陳磊杰， 劉旭鵬， 席培勝， 杜春雨， 李冰清

(1.安徽建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 安徽 合肥 230601； 2.安徽建筑大學(xué) 安徽省城市建設(shè)和地下空間工程技術(shù)研究中心， 安徽 合肥 230601； 3.中鐵隧道局集團路橋工程有限公司， 天津 300300)

近年來，隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的飛速發(fā)展，各個城市先后修建了地鐵。由于盾構(gòu)法掘進速度快，不影響地面交通與設(shè)施且施工勞動強度低，在地鐵修建過程中得到了廣泛應(yīng)用。盾構(gòu)機本身自重大，在掘進作業(yè)完成后的吊裝問題一直是工程實際的一大難題。黃威然等[1]結(jié)合廣州3號線某區(qū)間工程，介紹了300 t盾構(gòu)機整體吊裝轉(zhuǎn)場通過地鐵車站的方法。王志華[2]分析了470 t盾構(gòu)機整體在出入井吊裝時對地鐵車站主體結(jié)構(gòu)的影響。楊咺等[3]探討了北京市軌道交通5號線某盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)機吊裝入井技術(shù)和施工安全控制。羅德智等[4]對盾構(gòu)吊裝之后的運輸方案進行了研究，并成功進行了我國第一次地鐵盾構(gòu)機整體運輸。李聰?shù)萚5]闡述了一種履帶起重機在盾構(gòu)吊裝施工中的新工法。羅垠[6]結(jié)合深圳市地鐵3號線某盾構(gòu)區(qū)間工程，介紹了盾構(gòu)掘進完成后盾構(gòu)機在豎井中吊裝出井的吊裝設(shè)備和機械的選擇。

以合肥火車站前廣場盾構(gòu)機吊裝為例，對不能滿足吊裝承載力要求的既有結(jié)構(gòu)進行臨時性加固。結(jié)合工程實際情況，提出609鋼管加固方案，并通過軟件模擬結(jié)構(gòu)受力和分析應(yīng)力云圖與位移，驗算加固后的結(jié)構(gòu)承載能力，保證盾構(gòu)機順利出井。

1 工程概況

本文主要研究合肥市軌道交通1號線三期工程中瑤海公園站至合肥站。從瑤海公園站出來后，分別下穿勝利北路高架橋(待建)、香江國際佳元居民樓和合肥站站房，最后到達合肥站。其中心里程為右線：K16+473.000；左線：K16+533.912。

本區(qū)間擬采用2臺盾構(gòu)機施工，左右線均從瑤海公園南端出發(fā)，到合肥站結(jié)束。結(jié)束區(qū)域位于合肥火車站站前廣場，地下一層與二層結(jié)構(gòu)分別為火車地下站廳和軌道交通1號線區(qū)間隧道，兩結(jié)構(gòu)上下重疊，如圖1所示。

(a) 平面圖

(b) 1-1剖面圖 (c) 2-2剖面圖圖1 站前廣場吊裝井附近結(jié)構(gòu)圖

盾構(gòu)機掘進至合肥火車站后，需要從站前廣場的吊裝井吊裝而出。但此區(qū)域為無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)，設(shè)計時未考慮這些因素，導(dǎo)致無法承受盾構(gòu)機吊裝時所產(chǎn)生的超重荷載。因此需要對這一區(qū)域結(jié)構(gòu)進行加固并進行數(shù)值模擬研究。

2 荷載計算

為確保加固后的廣場可以承受吊裝時的荷載，減小吊裝過程對火車站站前廣場周圍交通的影響，需要知道吊裝盾構(gòu)機各主要單件的荷載大小及確定吊機的位置。

2.1 盾構(gòu)機主要參數(shù)

合肥1號線瑤海公園站至合肥站區(qū)間所用盾構(gòu)機為鐵建重工復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機，主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 鐵建重工土壓平衡盾構(gòu)機主要參數(shù)

2.2 吊裝作業(yè)

對于盾構(gòu)吊裝，目前的主要方法為汽車吊。汽車吊機的機動性好，轉(zhuǎn)場速度快，操作難度小。但是，隨著起重量增加，汽車吊機自重加大，盾構(gòu)結(jié)構(gòu)容易承受不住。因此，單汽車吊不是本工程案例的最佳選擇。

考慮到盾構(gòu)設(shè)備的尺寸質(zhì)量和結(jié)構(gòu)承載能力，本次吊裝擬采用先拆卸后分體吊裝的方案。但是盾構(gòu)機單件最大質(zhì)量仍在100 t左右，若采用單機起吊，將會使荷載應(yīng)力集中于一個區(qū)域，不利于結(jié)構(gòu)承載。采用雙機吊裝不僅可以減小吊裝產(chǎn)生的應(yīng)力，還可以加快左右線隧道盾構(gòu)機其他配件的吊裝。擬采用兩臺QUY150A型液壓履帶式起重機來吊裝，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 QUY150液壓履帶式起重機主要參數(shù)

