、廣州地鐵集團有限公司 廣州510335）

0 引言

隨著地下施工技術(shù)的快速發(fā)展，國內(nèi)隧道工程建設(shè)逐年增加，建設(shè)了一批超大直徑的隧道工程。近年來隨著盾構(gòu)法在隧道工程施工中的應(yīng)用越來越廣泛，盾構(gòu)機逐步向超大直徑斷面的方向發(fā)展，隨著開挖斷面不斷增加，盾構(gòu)機各部分組裝構(gòu)件重量也在不斷增大，給盾構(gòu)機吊裝難度與風險帶來新的難題。此外，目前國內(nèi)超大直徑盾構(gòu)隧道施工尚處于起步階段，超大直徑盾構(gòu)吊裝相比一般直徑盾構(gòu)吊裝，在構(gòu)配件上具有超寬、超大、超重等特點，且在吊裝時對地基承載力要求更高，超大直徑盾構(gòu)（直徑12 m 以上）［1］在吊裝區(qū)域地基處理技術(shù)上也有別于一般直徑盾構(gòu)，為避免因地質(zhì)原因造成的盾構(gòu)吊裝風險，需要對軟弱地質(zhì)進行加固，使地基承載力滿足吊裝需要，但是若盾構(gòu)吊裝設(shè)備選擇不當，在盾構(gòu)吊裝過程中也會造成設(shè)備損壞及發(fā)生人員傷亡事故。如何合理選擇地基加固方案及吊裝設(shè)備，使其既能滿足地基承載力要求，也能保證盾構(gòu)設(shè)備吊裝時的受力狀態(tài)，避免發(fā)生盾構(gòu)吊裝施工事故，是超大直徑盾構(gòu)施工管控的重點和難點。

在大型設(shè)備吊裝地基處理方法的研究方面，石嵐等人［2］針對沿海區(qū)域軟弱地質(zhì)吊裝大型設(shè)備時的地基處理技術(shù)，從安全性和經(jīng)濟性論述了地基處理方法；藺金龍等人［3］根據(jù)大塊毛石換填墊層現(xiàn)場壓應(yīng)力測試試驗，最終確定合理的毛石壓力擴散角為30°，為以后大型吊裝場地地基處理提供依據(jù)；李晉［4］以烏蘭木倫特大橋上行線跨包西線鋼蓋梁吊裝工程為背景，研究闡述履帶吊在吊裝過程中引起的地基受力計算，并提出適合現(xiàn)場吊裝過程中的地基換填方案，以保證吊裝過程中安全穩(wěn)定；姜彬等人［5］介紹用混凝土樁加固軟土地基的相關(guān)計算、樁的平立面布置、沉樁工藝等。在大型吊裝設(shè)備選擇研究方面，王欣等人［6］當前吊裝設(shè)備特點和發(fā)展的基礎(chǔ)上，闡述了吊裝技術(shù)和吊裝用起重設(shè)備的發(fā)展趨勢。黃芹朋［7］通過某一具體項目介紹了盾構(gòu)吊裝設(shè)備和工藝要求。耿丹等人［8］對水電工程建設(shè)中大型設(shè)備吊裝時的應(yīng)用進行了研究分析。對于盾構(gòu)吊裝技術(shù)研究方面，蔡小波［9］介紹了超大型盾構(gòu)機的吊裝工藝流程，對安全高效完成盾構(gòu)機吊裝有一定的借鑒意義；李超峰［10］研究了一般直徑盾構(gòu)機吊裝準備和吊裝設(shè)備及吊具的選擇，并進一步探討了安全施工措施；唐衛(wèi)平［11］利用ANSYS 等空間計算軟件分析刀盤吊裝對豎井結(jié)構(gòu)的影響，采取對起重機基礎(chǔ)進行加固處理措施；張康康［12］根據(jù)設(shè)備吊裝經(jīng)驗，研究了盾構(gòu)機設(shè)備吊裝技術(shù)與安全管控方法；曹達等人［13］以某項目吊裝作業(yè)為研究背景，總結(jié)闡述吊裝作業(yè)流程及安全控制要點；孔慶梅等人［14］采用有限元分析法，將現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)與有限元計算結(jié)果進行對比分析，證明在盾構(gòu)機的吊裝過程中，隧道開挖支護結(jié)構(gòu)是安全穩(wěn)定的，有限元分析方法也是有效的。

