既有地铁站盾构机吊装结构加固分析

陈磊杰， 刘旭鹏， 席培胜， 杜春雨， 李冰清

(1.安徽建筑大学 土木工程学院， 安徽 合肥 230601； 2.安徽建筑大学 安徽省城市建设和地下空间工程技术研究中心， 安徽 合肥 230601； 3.中铁隧道局集团路桥工程有限公司， 天津 300300)

近年来，随着我国基础设施建设的飞速发展，各个城市先后修建了地铁。由于盾构法掘进速度快，不影响地面交通与设施且施工劳动强度低，在地铁修建过程中得到了广泛应用。盾构机本身自重大，在掘进作业完成后的吊装问题一直是工程实际的一大难题。黄威然等[1]结合广州3号线某区间工程，介绍了300 t盾构机整体吊装转场通过地铁车站的方法。王志华[2]分析了470 t盾构机整体在出入井吊装时对地铁车站主体结构的影响。杨咺等[3]探讨了北京市轨道交通5号线某盾构区间盾构机吊装入井技术和施工安全控制。罗德智等[4]对盾构吊装之后的运输方案进行了研究，并成功进行了我国第一次地铁盾构机整体运输。李聪等[5]阐述了一种履带起重机在盾构吊装施工中的新工法。罗垠[6]结合深圳市地铁3号线某盾构区间工程，介绍了盾构掘进完成后盾构机在竖井中吊装出井的吊装设备和机械的选择。

以合肥火车站前广场盾构机吊装为例，对不能满足吊装承载力要求的既有结构进行临时性加固。结合工程实际情况，提出609钢管加固方案，并通过软件模拟结构受力和分析应力云图与位移，验算加固后的结构承载能力，保证盾构机顺利出井。

1 工程概况

本文主要研究合肥市轨道交通1号线三期工程中瑶海公园站至合肥站。从瑶海公园站出来后，分别下穿胜利北路高架桥(待建)、香江国际佳元居民楼和合肥站站房，最后到达合肥站。其中心里程为右线：K16+473.000；左线：K16+533.912。

本区间拟采用2台盾构机施工，左右线均从瑶海公园南端出发，到合肥站结束。结束区域位于合肥火车站站前广场，地下一层与二层结构分别为火车地下站厅和轨道交通1号线区间隧道，两结构上下重叠，如图1所示。

(a) 平面图

(b) 1-1剖面图 (c) 2-2剖面图图1 站前广场吊装井附近结构图

盾构机掘进至合肥火车站后，需要从站前广场的吊装井吊装而出。但此区域为无粘结预应力结构，设计时未考虑这些因素，导致无法承受盾构机吊装时所产生的超重荷载。因此需要对这一区域结构进行加固并进行数值模拟研究。

2 荷载计算

为确保加固后的广场可以承受吊装时的荷载，减小吊装过程对火车站站前广场周围交通的影响，需要知道吊装盾构机各主要单件的荷载大小及确定吊机的位置。

2.1 盾构机主要参数

合肥1号线瑶海公园站至合肥站区间所用盾构机为铁建重工复合式土压平衡盾构机，主要技术参数如表1所示。

表1 铁建重工土压平衡盾构机主要参数

2.2 吊装作业

对于盾构吊装，目前的主要方法为汽车吊。汽车吊机的机动性好，转场速度快，操作难度小。但是，随着起重量增加，汽车吊机自重加大，盾构结构容易承受不住。因此，单汽车吊不是本工程案例的最佳选择。

考虑到盾构设备的尺寸质量和结构承载能力，本次吊装拟采用先拆卸后分体吊装的方案。但是盾构机单件最大质量仍在100 t左右，若采用单机起吊，将会使荷载应力集中于一个区域，不利于结构承载。采用双机吊装不仅可以减小吊装产生的应力，还可以加快左右线隧道盾构机其他配件的吊装。拟采用两台QUY150A型液压履带式起重机来吊装，主要技术参数如表2所示。

表2 QUY150液压履带式起重机主要参数

2.3 荷载计算

盾构机分体后单件的最大质量仍达约100 t，吊机的质量为150 t，两台吊机每台起重量约为50 t。考虑到实际动载、风荷载及吊具等因素，对荷载进行1.2倍系数放大。同时，为减小起吊过程对混凝土的损伤，在履带起重机底部铺设8 m × 3 m × 0.2 m的钢板。

由公式σ=∑G/∑S得，

[(50+150)×10×1.2]/(8×3)=100 kPa

为方便计算，可认为结构在图2阴影部分区域内承受100 kPa的均匀荷载，阴影部位是结构吊装的最不利位置。

图2 盾构机吊装荷载作用区域简图

3 地下既有结构加固方案选择

3.1 几种常用的混凝土加固方案

钢筋混凝土根据加固方法的不同可以分为两大类：第一类为直接加固法，针对局部构件进行有效加固，改善结构构件的性能，提高构件承载力；第二类为间接加固法，改变结构的受力体系和受力状态，调整荷载的传导途径从而达到加固的目的。