2.3 荷載計算

盾構(gòu)機分體后單件的最大質(zhì)量仍達約100 t，吊機的質(zhì)量為150 t，兩臺吊機每臺起重量約為50 t。考慮到實際動載、風(fēng)荷載及吊具等因素，對荷載進行1.2倍系數(shù)放大。同時，為減小起吊過程對混凝土的損傷，在履帶起重機底部鋪設(shè)8 m × 3 m × 0.2 m的鋼板。

由公式σ=∑G/∑S得，

[(50+150)×10×1.2]/(8×3)=100 kPa

為方便計算，可認為結(jié)構(gòu)在圖2陰影部分區(qū)域內(nèi)承受100 kPa的均勻荷載，陰影部位是結(jié)構(gòu)吊裝的最不利位置。

圖2 盾構(gòu)機吊裝荷載作用區(qū)域簡圖

3 地下既有結(jié)構(gòu)加固方案選擇

3.1 幾種常用的混凝土加固方案

鋼筋混凝土根據(jù)加固方法的不同可以分為兩大類：第一類為直接加固法，針對局部構(gòu)件進行有效加固，改善結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能，提高構(gòu)件承載力；第二類為間接加固法，改變結(jié)構(gòu)的受力體系和受力狀態(tài)，調(diào)整荷載的傳導(dǎo)途徑從而達到加固的目的。

3.1.1直接加固法

(1)增大截面加固法。增大截面加固法也稱為外包混凝土加固法，通過在原構(gòu)件外側(cè)增加新的受力鋼筋和澆筑新的混凝土來提高構(gòu)件的強度、剛度、穩(wěn)定性和抗裂性。這種加固法適用范圍較廣，可用于加固混凝土的受彎受壓構(gòu)件。

(2)置換混凝土加固法。置換混凝土加固法適用于承重構(gòu)件受壓區(qū)混凝土的局部加固。即去掉構(gòu)件局部原有的強度不達標或有質(zhì)量缺陷的混凝土，重新澆筑新的高強混凝土。當采用本法時，需對原構(gòu)件加以有效的支撐，并在施工的過程中，對承載狀態(tài)進行驗算、觀測和控制。

(3)外粘型鋼加固法。外粘型鋼加固法，就是在混凝土柱的四周用型鋼包住的一種加固方法。型鋼所起的作用類似于混凝土柱中的箍筋，可以有效地提高混凝土的承載能力。此法在增大結(jié)構(gòu)承載力的同時，不會引起剛度較多增加而導(dǎo)致的地震作用增大。

(4)粘貼纖維復(fù)合材料加固法。粘貼纖維復(fù)合材料加固法是將纖維布或板材粘貼于被加固構(gòu)件的表面，利用纖維的高強度和高彈性模量來達到提高結(jié)構(gòu)受彎能力的目的。目前常用的增強纖維材料有3種：碳纖維、玻璃纖維和芳綸纖維。

3.1.2 間接加固法

(1)改變受力體系加固。改變受力體系加固法是指通過增設(shè)支點使結(jié)構(gòu)受力體系得以改變的加固方法。在梁、板增設(shè)支點后，減少了計算跨度，可以使結(jié)構(gòu)所受的彎矩大幅度減小，并限制梁、板的撓度彎曲，提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

(2)鋼絲繩網(wǎng)片-聚合物砂漿外加層加固法。鋼絲繩網(wǎng)片-聚合物砂漿外加層加固法是將鋼絲繩或網(wǎng)片設(shè)于原構(gòu)件的受拉區(qū)域，再在表面涂抹聚合物砂漿，其工作原理與外加混凝土類似。由于鋼絲繩是受力主體，將原構(gòu)件的承載力轉(zhuǎn)移至外加鋼筋上，而聚合物又可以很好地將其粘結(jié)在原構(gòu)件上形成整體，可以有效提高原構(gòu)件的承載力和剛度。

3.2 方案選擇

本工程需要加固的是地下一層頂?shù)匿摻罨炷量蚣芙Y(jié)構(gòu)，加固的目的是完成盾構(gòu)吊裝和出井運輸這一臨時目標。對于平時的人流荷載，原結(jié)構(gòu)完全可以滿足使用要求，因此加固措施在吊裝任務(wù)完成后需要立即拆除且不能對原結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞。加固區(qū)域為合肥火車站前廣場，屬于大型公共基礎(chǔ)設(shè)施，人流量大，加固施工不允許占用太大場地且施工工期要盡可能短。

結(jié)合本工程特點，決定采取增設(shè)立柱改變原結(jié)構(gòu)的受力體系來對結(jié)構(gòu)進行加固。在立柱的選材中，鋼筋混凝土立柱后期需要破碎混凝土且施工工期久。相比之下，鋼立柱更適合本工程的加固。在眾多的鋼立柱型號中，發(fā)現(xiàn)609鋼管廣泛用于地鐵基坑施工加固及橋梁臨時通道加固，成本低，施工方便。609鋼管直徑為609 mm，壁厚16 mm，可通過固定端和活絡(luò)端節(jié)點調(diào)整高度，節(jié)點間用法蘭盤螺栓連接?？紤]到本工程地下一層層高7.2 m，選用一節(jié)6 m的固定端與1.45 m的活絡(luò)端(調(diào)節(jié)空間0～0.25 m)進行施工。