綜上所述，針對超大直徑盾構(gòu)機吊裝尚存在以下方面問題：①雖然對地基加固處理方法較多，但是多用于港口、電力、地鐵等領(lǐng)域吊裝，其現(xiàn)場吊裝工況與控制因素存在差異；②針對吊裝設(shè)備的選擇，多為履帶式、汽車式、輪胎式起重吊裝機械，針對于門式起重機械設(shè)備研究較少。③研究對象多為一般直徑盾構(gòu)吊裝施工技術(shù)，對超大直徑盾構(gòu)吊裝施工技術(shù)研究較少；④對于軟弱地質(zhì)條件下的超大超重盾構(gòu)設(shè)備吊裝，需要從地基加固、吊裝設(shè)備的受力計算分析結(jié)合現(xiàn)場施工環(huán)境統(tǒng)籌選擇合理的方案進行總結(jié)。文章以汕頭海灣隧道工程超大直徑盾構(gòu)吊裝為例，研究跨海超大直徑公路隧道工程下，從超大直徑盾構(gòu)地基加固、機械設(shè)備和吊裝過程中的受力計算等方面，總結(jié)一套適用于超大直徑盾構(gòu)吊裝相應(yīng)因素的驗算方法，以達到超大直徑盾構(gòu)吊裝安全控制的目的。

1 工程概況及特點

1.1 工程概況

汕頭蘇埃通道被譽為“世界級超級工程”，是為了解決汕頭市“一市兩岸”的格局造成南北兩岸的交通瓶頸而修建的關(guān)鍵性交通樞紐工程，是當時國內(nèi)最大直徑的泥水式平衡盾構(gòu)法施工的跨海公路隧道。隧道設(shè)計全長4.95 km，盾構(gòu)法施工隧道長3.05 km，如圖1所示。隧道采用φ 15 m級超大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工。汕頭蘇埃通道工程項目位于已建的海灣大橋和礐石大橋之間，盾構(gòu)機始發(fā)井位于蘇埃灣海域南岸圍堰內(nèi)，下穿南濱路，穿越蘇埃灣海域，接收井設(shè)在北岸華僑公園內(nèi)。

圖1 項目線路平面位置Fig.1 Project Line Plan Location

1.2 吊裝工況特點

根據(jù)工程現(xiàn)場工作井結(jié)構(gòu)情況，盾構(gòu)吊裝在工作井、預(yù)留井2個工作面同步進行，工作井吊裝設(shè)備選用1 臺650T-22（28）m 龍門吊及400T 履帶式起重機聯(lián)合作業(yè)，主要吊裝刀盤、主驅(qū)動、1#臺車。預(yù)留井采用400T履帶式起重機，吊裝后配套2#～4#臺車。

吊裝時單次吊裝最大重量及尺寸如表1 所示，其中始發(fā)井吊裝施工時龍門吊需要移動16 m 距離，單件設(shè)備最大重量約為570 t，具有盾構(gòu)構(gòu)配件重量大、吊裝作業(yè)范圍廣，設(shè)備吊裝高度高，吊裝時需要對刀盤翻轉(zhuǎn)65°等吊裝特點。綜上所述，無論從單次吊裝最大重量、尺寸及高度來說，對于盾構(gòu)工程均尚屬首次。

表1 單次吊裝最大重量及尺寸Tab.1 Single Lifting Maximum Weight and Size

1.3 吊裝區(qū)域平面布置情況

工作井井口附近有加固區(qū)、施工便道，采用ME325T+325T 龍門吊先行組裝東線盾構(gòu)機主機及1#拖車；東線組裝結(jié)束后，通過門吊平移結(jié)構(gòu)，將門吊平移至西線，進行西線盾構(gòu)機的主機及1#拖車組裝。刀盤翻身時，需要預(yù)留井口400T 履帶吊帶全配重超起配合；主驅(qū)動翻身通過門吊外加翻轉(zhuǎn)架。預(yù)留井口組裝考慮結(jié)構(gòu)頂板的受力及場地布置，采用400T 履帶吊進行2#～5#拖車的組裝。吊裝區(qū)域平面布置如圖2所示。

2 吊裝設(shè)備選型及驗算

根據(jù)現(xiàn)場施工環(huán)境情況，并與設(shè)計單位及龍門吊廠家共同研究決定，主吊裝設(shè)備選擇22～28 m 可變跨距，步距50 cm，ME 650T/22～28 mm 型門式起重機，輔助吊裝設(shè)備選擇400T履帶吊輔助吊裝作業(yè)。

2.1 龍門吊設(shè)計參數(shù)

根據(jù)工作井設(shè)計及周邊環(huán)境情況，對龍門吊進行針對性設(shè)計，龍門吊設(shè)計參數(shù)如表2所示。龍門吊距軌可滿足門吊軌道在工作井的主體結(jié)構(gòu)或圍護結(jié)構(gòu)上受力，地基承載力滿足載荷要求。盾構(gòu)機組裝時，門吊軌距22.5 m，可確保門吊軌道一側(cè)軌道在中間立柱梁中央，一側(cè)軌道在主體結(jié)構(gòu)外邊緣（臨近圍護結(jié)構(gòu)）。

