地铁工程中的盾构机反力架制作和安装控制要点

翁 均 韩春平 陈建宾

上海市建设工程监理咨询有限公司 上海 200080

1 工程概况

哈尔滨市轨道交通2号线一期工程土建Ⅲ标大耿家站—龙川路站区间距离1 331.43 m，采用型号CTE6250H-0630盾构机。

盾构机由龙川路站始发，区间线路线间距为14 m。左线最大转弯半径为3 000 m，最小转弯半径为800 m；右线最大转弯半径为3 000 m，最小转弯半径为800 m；区间线路左、右线均为“V”形坡。左、右线最大坡度均为2.5%，其结构埋覆土为3.50～18.32 m。采用盾构直线的方式掘进始发。龙川路站盾构机始发端头地质从上至下依次为杂填土、素填土、粉质黏土、粉砂、细砂、中砂。其中隧道范围内主要是细砂、中砂、粉质黏土，稳定水位112.53 m。

2 反力架设计、制作和安装

施工开始前，施工单位已上报盾构机设备掘进专项方案，提请监理工程师审批。方案中列出反力架设计、计算小节并附设计计算书。

2.1 结构设计

钢材选用碳素结构钢Q235，屈服强度σs=225 MPa，抗拉强度σb=375 MPa。主要结构的钢板厚度选用30 mm，筋板厚度选用16 mm。支撑结构采用φ600 mm×6 mm钢支撑（图1）[1-2]。

图1 始发井反力架安装结构

2.2 结构计算

盾构机总推力按下式计算：

式中：F1——盾构外壳与土体之间的摩擦力 ；

F2——刀盘上的水平推力引起的推力；

F3——切土所需要的推力；

F4——盾尾与管片之间的摩阻力；

F5——后方台车的阻力。

总扭矩按下式计算：

式中：M1——刀具的切削扭矩；

M2——刀盘自重产生的旋转力矩；

M3——刀盘的推力荷载产生的旋转扭矩；

M4——密封装置产生的摩擦力矩；

M5——刀盘前表面上的摩擦力矩；

M6——刀盘圆周面上的摩擦力矩；

M7——刀盘背面的摩擦力矩；

M8——刀盘开口槽的剪切力矩；

M9——刀盘土腔室内的搅动力矩。

初始设计计算采用通用钢结构组件，利用强度仿真试验模型进行校核。在MATLAB软件中，模拟反力架整体加载盾构机最大推力33 900 kN时的最大应力为162.2 MPa（图2），小于其屈服强度225 MPa。通过计算，确定反力架主体结构的强度能够满足要求。

图2 应力云图

2.3 制作

反力架采用Q235B钢材制作，立柱与横梁处采用厚25 mm法兰连接。

2.4 反力架的安装

反力架安装之前，先清理车站结构底板。在测量员的配合下对反力架进行精确定位，使之与盾构机的中心轴线保持垂直。在安装反力架时，反力架平面偏差控制在－10～10 mm之内，高程偏差控制在－5～5 mm之内。始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角为－2%～2%，盾构机姿态与设计轴线的竖直偏差为－2%～2%，水平趋势偏差为－3%～3%。为了保证盾构推进时反力架的横向稳定，用型钢对反力架进行横向固定。靠近车站南北结构侧墙的反力架立柱支撑采用双拼56b#工字钢，竖向均布3道支撑；远离车站结构侧墙的反力架立柱支撑采用双拼56b#工字钢，布设2道斜撑，一端与反力架立柱焊接，另一端与车站底板预埋件焊接，斜撑与底板夹角为45°。反力架底端横杆背后设置2道φ609 mm的钢管进行斜支撑，2个立柱底各设置1道φ609 mm钢管支撑。反力架顶端采用20#的H型钢与中板进行支撑。底板预埋件采用800 mm×1 200 mm×20 mm钢板与钢筋进行穿孔焊固定在底板上，焊缝须饱满。

3 反力架设计、制作和安装的控制要点

3.1 反力架设计主体责任要明确

盾构机作为大型施工设备，每台特性都略有不同。不同品牌、不同形式的盾构机对反力架的要求也不同。反力架作为盾构机始发必备的结构配件，现阶段反力架设计主体国家还没有明确，施工中一般由施工单位根据现场地质及环境条件进行设计，属于施工单位的项目措施内容。但按照国家有关规定，设计文件应由具有设计资质的单位和人员签字为有效，而施工单位一般不具备该条件。在反力架制作和安装的过程中，对于架体质量控制的验收标准，验收方和施工单位往往存在异议，造成主体责任不清等问题[3-4]。

笔者认为，反力架作为盾构机必备的钢结构配件，应由盾构机制作厂家提供全部反力架及支撑体系的图纸，图纸中应明确按照外部环境的要求进行设计以指导施工。反力架作为盾构机基础支撑体系中提供反推力的钢结构部件，只有盾构机设计者才能真正提出外部反力架钢构、支撑架体系钢构和防扭板等受力后的变形量、刚度以及基础连接方式等的相关要求，继而按要求进行相应的加工制作，从而达到盾构机受力状态合理、姿态可控的目的。

而对于现场管理者和施工方来说，也都能够接受以设备厂家（第三方）提供的设备基础图作为钢结构反力架及支撑体系等的制作与安装验收标准，从而避免由于对盾构机设备状况的不熟悉或反力架设计的不合理，而造成反力架在使用中存在质量和安全隐患，达到落实责任主体的目的。

