極寒條件下大直徑盾構刀盤焊接保溫棚設計及施工工藝

呂勇方

（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司， 北京 101100）

我國盾構技術隨著城市經濟的發展而逐漸發展起來，如今已有多種盾構機適應不同的地形，對于在極寒環境下的的盾構我國采用的技術較為單一，多數是對盾構設備以及局部重要設備管件的整體保溫[1-5]，對盾構刀盤的保溫涉及較少，極寒環境下的盾構刀盤保溫棚焊接技術在我國的應用并不廣泛，一般情況下只有在北方等靠近俄羅斯的城市在冬季施工時，才會考慮盾構機的保溫。因此相關方面的內容國內領域涉及較少，只存在相關的技術在不同領域中的應用等。

本文針對極寒環境提出了一種新型保溫棚技術，通過建造裝配式可拆卸的保溫棚，使盾構機在冬季的低溫環境下也能夠進行組裝，便利性較以往的傳統技術大大增強，對今后嚴寒環境下盾構設備的組裝具有參考意義。

1 保溫棚及控溫方案設計

1.1 工程概況

本工程位于俄羅斯首都莫斯科地區，本地區冬季氣溫平均在零度以下，而刀盤的焊接以及組裝對溫度的要求在零度以上，因此必須保證盾構機組裝以及部件焊接時的溫度，由于工期原因，不能等到冬季結束以后或者氣溫回升，必須在冬季的嚴寒環境下完成盾構機的組裝，因此需找到一種保證盾構設備正常組裝的方法。

1.2 保溫棚設計

保溫棚整體由鋼桿或者連接構件接連接而成剛桁架，各鋼桿的結點處，利用螺栓，墊片，螺母等零部件，通過不同的連接方式連接，典型的有鋼架頂點處的連接，四桿相交處的連接，兩桿相交處的連接，在各桿件之間連接斜桿增強結構的整體穩定性，整體形狀呈傘狀骨架，側面的一個單元結構呈塔形。最后通過設計傘狀的保溫棚骨架將大直徑盾構機刀盤以及傳輸設備覆蓋起來，并在搭接好的鋼架上安裝保溫材料并密封，來達到封閉保溫的作用。保溫棚所有節點的連接均使用可拆卸式的連接件，在使用完成后可以對保溫棚進行拆卸，對鋼構件實現重復的利用，來達到節約材料，降低造價，節約成本。保溫棚的具體設計以見圖一，圖二。

圖一 保溫棚結構俯視圖

圖二 保溫棚結構正面圖

保溫棚主要由鋼桿以及緊固件的組成。根據盾構刀盤的直徑確定構件的長度。當保溫棚罩在盾構刀盤處，保溫棚的鋼結構主要分為四層，每層均有鋼桿件連接而成，在最頂層的連接由多跟鋼桿成人字形搭接，圍繞盾構刀盤一周，所有頂層桿件圍繞圓周連接在一起，在保溫棚的頂點處將各構件連接起來，連接成為一個整體，加強結構的穩定性；之后每層都用鋼桿連接，各個桿件之間相互利用，搭接成每一層結構的主體，每層的形狀呈等腰梯形，同樣圍繞盾構刀盤一周，連接成整體。最終保溫棚的側面形狀呈人字形塔狀，骨架呈張開的傘狀，并在每層之間連接兩根斜桿，保證結構的整體穩定性；在盾體處的保溫棚由三層鋼架結構組成，整體設計與盾構刀盤處的相同，其最終都會組成一個可拆卸的鋼桁架。保溫棚具體設計與部件連接見下圖三，圖四。

圖三 圓頂展開

圖四 緊固件連接圖

1.3 棚內控溫設計

保溫棚內的保溫主要是通過加熱源來實現，利用保溫棚的密封性以及一些監測設備來保持棚內溫度不變。具體設計為在保溫棚骨架建立完成后，在骨架上覆蓋一層保溫膜，將保溫棚密封起來后，在棚內中部放置兩臺加熱機，放置在場地的中部，保持加熱的溫度均勻，并使溫度保持在零度以上適合盾構刀盤焊接的溫度；在保溫棚內部安裝溫度監控設備如測溫管等，以及連接電熱機的控制系統，當溫度降低時，監測儀器檢測到溫度的變化，并反饋給連接的電熱機系統，使電熱機啟動，使溫度上升到合適的溫度，當溫度過高時，監測儀器接受信息給電熱機的電源，關閉加熱源，使溫度不至于過高，利用此系統來保持保溫棚內的溫度始終保持在合適的范圍。

為精確量化指標，應確保暖棚內溫度下降速度不超過2°C/小時。在暖棚拆除后混凝土與室外溫差不得超過15-20°C。推薦把未來12小時預報溫度的最低值作為室外溫度。作為優選，保證加熱器提升速度為每小時5-7度。同時，養護混凝土時，必須控制其溫度，其變化速度，以及環境溫度。已得數據記入混凝土養護施工日志中。溫度測量頻度: 第1天-每3小時，然后每班-2次。

