李明宇，張啟瑞，孫連勇，門燕青，周明祥，溫法慶

(1.鄭州大學，河南 鄭州 450001；2.濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250101；3.中鐵十六局集團地鐵工程有限公司，北京 100020；4.中鐵十八局第三工程有限公司，河北 涿州 072750)

隨著城市高速發(fā)展，人口快速擴張，城市交通問題變得十分嚴峻，為有效利用城市地下空間解決城市交通問題，盾構(gòu)法施工在地鐵建設(shè)中以其安全性、適宜性、經(jīng)濟性等特點在我國得到廣泛推廣。盾構(gòu)機進、出洞在地鐵建設(shè)中既是關(guān)鍵環(huán)節(jié)又是工程事故多發(fā)階段[1]，施工過程中，盾構(gòu)始發(fā)[2-4]、吊裝[5-6]及轉(zhuǎn)場[7-8]為不可回避的工程難題。在盾構(gòu)吊裝出井、下井方案中，如設(shè)計不合理或施工操作不當，將會引發(fā)既有地下結(jié)構(gòu)損壞、基坑坍塌等工程事故，造成重大經(jīng)濟損失[9]。因此，利用多種分析方法評判盾構(gòu)吊出井、下井施工作業(yè)方案的合理性、安全性和可行性，對于地下工程設(shè)計與施工安全具有較高實用價值[10]。

以濟南中央商務(wù)區(qū)綢帶公園站南端頭盾構(gòu)吊裝接收工程為對象，闡述地下工程交叉施工中利用臨建地下道路結(jié)構(gòu)吊裝接收盾構(gòu)機的施工方法，并重點分析盾構(gòu)機起吊與轉(zhuǎn)場過程中，吊裝盾構(gòu)機產(chǎn)生的偏心荷載對地下道路側(cè)向變形、差異沉降及結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。

1 工程概況

濟南市CBD市政配套工程歷下廣場站—綢帶公園站區(qū)間，盾構(gòu)自歷下廣場站北端頭第一次始發(fā)，到達綢帶公園站南端頭后分拆、解體吊出，轉(zhuǎn)場運輸至歷下廣場站。該吊裝井周圍環(huán)境較復雜，如圖1所示，出井口以北為在建綢帶公園站，南側(cè)為地下空間開發(fā)區(qū)，東側(cè)為待建區(qū)(目前為基坑)，接收井周邊現(xiàn)有建筑物距吊裝區(qū)域較遠，吊裝過程對周邊環(huán)境影響較小。綢帶公園站接收井西側(cè)基坑范圍為待建區(qū)，為了盾構(gòu)吊裝運輸需要，整理水平寬20m場地，填土內(nèi)埋設(shè)4根直徑為1.6m鋼管樁，內(nèi)部使用素混凝土填充，填土區(qū)外圍采用雙I28作為圍護，圍護兩側(cè)利用鋼絲繩對拉。吊裝井西側(cè)地下環(huán)路頂板為起重機站位區(qū)域，結(jié)構(gòu)南端頭結(jié)構(gòu)頂板為盾構(gòu)放置平臺，平面布置如圖2所示。

圖1 盾構(gòu)接收井及起重機位置現(xiàn)場照片

圖2 平面及監(jiān)測點布置

地下環(huán)路空間結(jié)構(gòu)如圖3所示，地下結(jié)構(gòu)頂部東面預(yù)留有盾構(gòu)吊裝孔，中部為350t履帶式起重機起重機站位，起重機履帶位于站位區(qū)域2條梁上，西面為盾構(gòu)放置平臺，在地下環(huán)路西側(cè)為填土區(qū)域。地下結(jié)構(gòu)為2層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，底層高6.4m，2層高10.55m，主體框架結(jié)構(gòu)尺寸為29m(長)×13.6m(寬)；板、柱采用C30混凝土；地下環(huán)路底板下方為天然地基。根據(jù)工程地質(zhì)勘察結(jié)果，在勘察深度范圍所揭露的地層主要包括碎石、強風化泥灰?guī)r、中風化灰?guī)r等。