2.2 履帶吊吊裝驗算

圖2 吊裝區(qū)域平面布置Fig.2 Floor Plan of Lifting Area

表2 龍門吊設(shè)計參數(shù)Tab.2 Gantry Crane Design Parameter

2.2.1 工作井履帶吊驗算

工作井的400T履帶吊使用主要是配合650T門吊實施刀盤翻身和1#臺車前半部下井。先對分塊刀盤進行拼焊，焊接完成后由門吊吊往工作井端頭，平移距離約16 m。

履帶吊行走至刀盤焊接區(qū)，配合門吊將刀盤翻身至65°狀態(tài)，其履帶吊受力分為8 個工況，對最不利工況為平抬刀盤的情況受力計算。履帶吊吊點距離重心6.36 m，門吊吊點距離重心7.62 m，如圖3 所示。履帶吊翻身吊裝受力工況如表3所示。按最不利工況受力計算，履帶吊拉力F1=570×7.62/（6.36+7.62）=312.9 t，計算荷載Qj=F1×1.1=344 t。400T履帶吊起吊工況7 m，跨距的額定重量400 t，滿足吊裝安全要求。

圖3 刀盤平移及翻身吊耳位置Fig.3 Positioning of Cutter Pan Translation and Turning Ears

表3 履帶吊翻身吊裝受力工況Tab.3 Model Fineness and Information Grading

2.2.2 預(yù)留井履帶吊裝驗算

預(yù)留井口吊裝連接橋、第2節(jié)臺車至第5節(jié)臺車，其中第2 節(jié)臺車最大質(zhì)量達180 t，吊裝跨距最大約15 m，按照16 m 計算該400T 履帶吊帶超配重16 m 跨距額定起吊重量293 t，如圖4 所示，按1.1 節(jié)安全系數(shù)計算180 t×1.1=198 t＜293 t，滿足吊裝安全要求。

圖4 SCC400C履帶吊超起工況性能Fig.4 Performance of SCC400C Crawler Crane in Super Working Condition

3 吊裝區(qū)域地基加固設(shè)計情況

3.1 龍門吊基礎(chǔ)處理

采用鉆孔灌注樁進行地基預(yù)處理，然后在上方澆筑鋼筋混泥土頂縱梁進行基礎(chǔ)施工，梁底設(shè)置20 cm厚C20 混凝土墊層。采用直徑1 m 鉆孔樁，間距7 m，設(shè)計長度30 m，成樁時要求控制樁端進入巖層0.5 m。

3.2 刀盤堆放區(qū)域地基加固

采用C20 混凝土墊層+0.5 m 厚C30 筏板做基礎(chǔ)，梁底設(shè)置20 cm厚C20混凝土墊層。

3.3 工作井、預(yù)留井履帶吊基礎(chǔ)加固

采用鉆孔灌注樁+混凝土板進行基礎(chǔ)處理，板底設(shè)置20 cm厚C20混凝土墊層。采用直徑1 m鉆孔樁，間距7 m，設(shè)計長度30 m，成樁時要求控制樁端進入巖層1 m。

4 地基承載力驗算

龍門吊自重600 t，起吊最大重量570 t，合計1 170 t，按1 200 t 最不利工況計算地基承載力。履帶吊自重320 t，起吊最大重量約200 t，合計按600 t計算地基承載力。

4.1 龍門吊地基承載力驗算

4.1.1 樁基礎(chǔ)承載力驗算

灌注樁單樁極限承載力標準值計算：Quk=u∑qsik×Li+QpkAp=3.14×1×（25×1.5+20×12.7+45×4.8+140×10.5+200×0.5）+3.14×0.5×0.5×3 500=9 270 kN

單樁豎向承載力特征值：Ra=Quk/2=4 635 kN

4.1.2 樁頂縱梁承載力驗算

如圖5、圖6 所示，單個輪最大集中荷載為415 kN，輪間距1.2 m，均布荷載為q=425/1.2=346 kN/m，梁體自重25 kN/m，縱梁截面尺寸為1 m×1 m，C30 混凝土，主筋為上下2 排各17φ 32 鋼筋。經(jīng)計算，最大裂縫0.065＜0.4 mm；最大撓度：3.944＜35 mm（7 000/200），均滿足要求。

圖5 縱梁荷載標準值簡圖Fig.5 Diagram of Standard Value of Longitudinal Beam Load

圖6 縱梁內(nèi)力及支座反力計算圖Fig.6 Calculation of Internal Force of Longitudinal Beam and Reaction Force of Support