除了對混凝土的溫度進行監測外，同時還必須監控暖棚內底部（在距離混凝土結構基礎0.4m的高度）和頂部的溫度，以及室外溫度。暖棚內外溫度與混凝土溫度監控應同時進行。

1.4 主要材料要求

（1）骨架。本方案所采用骨架材料均為C245等級的鋼材，截面尺寸主要由以下幾種類型組成：50x50x3,400x10,40x40x3，500x20等，具體根據保溫棚的結構性能選擇適當的截面。

（2）連接件：螺栓，螺母，墊片。螺母墊片等緊固件采用市場采用的常見材料，具體尺寸以及數量根據上圖所示尺寸決定。

（3）保溫材料：而保溫覆蓋膜，作為防潮板聚合物薄膜應為不小于100微米厚的布，可以采用涂膠的布，在選擇其聚合物薄膜類型時，應優先考慮玻璃纖維，聚丙烯或聚乙烯材料。

（4）加熱器：根據保溫棚的大小選擇適當功率的加熱設備，本方案準備兩臺加熱設備。

（5）溫度監測儀：選擇適當的溫度監測設備，并注意需要能夠對零下的低溫進行測量。

結構主體為鋼桁架結構，主要構件為鋼桿以及連接的緊固件如，螺栓，螺母，墊片等。其中鋼結構技術在近年來的發展也以變得成熟，鋼結構以強度高，相比較于其他材料有重量輕，材料可重復利用等特點，施工也較為方便，構件方便在工廠進行預制或現場進行加工，并且施工快，工期較短，在現在的建筑中應用較為廣泛，保溫材料也選擇市場常見的保溫塑料等，可以使技術變得更加可重復利用，適用性更加廣泛。

2 施工方案

2.1 施工工序

施工準備階段：在正式施工前，先選定相關的場地，將無關的東西清理，確保場地空間；同時也需要將所用到的相關材料設備運輸到場地中，做好備用方案應對可能發生的不利情況，合理的安排施工人員的施工以及人員的調度工作，確保施工的正常運行。

正式施工階段：在相關的材料設備，人員安排以及應急方案等安排妥當后，開始保溫棚的安裝工作，按照保溫棚的圖紙開始正式組裝保溫棚，等到保溫棚的骨架組裝完成之后，開始在骨架上覆蓋保溫塑料膜，確保密封性后開始對加熱設備以及保溫棚開設檢測，確保結構的可靠性，加熱設備以及溫度檢測設備能夠正常的運行，最后進行盾構設備的安裝以及焊接工作。

施工完成階段：在保溫棚安裝完成，設備正常運行以及盾構設備安裝正常進行后，對施工區域進行實時監測，確保工作的正常進行，預防意外事故的發生，確保項目順利完成。

2.2 結構施工安裝

本方案主要是保溫棚的結構安裝問題。在安裝保溫棚時，先從骨架的底部開始安裝，將每一層的桿件用螺栓，螺母，墊片等零部件連接起來，等到每一層的結構安裝完成之后，擰緊連接件，開始上層結構的安裝工作，按照相同的順序完成每一層的安裝工作，最后組裝成一個完整的骨架。在骨架完成之后在骨架周圍安裝保溫膜，一般以塑料布為材料，最終完成整個保溫棚的結構。保溫棚結構完成以后可以在棚內安裝其他的相關儀器設備，等到整體系統施工完成后，溫度保持在適宜的范圍，便可對盾構設備進行組裝等操作。

2.3 施工注意事項

（1）確保人員的安全，始終確保人員安全第一的原則；

（2）施工順序嚴格按照要求執行，確保施工的條理性；

（3）設備的使用與安裝按照有關的安全規范以及正常使用要求使用；

（4）對保溫棚內外的溫度要進行實時監測，確保溫度監測儀器的正常運行，保證測量儀器的靈敏性；

（5）保溫棚安裝完成后要對其強度進行檢測，確保結構的安全性；

（6）要嚴格遵循相關的施工安全規范對場地施工時的安全進行管理，并要時時注意預防危險的發生，做好預警工作。

3 結論

大直徑盾構刀盤焊接保溫棚設計是為了在極寒環境下，使盾構設備的組裝空間的溫度能夠保持在一定的范圍內，使盾構設備的安裝能夠在嚴寒環境下順利完成。

根據位于莫斯科的盾構設備安裝項目，本文提出了一種裝配式的保溫棚結構，利用鋼桿組合連接為鋼桁架結構，即使處在極寒環境下，也能夠使盾構設備正常安裝，確保工期的正常進行。保溫棚的施工方案主要在于其便利性以及可靠性，能夠多次重復的利用，材料獲取簡單，組裝以及拆卸簡單，只需連接相關部位的緊固件，便能夠使結構成為一個整體，對于損壞的零部件的安裝也較為方便，并且穩定性可靠，經濟效益比高。

同時本文提出的技術對類似環境下的施工也具有一定的參考意義，解決了極寒環境下大直徑盾構刀盤的焊接以及組裝中對溫度的適應等問題，方案可操作性強，經濟性高，有一定的發展前景。