地鐵工程中的盾構機反力架制作和安裝控制要點

翁 均 韓春平 陳建賓

上海市建設工程監理咨詢有限公司 上海 200080

1 工程概況

哈爾濱市軌道交通2號線一期工程土建Ⅲ標大耿家站—龍川路站區間距離1 331.43 m，采用型號CTE6250H-0630盾構機。

盾構機由龍川路站始發，區間線路線間距為14 m。左線最大轉彎半徑為3 000 m，最小轉彎半徑為800 m；右線最大轉彎半徑為3 000 m，最小轉彎半徑為800 m；區間線路左、右線均為“V”形坡。左、右線最大坡度均為2.5%，其結構埋覆土為3.50～18.32 m。采用盾構直線的方式掘進始發。龍川路站盾構機始發端頭地質從上至下依次為雜填土、素填土、粉質黏土、粉砂、細砂、中砂。其中隧道范圍內主要是細砂、中砂、粉質黏土，穩定水位112.53 m。

2 反力架設計、制作和安裝

施工開始前，施工單位已上報盾構機設備掘進專項方案，提請監理工程師審批。方案中列出反力架設計、計算小節并附設計計算書。

2.1 結構設計

鋼材選用碳素結構鋼Q235，屈服強度σs=225 MPa，抗拉強度σb=375 MPa。主要結構的鋼板厚度選用30 mm，筋板厚度選用16 mm。支撐結構采用φ600 mm×6 mm鋼支撐（圖1）[1-2]。

圖1 始發井反力架安裝結構

2.2 結構計算

盾構機總推力按下式計算：

式中：F1——盾構外殼與土體之間的摩擦力 ；

F2——刀盤上的水平推力引起的推力；

F3——切土所需要的推力；

F4——盾尾與管片之間的摩阻力；

F5——后方臺車的阻力。

總扭矩按下式計算：

式中：M1——刀具的切削扭矩；

M2——刀盤自重產生的旋轉力矩；

M3——刀盤的推力荷載產生的旋轉扭矩；

M4——密封裝置產生的摩擦力矩；

M5——刀盤前表面上的摩擦力矩；

M6——刀盤圓周面上的摩擦力矩；

M7——刀盤背面的摩擦力矩；

M8——刀盤開口槽的剪切力矩；

M9——刀盤土腔室內的攪動力矩。

初始設計計算采用通用鋼結構組件，利用強度仿真試驗模型進行校核。在MATLAB軟件中，模擬反力架整體加載盾構機最大推力33 900 kN時的最大應力為162.2 MPa（圖2），小于其屈服強度225 MPa。通過計算，確定反力架主體結構的強度能夠滿足要求。

圖2 應力云圖

2.3 制作

反力架采用Q235B鋼材制作，立柱與橫梁處采用厚25 mm法蘭連接。

2.4 反力架的安裝

反力架安裝之前，先清理車站結構底板。在測量員的配合下對反力架進行精確定位，使之與盾構機的中心軸線保持垂直。在安裝反力架時，反力架平面偏差控制在－10～10 mm之內，高程偏差控制在－5～5 mm之內。始發臺水平軸線的垂直方向與反力架的夾角為－2%～2%，盾構機姿態與設計軸線的豎直偏差為－2%～2%，水平趨勢偏差為－3%～3%。為了保證盾構推進時反力架的橫向穩定，用型鋼對反力架進行橫向固定?？拷囌灸媳苯Y構側墻的反力架立柱支撐采用雙拼56b#工字鋼，豎向均布3道支撐；遠離車站結構側墻的反力架立柱支撐采用雙拼56b#工字鋼，布設2道斜撐，一端與反力架立柱焊接，另一端與車站底板預埋件焊接，斜撐與底板夾角為45°。反力架底端橫桿背后設置2道φ609 mm的鋼管進行斜支撐，2個立柱底各設置1道φ609 mm鋼管支撐。反力架頂端采用20#的H型鋼與中板進行支撐。底板預埋件采用800 mm×1 200 mm×20 mm鋼板與鋼筋進行穿孔焊固定在底板上，焊縫須飽滿。

3 反力架設計、制作和安裝的控制要點

3.1 反力架設計主體責任要明確

盾構機作為大型施工設備，每臺特性都略有不同。不同品牌、不同形式的盾構機對反力架的要求也不同。反力架作為盾構機始發必備的結構配件，現階段反力架設計主體國家還沒有明確，施工中一般由施工單位根據現場地質及環境條件進行設計，屬于施工單位的項目措施內容。但按照國家有關規定，設計文件應由具有設計資質的單位和人員簽字為有效，而施工單位一般不具備該條件。在反力架制作和安裝的過程中，對于架體質量控制的驗收標準，驗收方和施工單位往往存在異議，造成主體責任不清等問題[3-4]。

筆者認為，反力架作為盾構機必備的鋼結構配件，應由盾構機制作廠家提供全部反力架及支撐體系的圖紙，圖紙中應明確按照外部環境的要求進行設計以指導施工。反力架作為盾構機基礎支撐體系中提供反推力的鋼結構部件，只有盾構機設計者才能真正提出外部反力架鋼構、支撐架體系鋼構和防扭板等受力后的變形量、剛度以及基礎連接方式等的相關要求，繼而按要求進行相應的加工制作，從而達到盾構機受力狀態合理、姿態可控的目的。

而對于現場管理者和施工方來說，也都能夠接受以設備廠家（第三方）提供的設備基礎圖作為鋼結構反力架及支撐體系等的制作與安裝驗收標準，從而避免由于對盾構機設備狀況的不熟悉或反力架設計的不合理，而造成反力架在使用中存在質量和安全隱患，達到落實責任主體的目的。