4.1.3 驗算結(jié)果

根據(jù)以上計算結(jié)果，支座反力及樁頂荷載最大為4 299.96＜Ra=4 635 kN，滿足要求。

4.2 刀盤堆放區(qū)域地基承載力驗算

刀盤下方地基平均荷載P=G/π r2=550×9.8/（3.14×7.52）=30.5 kPa，基底荷載P=30.5+25×0.5=43＜50 kPa，滿足要求。

4.3 履帶吊地基承載力驗算

灌注樁單樁極限承載力標準值：Quk=u∑qsik×Li+QpkAp=3.14×1×（25×1.5+20×10+45×5+140×3.5+200×1）+3.14×0.5×0.5×3 500=6 366 kN

單樁豎向承載力特征值：Ra=Quk/2=3 183 kN

履帶吊單側(cè)荷載為300 t，地基分布2 根灌注樁，單根F=1 500 kN＜3 183 kN，滿足要求。

4.4 底板強度驗算

履帶吊履帶長9.5 m，寬1.2 m，每條履帶壓力位Pa=G/（L×R）=600×9.8/（2×9.5×1.2）=257.9 kPa。取板帶1 m寬板帶計算：擾度驗算0.01＜fmax=5 mm；支座最大裂縫0.01＜［ωmax］=0.4 mm；跨中最大裂縫0.005＜［ωmax］=0.4 mm，滿足要求。

5 鋼絲繩、卸扣、吊具驗算

5.1 鋼絲繩驗算

主機中最重體為刀盤（含刀具）理論重量約580 t，吊裝時采用4 個吊點，單個吊點145 t；鋼絲繩水平夾角按60°計算，選用公稱抗拉強度為1 870 MPa的6×61型鋼絲繩，規(guī)格為φ 144 mm×12 m。

計算鋼絲繩允許拉力：［Fg］=α Fg/K=580 000×9.8/0.866=6 563.51 kN

按《建筑施工手冊（第四版）》表14-5 取用α =0.85，K=6.7；故鋼絲繩的鋼絲拉破拉力總和Fg=K［Fg］/α=51 735.9 kN。

單根鋼絲繩的鋼絲破斷拉力總和Fg=51 735.9/4=12 933 kN＜13 400 kN，選用6×61-144 mm 型鋼絲繩，經(jīng)計算滿足要求。

5.2 卸扣受力驗算

卸扣按最大規(guī)格300T 的BX 型卸扣，卸扣按試驗荷載的2 倍極限工作荷載進行驗算，破壞荷載為4 倍極限工作荷載。

5.3 吊具驗算

對主要受力件，其中包括刀盤主吊耳、扁擔梁、過渡板，進行三維建模及有限元分析。

5.3.1 主吊耳

如圖7所示，利用ANSYS對吊耳受力分析計算，結(jié)果顯示刀盤吊耳作業(yè)時，吊耳最大等效應(yīng)力約為118 MPa，吊耳等效應(yīng)力小于100 MPa，吊耳的最大綜合位移為1.25 mm，刀盤吊耳材料采用Q345B 型鋼材料，此材料許用應(yīng)力為295 MPa，故吊耳的設(shè)計滿足強度要求。

圖7 主吊耳最大位移云圖Fig.7 Cloud Map of the Maximum Displacement of the Main Lifting Lug

5.3.2 扁擔梁

如圖8 所示，利用ANSYS 進行分析計算，結(jié)果顯示，刀盤吊裝過程中，扁擔梁的最大等效應(yīng)力約為101 MPa，過渡板等效應(yīng)力小于70 MPa，吊耳最大綜合位移為0.2 mm，刀盤扁擔梁材料為Q345B 型鋼材料，此材料許用應(yīng)力為295 MPa，扁擔梁的設(shè)計滿足強度要求。

圖8 扁擔梁最大位移云圖Fig.8 Cloud Diagram of the Maximum Displacement of the Pole

6 結(jié)論

超大直徑盾構(gòu)機吊裝前，應(yīng)根據(jù)吊裝區(qū)域工程地質(zhì)情況和周邊環(huán)境情況，對吊裝區(qū)域、基礎(chǔ)加固及起重吊裝設(shè)備進行計算分析，選擇合理的吊裝設(shè)備、地基加固措施等，經(jīng)實踐應(yīng)用可采用市政工程施工計算實用手冊（中）對地基基礎(chǔ)進行驗算，采用ANSYS軟件對吊具進行分析，可滿足超大直徑盾構(gòu)吊裝作業(yè)的驗算，可保證超大直徑盾構(gòu)吊裝方案的安全性驗證，為后續(xù)超大直徑盾構(gòu)提供相關(guān)借鑒。