圖3 地下環(huán)路空間結(jié)構(gòu)

2 吊裝方案

使用350t履帶式起重機進行拆機作業(yè)起吊，使用500t履帶式起重機進行翻身及裝車，起重機參數(shù)如表1所示。

表1 起重機參數(shù)

盾構(gòu)起吊與轉(zhuǎn)場工序如下：在斷面B，C間地下環(huán)線頂板上鋪設(shè)0.5m厚回填土，并澆筑40cm厚C30混凝土板，安放350t履帶式起重機，起重機每條履帶下放置鋼板(10m×2.2m)。500t汽車式起重機作業(yè)平臺施工如下：①在地下環(huán)線結(jié)構(gòu)西側(cè)整平出20m(長)×15m(寬)場地，鋪設(shè)20mm厚鋼板，插打拉森Ⅳ型鋼板樁，鋼板樁入土深度≥3m；②在鋼板樁外側(cè)采用2根I28作為鋼圍檁，間距0.5m，南北側(cè)鋼圍檁采用直徑20mm鋼絲繩對拉，鋼絲繩水平間距0.4m、豎向間距0.5m；③在北側(cè)鋼板樁外側(cè)回填10m厚土方，防止鋼板樁傾覆；④埋設(shè)4根直徑為1.6m鋼管樁，內(nèi)部填充C15素混凝土；⑤回填土夯實至樁頂面，澆筑C30混凝土承壓板，尺寸為15m(長)×13m(寬)×0.4m(高)；⑥安放500t汽車式起重機，起重機4個支撐腿中心對準4根鋼管樁中心；⑥利用350t起重機將盾構(gòu)從井口起吊，經(jīng)順時針轉(zhuǎn)動將盾構(gòu)放在放置平臺上，再經(jīng)500t汽車式起重將盾構(gòu)吊裝裝車。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立

采用MIDAS GTS三維數(shù)值模擬對盾構(gòu)起吊和轉(zhuǎn)場施工過程進行分析。模型尺寸為60m(長)×54.4m(寬)，邊界距離地下環(huán)線結(jié)構(gòu)邊緣為1.5倍地下環(huán)線結(jié)構(gòu)寬度，土層深度為2倍地下環(huán)線結(jié)構(gòu)高度，以此減小底部和側(cè)向約束對計算結(jié)果的影響。模型側(cè)面及底面施加法向約束，土體為實體單元，墻體和樓板為板單元，梁、柱結(jié)構(gòu)為梁單元。建模時材料物理參數(shù)如表2所示。

表2 材料物理性質(zhì)

3.2 荷載方案

盾構(gòu)起吊為動態(tài)過程，起重及盾構(gòu)最大反力可由公式(1)計算，為保證結(jié)構(gòu)足夠安全，動力荷載系數(shù)取1.1[13]。

RMax=a(Q+P)

(1)

式中：P為起重機自重(t)；Q為吊件質(zhì)量(t)；a為動載系數(shù)，取a=1.1[13]。

最大反力R350t=1.1×(321+121)=486.2t。

考慮4種最不利工況進行研究。

1)工況1 盾構(gòu)從吊井起吊時，2條履帶荷載分配不均，由吊裝重心和力矩分配原則，起重機斷面C梁上履帶為力矩中心，此時C梁占據(jù)總荷載的3/4，斷面B，C梁上線荷載分別為121，364kN/m。

2)工況2 盾構(gòu)起吊掛鉤順時針旋轉(zhuǎn)90°時，以起重機履帶靠南端點為力矩中心，根據(jù)力矩分配，此時最不利情況按三角形荷載施加于起重機站位區(qū)域梁上。

3)工況3 將起吊的盾構(gòu)放置于盾構(gòu)放置平臺上，此時荷載由2部分組成：①放置平臺上盾構(gòu)自重平面荷載66.7kN/m2；②起重機自重分布在斷面B，C梁上線荷載均為160.5kN/m。