自盾構機出洞掘進伊始，反力架受力后由于土體側壓力自上而下的變化，合力作用點偏心施加在刀盤上，造成盾構體產生附加彎矩，盾尾負環管片與反力架間產生豎向滑移趨勢。這種滑移趨勢輕則造成管片局部壓潰或碎裂，重則使盾構體姿態發生改變?，F今施工單位方案中主要以施工工序和施工工藝設計為主，對于結構設計正如上文所說的沒有能力承擔。在上述設計方案計算中，考慮了沿盾構機軸線方向外殼與土體的摩擦力（即F1），土體側壓力變化作用在刀盤表面，呈從上到下逐步增大的分布荷載，并沒有考慮垂直刀盤荷載中由于受力不均產生的附加彎矩，以及刀盤圓環與盾尾圓環同軸度偏差而產生的附加力偶。該附加彎矩和力偶會造成盾構體圓環軸線的變形，使負環尾部環體與反力架接觸表面產生滑移趨勢，嚴重的將造成反力架與負環管片間接觸面積的減小。為消除該項變形產生的滑移，在反力架制作過程中應在環管內側周邊增設徑向擋塊或沿垂直方向在受力面增設小于摩擦角的圓環盤，從而消除環片的滑移趨勢。

3.2 反力架制作過程要精準

反力架制作應按GB 50205—2001《鋼結構工程施工質量驗收規范》的要求進行嚴格驗收?，F場鋼結構應按GB 50661—2011《鋼結構焊接規范》的規定實施焊接。鋼結構施工單位應具備與工程結構類型相對應的資質，鋼結構焊接工程相關人員的資格應符合有關規定。鋼結構用材及焊接材料應符合設計文件要求，并應具有鋼廠和焊接材料廠出具的產品質量證明書或檢驗報告。按圖紙要求檢查坡口形式和尺寸，檢查施焊前、施焊中和施焊后的焊接質量，在自檢合格的前提下進行監檢。重點檢查焊縫的外觀質量和外形尺寸，對進場的結構焊接件應檢查其焊縫無損檢測記錄。只有認真執行焊接操作的有關規程、規定，對反力架的制作過程進行有效的監管和監測，反力架制作才能達到精度要求。

3.3 反力架安裝要牢固

反力架支撐體系安裝應精準，保證反力架在受力狀態下力的傳導路徑短和接觸面不被壓潰。

按反力架圖紙中對架體支撐體系的要求進行支撐構件安裝，主要控制點為：

1）鋼結構不變形及涂層不脫落，如若存在涂層脫離和變形要及時修補。

2）反力架支撐體系中要求頂緊的節點，其緊貼接觸面不應少于70%，且邊緣最大間隙不應大于0.8 mm。

3）反力架支撐體系基礎頂面直接作為支撐面和基礎頂面預埋鋼板時，其支承面位置允許偏差應符合標高－3～ 3 mm、水平度l/1 000的要求。

4 盾構機掘進至50～60環過程中的監理質量控制要點

1）盾構機出洞掘進開始時，盾體推力、扭矩和掘進速度要堅持小梯度間歇性增加的方式。此時在監測設備運行的同時，要檢查和監測反力架運行的姿態和狀態、架體變形變化、反力架支撐體系本身與基礎建筑體周邊的狀態變化，采用先試掘、后全面掘進的策略。施工前應進行專項方案的審批和安全與技術的交底，同時要求施工單位開展試掘進跟蹤監測測量，明確盾構機掘進技術數據和參數；因地制宜地采取有效方式解決因設備由靜態到動態、由空載到負荷而引起的整個掘進設備姿態改變的問題，消除設備本身對隧道工程產生的誤差影響。

2）勤巡視，勤檢查。每臺掘進設備的工作狀態參數不完全相同，監理應加強巡視、檢查，做到及時監督、控制盾構機的運行狀態，檢查成型環管施工的質量，以及反力架受力后焊口、支撐變形、基礎連接件等的狀態，收集相關數據。

3）增加驗收環節，實現層層把關。盾構機始發前確定驗收流程和制度，增加設備驗收、條件驗收、試掘進驗收等環節。

4）加強設備驗收工作中的平行檢測能力，從質量源頭進行管控。盾構機掘進過程中除了常規的材料驗收和見證取樣復試等工作外，監理還應根據施工進程和材料進場情況，對盾構機運行姿態、反力架姿態（初始階段）、管片質量、管環安裝質量、環管軸線偏差、地面建筑物沉降等按一定比例抽取復測，以確保工程質量可靠、施工環境影響因素可控。

5）發揮各方管理職能，并發揮總包的管理作用，使各單位通力合作，做到互為補充、互相協調，形成一個團結戰斗的團體，實現施工的質量逐步上升，達到分級管理的效果。

5 結語

筆者就本工程盾構機掘進工藝中反力架的監理質量控制進行了初步分析和總結，認為盾構機掘進施工初始階段的反力架監理控制重點如下[5-7]：

1）反力架設計主體責任明確，是控制工程質量的前提。

2）反力架架體的穩定性、焊接的質量和精工制作是反力架發揮作用，實現盾構機前期安全掘進的保障。

3）反力架體與地基連接的牢固程度和完整性，是實現盾構機有效運行、工程設備姿態可控的重要因素。

4）盾構機掘進過程中的精細操作，全面落實PDCA（計劃、執行、檢查、處理）循環，是保證隧道工程整體質量和進度的基石。