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(tuán)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(guó)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(lái)隨著盾構(gòu)法在隧道工程施工中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，盾構(gòu)機(jī)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(jī)各部分組裝構(gòu)件重量也在不斷增大，給盾構(gòu)機(jī)吊裝難度與風(fēng)險(xiǎn)帶來(lái)新的難題。此外，目前國(guó)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(diǎn)，且在吊裝時(shí)對(duì)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(fēng)險(xiǎn)，需要對(duì)軟弱地質(zhì)進(jìn)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(dāng)，在盾構(gòu)吊裝過(guò)程中也會(huì)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(shí)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(diǎn)和難點(diǎn)。

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(duì)沿海區(qū)域軟弱地質(zhì)吊裝大型設(shè)備時(shí)的地基處理技術(shù)，從安全性和經(jīng)濟(jì)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(chǎng)壓應(yīng)力測(cè)試試驗(yàn)，最終確定合理的毛石壓力擴(kuò)散角為30°，為以后大型吊裝場(chǎng)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(guò)程中引起的地基受力計(jì)算，并提出適合現(xiàn)場(chǎng)吊裝過(guò)程中的地基換填方案，以保證吊裝過(guò)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(jì)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(dāng)前吊裝設(shè)備特點(diǎn)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(shì)。黃芹朋［7］通過(guò)某一具體項(xiàng)目介紹了盾構(gòu)吊裝設(shè)備和工藝要求。耿丹等人［8］對(duì)水電工程建設(shè)中大型設(shè)備吊裝時(shí)的應(yīng)用進(jìn)行了研究分析。對(duì)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(jī)的吊裝工藝流程，對(duì)安全高效完成盾構(gòu)機(jī)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(jī)吊裝準(zhǔn)備和吊裝設(shè)備及吊具的選擇，并進(jìn)一步探討了安全施工措施；唐衛(wèi)平［11］利用ANSYS 等空間計(jì)算軟件分析刀盤吊裝對(duì)豎井結(jié)構(gòu)的影響，采取對(duì)起重機(jī)基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理措施；張康康［12］根據(jù)設(shè)備吊裝經(jīng)驗(yàn)，研究了盾構(gòu)機(jī)設(shè)備吊裝技術(shù)與安全管控方法；曹達(dá)等人［13］以某項(xiàng)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(diǎn)；孔慶梅等人［14］采用有限元分析法，將現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，證明在盾構(gòu)機(jī)的吊裝過(guò)程中，隧道開挖支護(hù)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(duì)超大直徑盾構(gòu)機(jī)吊裝尚存在以下方面問(wèn)題：①雖然對(duì)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(chǎng)吊裝工況與控制因素存在差異；②針對(duì)吊裝設(shè)備的選擇，多為履帶式、汽車式、輪胎式起重吊裝機(jī)械，針對(duì)于門式起重機(jī)械設(shè)備研究較少。③研究對(duì)象多為一般直徑盾構(gòu)吊裝施工技術(shù)，對(duì)超大直徑盾構(gòu)吊裝施工技術(shù)研究較少；④對(duì)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(jì)算分析結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境統(tǒng)籌選擇合理的方案進(jìn)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(jī)械設(shè)備和吊裝過(guò)程中的受力計(jì)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(yàn)算方法，以達(dá)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(diǎn)

1.1 工程概況

汕頭蘇埃通道被譽(yù)為“世界級(jí)超級(jí)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(dāng)時(shí)國(guó)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(jì)全長(zhǎng)4.95 km，盾構(gòu)法施工隧道長(zhǎng)3.05 km，如圖1所示。隧道采用φ 15 m級(jí)超大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工。汕頭蘇埃通道工程項(xiàng)目位于已建的海灣大橋和礐石大橋之間，盾構(gòu)機(jī)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(xiàng)目線路平面位置Fig.1 Project Line Plan Location

1.2 吊裝工況特點(diǎn)

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

吊裝時(shí)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(shí)龍門吊需要移動(dòng)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(shí)需要對(duì)刀盤翻轉(zhuǎn)65°等吊裝特點(diǎn)。綜上所述，無(wú)論從單次吊裝最大重量、尺寸及高度來(lái)說(shuō)，對(duì)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(jī)主機(jī)及1#拖車；東線組裝結(jié)束后，通過(guò)門吊平移結(jié)構(gòu)，將門吊平移至西線，進(jìn)行西線盾構(gòu)機(jī)的主機(jī)及1#拖車組裝。刀盤翻身時(shí)，需要預(yù)留井口400T 履帶吊帶全配重超起配合；主驅(qū)動(dòng)翻身通過(guò)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(chǎng)地布置，采用400T 履帶吊進(jìn)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(yàn)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工環(huán)境情況，并與設(shè)計(jì)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(jī)，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(jì)參數(shù)