自盾构机出洞掘进伊始，反力架受力后由于土体侧压力自上而下的变化，合力作用点偏心施加在刀盘上，造成盾构体产生附加弯矩，盾尾负环管片与反力架间产生竖向滑移趋势。这种滑移趋势轻则造成管片局部压溃或碎裂，重则使盾构体姿态发生改变。现今施工单位方案中主要以施工工序和施工工艺设计为主，对于结构设计正如上文所说的没有能力承担。在上述设计方案计算中，考虑了沿盾构机轴线方向外壳与土体的摩擦力（即F1），土体侧压力变化作用在刀盘表面，呈从上到下逐步增大的分布荷载，并没有考虑垂直刀盘荷载中由于受力不均产生的附加弯矩，以及刀盘圆环与盾尾圆环同轴度偏差而产生的附加力偶。该附加弯矩和力偶会造成盾构体圆环轴线的变形，使负环尾部环体与反力架接触表面产生滑移趋势，严重的将造成反力架与负环管片间接触面积的减小。为消除该项变形产生的滑移，在反力架制作过程中应在环管内侧周边增设径向挡块或沿垂直方向在受力面增设小于摩擦角的圆环盘，从而消除环片的滑移趋势。

3.2 反力架制作过程要精准

反力架制作应按GB 50205—2001《钢结构工程施工质量验收规范》的要求进行严格验收。现场钢结构应按GB 50661—2011《钢结构焊接规范》的规定实施焊接。钢结构施工单位应具备与工程结构类型相对应的资质，钢结构焊接工程相关人员的资格应符合有关规定。钢结构用材及焊接材料应符合设计文件要求，并应具有钢厂和焊接材料厂出具的产品质量证明书或检验报告。按图纸要求检查坡口形式和尺寸，检查施焊前、施焊中和施焊后的焊接质量，在自检合格的前提下进行监检。重点检查焊缝的外观质量和外形尺寸，对进场的结构焊接件应检查其焊缝无损检测记录。只有认真执行焊接操作的有关规程、规定，对反力架的制作过程进行有效的监管和监测，反力架制作才能达到精度要求。

3.3 反力架安装要牢固

反力架支撑体系安装应精准，保证反力架在受力状态下力的传导路径短和接触面不被压溃。

按反力架图纸中对架体支撑体系的要求进行支撑构件安装，主要控制点为：

1）钢结构不变形及涂层不脱落，如若存在涂层脱离和变形要及时修补。

2）反力架支撑体系中要求顶紧的节点，其紧贴接触面不应少于70%，且边缘最大间隙不应大于0.8 mm。

3）反力架支撑体系基础顶面直接作为支撑面和基础顶面预埋钢板时，其支承面位置允许偏差应符合标高－3～ 3 mm、水平度l/1 000的要求。

4 盾构机掘进至50～60环过程中的监理质量控制要点

1）盾构机出洞掘进开始时，盾体推力、扭矩和掘进速度要坚持小梯度间歇性增加的方式。此时在监测设备运行的同时，要检查和监测反力架运行的姿态和状态、架体变形变化、反力架支撑体系本身与基础建筑体周边的状态变化，采用先试掘、后全面掘进的策略。施工前应进行专项方案的审批和安全与技术的交底，同时要求施工单位开展试掘进跟踪监测测量，明确盾构机掘进技术数据和参数；因地制宜地采取有效方式解决因设备由静态到动态、由空载到负荷而引起的整个掘进设备姿态改变的问题，消除设备本身对隧道工程产生的误差影响。

2）勤巡视，勤检查。每台掘进设备的工作状态参数不完全相同，监理应加强巡视、检查，做到及时监督、控制盾构机的运行状态，检查成型环管施工的质量，以及反力架受力后焊口、支撑变形、基础连接件等的状态，收集相关数据。

3）增加验收环节，实现层层把关。盾构机始发前确定验收流程和制度，增加设备验收、条件验收、试掘进验收等环节。

4）加强设备验收工作中的平行检测能力，从质量源头进行管控。盾构机掘进过程中除了常规的材料验收和见证取样复试等工作外，监理还应根据施工进程和材料进场情况，对盾构机运行姿态、反力架姿态（初始阶段）、管片质量、管环安装质量、环管轴线偏差、地面建筑物沉降等按一定比例抽取复测，以确保工程质量可靠、施工环境影响因素可控。

5）发挥各方管理职能，并发挥总包的管理作用，使各单位通力合作，做到互为补充、互相协调，形成一个团结战斗的团体，实现施工的质量逐步上升，达到分级管理的效果。

5 结语

笔者就本工程盾构机掘进工艺中反力架的监理质量控制进行了初步分析和总结，认为盾构机掘进施工初始阶段的反力架监理控制重点如下[5-7]：

1）反力架设计主体责任明确，是控制工程质量的前提。

2）反力架架体的稳定性、焊接的质量和精工制作是反力架发挥作用，实现盾构机前期安全掘进的保障。

3）反力架体与地基连接的牢固程度和完整性，是实现盾构机有效运行、工程设备姿态可控的重要因素。

4）盾构机掘进过程中的精细操作，全面落实PDCA（计划、执行、检查、处理）循环，是保证隧道工程整体质量和进度的基石。