4)工況4 利用500t汽車式起重機將盾構(gòu)裝車，此時350t起重機還位于地下環(huán)路上，起重機按均布荷載均勻分配在2條履帶下；汽車式起重機裝車過程總荷載作用在4根鋼管樁上，根據(jù)吊裝重心和力矩分配原則，靠近擋墻一側(cè)承擔了3/4荷載，此時汽車式起重機及盾構(gòu)最大反力按公式(1)計算可得：R500t=1.1×(415+121)=589.6t。

3.3 計算結(jié)果分析

4種工況下計算結(jié)果如圖4、表3所示。

圖4 沉降位移云圖(單位：m)

表3 4種工況下計算結(jié)果

1)工況1 對地下環(huán)線結(jié)構(gòu)的影響最明顯，此時地下環(huán)線結(jié)構(gòu)最大沉降在斷面C梁靠中部位置，約-3.29mm；地下環(huán)線結(jié)構(gòu)水平方向最大位移很小，最大值為0.507mm；C-1，C-3頂沉降分別為-2.12， -2.32mm，斷面C在南北方向上最大差異沉降約為1.17mm；斷面A中間頂部沉降為-0.226mm， 則框架結(jié)構(gòu)東西向最大差異沉降為3.064mm；隨著起重機臂旋轉(zhuǎn)，結(jié)構(gòu)最大沉降及差異沉降總體呈減小趨勢。主要原因在于工況1下起重機及盾構(gòu)總荷載的3/4由斷面C梁承擔，在偏心荷載作用下，荷載較集中施加于結(jié)構(gòu)；隨著起重機臂旋轉(zhuǎn)荷載重分配，總荷載較分散地作用在起重機2條履帶上。

2)整個施工過程中，地下環(huán)路結(jié)構(gòu)最大主應(yīng)力均出現(xiàn)在側(cè)墻和底板交接線上；地下環(huán)線結(jié)構(gòu)在構(gòu)建完成時最大主應(yīng)力僅3.92MPa，當填土施工完成后增至18.3MPa，填土造成附加應(yīng)力為14.38MPa。這是由于進行填土區(qū)域施工作業(yè)前，地下環(huán)路西側(cè)已存在高約6m、傾角約10°斜坡，加之堆載高5m填土，過高堆土致使地下環(huán)路產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3)4種工況下地下環(huán)路頂板最大主應(yīng)力云圖如圖5所示。由圖5可知，4種工況下頂板最大主應(yīng)力均集中發(fā)生在斷面B梁柱交接處，其中最小值為3.315MPa(工況2)，施加荷載前頂板最大主應(yīng)力值為1.596MPa，起重機施工致使頂板最大主應(yīng)力值增大了107.7%；而隨著起重機臂旋轉(zhuǎn)，頂板最大主應(yīng)力位置及數(shù)值均未發(fā)生顯著變化。

圖5 頂板最大主應(yīng)力云圖(單位：kPa)

4 盾構(gòu)吊裝變形監(jiān)測

為確保施工安全，現(xiàn)場對地下環(huán)線結(jié)構(gòu)側(cè)墻水平和豎向位移及回填土區(qū)承壓板沉降進行監(jiān)測，監(jiān)測點布置如圖2所示。

4.1 地下結(jié)構(gòu)影響分析

起吊時中斷面E，F(xiàn)計算結(jié)果與實測沉降對比如圖6所示。地下環(huán)線最大沉降實測值與有限元計算結(jié)果基本吻合，只是實際工程中承壓板下方人工回填土壓實度分布不均勻，而有限元數(shù)值模擬無法體現(xiàn)這一點，因此，數(shù)據(jù)規(guī)律略有差異。頂板墊層鋪設(shè)在斷面B，C間，盾構(gòu)從吊井起吊時斷面E上監(jiān)測點2-5表現(xiàn)為下沉，沉降值為-2.93mm， 而監(jiān)測點2-6表現(xiàn)為隆起，對于斷面F上的監(jiān)測點2-1，2-2均表現(xiàn)為隆起，隆起值分別為3.28，-0.46mm，而監(jiān)測點2-3表現(xiàn)為下沉，沉降量為-4.37mm。考慮到起重機下方混凝土承壓板與地下結(jié)構(gòu)頂板間0.5m厚填土，偏心荷載集中施加于斷面C梁上，因此，發(fā)生不均勻沉降，此時混凝土墊板西側(cè)翹起，東西方向最大差異沉降為7.19mm，反映墊板出現(xiàn)翹起現(xiàn)象，中部存在折斷危險。