根據(jù)工作井設(shè)計(jì)及周邊環(huán)境情況，對(duì)龍門吊進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，龍門吊設(shè)計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)上受力，地基承載力滿足載荷要求。盾構(gòu)機(jī)組裝時(shí)，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(hù)結(jié)構(gòu)）。

2.2 履帶吊吊裝驗(yàn)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(jì)參數(shù)Tab.2 Gantry Crane Design Parameter

2.2.1 工作井履帶吊驗(yàn)算

工作井的400T履帶吊使用主要是配合650T門吊實(shí)施刀盤翻身和1#臺(tái)車前半部下井。先對(duì)分塊刀盤進(jìn)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(gè)工況，對(duì)最不利工況為平抬刀盤的情況受力計(jì)算。履帶吊吊點(diǎn)距離重心6.36 m，門吊吊點(diǎn)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(jì)算，履帶吊拉力F1=570×7.62/（6.36+7.62）=312.9 t，計(jì)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(yàn)算

預(yù)留井口吊裝連接橋、第2節(jié)臺(tái)車至第5節(jié)臺(tái)車，其中第2 節(jié)臺(tái)車最大質(zhì)量達(dá)180 t，吊裝跨距最大約15 m，按照16 m 計(jì)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(jì)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(jì)情況

3.1 龍門吊基礎(chǔ)處理

采用鉆孔灌注樁進(jìn)行地基預(yù)處理，然后在上方澆筑鋼筋混泥土頂縱梁進(jìn)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(jì)長(zhǎng)度30 m，成樁時(shí)要求控制樁端進(jìn)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(jìn)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(jì)長(zhǎng)度30 m，成樁時(shí)要求控制樁端進(jìn)入巖層1 m。

4 地基承載力驗(yàn)算

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

4.1 龍門吊地基承載力驗(yàn)算

4.1.1 樁基礎(chǔ)承載力驗(yàn)算

灌注樁單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)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(yàn)算

如圖5、圖6 所示，單個(gè)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(jì)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(biāo)準(zhǔn)值簡(jiǎn)圖Fig.5 Diagram of Standard Value of Longitudinal Beam Load

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

4.1.3 驗(yàn)算結(jié)果

根據(jù)以上計(jì)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(yàn)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(yàn)算

灌注樁單樁極限承載力標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度驗(yàn)算

履帶吊履帶長(zhǎng)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(jì)算：擾度驗(yàn)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(yàn)算

5.1 鋼絲繩驗(yàn)算

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

計(jì)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(cè)（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(jì)算滿足要求。

5.2 卸扣受力驗(yàn)算

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

5.3 吊具驗(yàn)算

對(duì)主要受力件，其中包括刀盤主吊耳、扁擔(dān)梁、過(guò)渡板，進(jìn)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(duì)吊耳受力分析計(jì)算，結(jié)果顯示刀盤吊耳作業(yè)時(shí)，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(jì)滿足強(qiáng)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(dān)梁

如圖8 所示，利用ANSYS 進(jìn)行分析計(jì)算，結(jié)果顯示，刀盤吊裝過(guò)程中，扁擔(dān)梁的最大等效應(yīng)力約為101 MPa，過(guò)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(dān)梁材料為Q345B 型鋼材料，此材料許用應(yīng)力為295 MPa，扁擔(dān)梁的設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度要求。

圖8 扁擔(dān)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(jī)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(duì)吊裝區(qū)域、基礎(chǔ)加固及起重吊裝設(shè)備進(jìn)行計(jì)算分析，選擇合理的吊裝設(shè)備、地基加固措施等，經(jīng)實(shí)踐應(yīng)用可采用市政工程施工計(jì)算實(shí)用手冊(cè)（中）對(duì)地基基礎(chǔ)進(jìn)行驗(yàn)算，采用ANSYS軟件對(duì)吊具進(jìn)行分析，可滿足超大直徑盾構(gòu)吊裝作業(yè)的驗(yàn)算，可保證超大直徑盾構(gòu)吊裝方案的安全性驗(yàn)證，為后續(xù)超大直徑盾構(gòu)提供相關(guān)借鑒。