鋼立柱上部與梁底板細部結(jié)構(gòu)如圖3所示。千斤頂提供軸向力，調(diào)整活絡(luò)頭的收縮，使鋼板墊塊與梁底緊密結(jié)合。鋼立柱下部與基礎(chǔ)梁板的細部結(jié)構(gòu)如圖4所示。立柱下部通過螺栓與底部結(jié)構(gòu)相連，防止立柱工作時滑移。

圖3 鋼立柱與梁交點細部圖 圖4 鋼立柱與梁板底接觸細部圖

考慮到結(jié)構(gòu)加固后要滿足盾構(gòu)機吊裝時產(chǎn)生的超大荷載，將鋼立柱主要布置于結(jié)構(gòu)跨度較大處與縱橫梁的交點處，如圖5所示。

圖5 鋼立柱加固平面圖

4 加固效果分析

4.1 結(jié)構(gòu)建模

在經(jīng)過鋼立柱加固后，為分析加固措施是否能有效保證盾構(gòu)機吊裝的安全性，需對新結(jié)構(gòu)進行數(shù)值模擬與受力分析。采用有限元軟件ABAQUS對原結(jié)構(gòu)進行建模，通過軟件求解結(jié)果評價鋼立柱加固方案的可靠性。

結(jié)合圖2，對區(qū)域1(橫軸20～22，縱軸P～R)及區(qū)域2(橫軸17～19，縱軸N～Q)建模。查閱施工圖紙，確定結(jié)構(gòu)梁板柱混凝土型號，再根據(jù)混凝土設(shè)計規(guī)范，確定結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

結(jié)構(gòu)主梁截面尺寸為800 mm × 1 200 mm，次梁為700 mm × 900 mm，柱為800 mm × 800 mm，板厚為250 mm和300 mm兩種。模型建完之后對結(jié)構(gòu)施加荷載和邊界條件，整個結(jié)構(gòu)上表面承受豎直向下的均布載荷，大小為100 kPa。結(jié)構(gòu)承受自身重力，重力加速度取10 m/s2。兩個區(qū)域模型，如圖6和圖7所示。

圖6 區(qū)域1模型圖 圖7 區(qū)域2模型圖

4.2 結(jié)果分析

區(qū)域1與區(qū)域2的應(yīng)力云圖和位移，如圖8和圖9所示。兩塊區(qū)域都發(fā)生了豎向變形，區(qū)域1應(yīng)力范圍位于0.24～97.71 MPa之間，豎向位移范圍為0～2.86 mm，結(jié)構(gòu)在X、Y、Z方向上最大位移分別為0.52 mm、0.56 mm、2.86 mm。區(qū)域2應(yīng)力變化位于0.55～86.79 MPa之間，豎向位移范圍為0～2.47 mm。結(jié)構(gòu)在X、Y、Z方向上最大位移分別為0.56 mm、0.58 mm、2.47 mm。

圖8 結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析圖

圖9 結(jié)構(gòu)位移分析圖

C40混凝土單軸抗壓強度標準值為26.8 MPa,Q235鋼材屈服強度為235 MPa，混凝土結(jié)構(gòu)和鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)力都遠小于此限值，結(jié)構(gòu)承載能力滿足使用要求。同時區(qū)域梁底最大撓度分別為2.86 mm和2.47 mm，豎向位移較小，小于撓度限值8.4 mm，結(jié)構(gòu)變形能滿足正常使用狀態(tài)的要求。由以上分析可知，用鋼立柱加固合肥火車站站前廣場，可以使得承載能力大幅度提高。在承受吊裝荷載時，結(jié)構(gòu)變形也在可接受范圍內(nèi)，滿足盾構(gòu)機吊裝施工安全性要求。因此，本加固方案可行。

5 結(jié) 語

(1)為使結(jié)構(gòu)滿足盾構(gòu)機出井的吊裝要求，對比多種混凝土結(jié)構(gòu)加固方法，最終確定采用由609鋼管組裝成的臨時立柱加固方法，在荷載影響區(qū)域與結(jié)構(gòu)跨度較大處布置臨時立柱。

(2)臨時立柱的引入增加了支撐點數(shù)量，減小了結(jié)構(gòu)跨度。借助ABAQUS軟件得到結(jié)構(gòu)受到吊裝荷載時的應(yīng)力云圖與位移，分析說明達到了施工安全性要求，加固方案有效。

(3)本文只采用了單一的加固方式。在施工過程中，也可根據(jù)實際，采用不同加固方式組合的加固方案，使施工更方便，有助于盾構(gòu)機更快速出井。