圖6 斷面E，F(xiàn)計算與實測沉降對比

吊裝過程中斷面B，C計算結(jié)果與實測沉降對比如圖7所示。由圖7可知，起吊時，斷面C現(xiàn)場監(jiān)測沉降規(guī)律與有限元模擬結(jié)果較吻合，實測沉降數(shù)據(jù)值略大于計算值。當起重機臂轉(zhuǎn)動90°時斷面B，C沉降規(guī)律相似，此時監(jiān)測點2-3，2-5沉降值分別為-0.89，-3.42mm；監(jiān)測點2-1，1-4沉降值分別為3.28，-4.65mm；整體呈現(xiàn)南低北高的變形趨勢。但轉(zhuǎn)動90°時斷面B計算值與實測差異較大，考慮到墊板下墊層被壓縮，而斷面C處墊層在起吊時已被壓縮固結(jié)穩(wěn)定，因此，未表現(xiàn)出較大突變，吻合度較高。

圖7 斷面B，C計算結(jié)果與實測沉降對比曲線

4.2 回填土區(qū)承壓板沉降數(shù)據(jù)分析

500t汽車式起重機吊裝盾構(gòu)時，較大荷載施加于雜填土區(qū)域，則會對土體產(chǎn)出擠壓繼而會對既有結(jié)構(gòu)及拉森Ⅳ型鋼板樁穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。起吊時，監(jiān)測點3-1，3-2均表現(xiàn)為隆起，隆起值分別為1.9，1.7mm，這與施加荷載后結(jié)構(gòu)變形規(guī)律相悖，考慮到起吊過程中起重機以點3-3為力矩中心，此時荷載主要集中在3-3點上，偏心荷載作用下混凝土承壓板產(chǎn)生傾斜，導致一端沉降，另一端隆起。當盾構(gòu)裝車、起重機卸荷后，此時僅起重機停置在加固區(qū)，荷載分配較均勻，此時監(jiān)測點3-1，3-3處均發(fā)生沉降，沉降值均為-0.2mm，證實盾構(gòu)起吊時混凝土承壓板翹起這一猜想。由于墊板翹起，導致混凝土承壓板受彎中心撓曲變形過大，因此，應(yīng)采取必要措施對墊板進行加固處理。

5 結(jié)語

1)鑒于施工進度、場地限制等因素影響，設(shè)計了一種地下結(jié)構(gòu)交叉施工臨時盾構(gòu)吊裝方法，實踐證明，該方法具有良好實用性，可以推廣應(yīng)用。

2)對吊裝過程4種特殊工況進行計算，結(jié)果表明，盾構(gòu)剛吊起出井時對下方地下結(jié)構(gòu)差異沉降的影響最顯著，而后隨著起重機臂旋轉(zhuǎn)，荷載分散施加于結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)差異沉降及最大沉降均呈現(xiàn)減小趨勢。

3)施工荷載致使地下環(huán)路結(jié)構(gòu)頂板最大主應(yīng)力迅速增大，且4種工況下頂板最大主應(yīng)力均集中出現(xiàn)在梁柱交接處，隨著起重機臂轉(zhuǎn)動，頂板應(yīng)力位置及數(shù)值未發(fā)生顯著變化；地下環(huán)路西側(cè)填土造成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，導致附加應(yīng)力的產(chǎn)生，對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，應(yīng)力主要集中發(fā)生在西側(cè)豎墻與地板交界線上。

4)地下環(huán)線結(jié)構(gòu)西側(cè)回填堆土會影響回填區(qū)拉森Ⅳ型鋼板樁和地下環(huán)線結(jié)構(gòu)抗滑移穩(wěn)定，應(yīng)重點關(guān)注。