3.1.1直接加固法

(1)增大截面加固法。增大截面加固法也称为外包混凝土加固法，通过在原构件外侧增加新的受力钢筋和浇筑新的混凝土来提高构件的强度、刚度、稳定性和抗裂性。这种加固法适用范围较广，可用于加固混凝土的受弯受压构件。

(2)置换混凝土加固法。置换混凝土加固法适用于承重构件受压区混凝土的局部加固。即去掉构件局部原有的强度不达标或有质量缺陷的混凝土，重新浇筑新的高强混凝土。当采用本法时，需对原构件加以有效的支撑，并在施工的过程中，对承载状态进行验算、观测和控制。

(3)外粘型钢加固法。外粘型钢加固法，就是在混凝土柱的四周用型钢包住的一种加固方法。型钢所起的作用类似于混凝土柱中的箍筋，可以有效地提高混凝土的承载能力。此法在增大结构承载力的同时，不会引起刚度较多增加而导致的地震作用增大。

(4)粘贴纤维复合材料加固法。粘贴纤维复合材料加固法是将纤维布或板材粘贴于被加固构件的表面，利用纤维的高强度和高弹性模量来达到提高结构受弯能力的目的。目前常用的增强纤维材料有3种：碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维。

3.1.2 间接加固法

(1)改变受力体系加固。改变受力体系加固法是指通过增设支点使结构受力体系得以改变的加固方法。在梁、板增设支点后，减少了计算跨度，可以使结构所受的弯矩大幅度减小，并限制梁、板的挠度弯曲，提高结构的承载能力。

(2)钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层加固法。钢丝绳网片-聚合物砂浆外加层加固法是将钢丝绳或网片设于原构件的受拉区域，再在表面涂抹聚合物砂浆，其工作原理与外加混凝土类似。由于钢丝绳是受力主体，将原构件的承载力转移至外加钢筋上，而聚合物又可以很好地将其粘结在原构件上形成整体，可以有效提高原构件的承载力和刚度。

3.2 方案选择

本工程需要加固的是地下一层顶的钢筋混凝土框架结构，加固的目的是完成盾构吊装和出井运输这一临时目标。对于平时的人流荷载，原结构完全可以满足使用要求，因此加固措施在吊装任务完成后需要立即拆除且不能对原结构产生破坏。加固区域为合肥火车站前广场，属于大型公共基础设施，人流量大，加固施工不允许占用太大场地且施工工期要尽可能短。

结合本工程特点，决定采取增设立柱改变原结构的受力体系来对结构进行加固。在立柱的选材中，钢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，钢立柱更适合本工程的加固。在众多的钢立柱型号中，发现609钢管广泛用于地铁基坑施工加固及桥梁临时通道加固，成本低，施工方便。609钢管直径为609 mm，壁厚16 mm，可通过固定端和活络端节点调整高度，节点间用法兰盘螺栓连接。考虑到本工程地下一层层高7.2 m，选用一节6 m的固定端与1.45 m的活络端(调节空间0～0.25 m)进行施工。

钢立柱上部与梁底板细部结构如图3所示。千斤顶提供轴向力，调整活络头的收缩，使钢板垫块与梁底紧密结合。钢立柱下部与基础梁板的细部结构如图4所示。立柱下部通过螺栓与底部结构相连，防止立柱工作时滑移。

图3 钢立柱与梁交点细部图 图4 钢立柱与梁板底接触细部图

考虑到结构加固后要满足盾构机吊装时产生的超大荷载，将钢立柱主要布置于结构跨度较大处与纵横梁的交点处，如图5所示。

图5 钢立柱加固平面图

4 加固效果分析

4.1 结构建模

在经过钢立柱加固后，为分析加固措施是否能有效保证盾构机吊装的安全性，需对新结构进行数值模拟与受力分析。采用有限元软件ABAQUS对原结构进行建模，通过软件求解结果评价钢立柱加固方案的可靠性。

结合图2，对区域1(横轴20～22，纵轴P～R)及区域2(横轴17～19，纵轴N～Q)建模。查阅施工图纸，确定结构梁板柱混凝土型号，再根据混凝土设计规范，确定结构材料参数如表3所示。

表3 结构材料参数

结构主梁截面尺寸为800 mm × 1 200 mm，次梁为700 mm × 900 mm，柱为800 mm × 800 mm，板厚为250 mm和300 mm两种。模型建完之后对结构施加荷载和边界条件，整个结构上表面承受竖直向下的均布载荷，大小为100 kPa。结构承受自身重力，重力加速度取10 m/s2。两个区域模型，如图6和图7所示。

图6 区域1模型图 图7 区域2模型图

4.2 结果分析

区域1与区域2的应力云图和位移，如图8和图9所示。两块区域都发生了竖向变形，区域1应力范围位于0.24～97.71 MPa之间，竖向位移范围为0～2.86 mm，结构在X、Y、Z方向上最大位移分别为0.52 mm、0.56 mm、2.86 mm。区域2应力变化位于0.55～86.79 MPa之间，竖向位移范围为0～2.47 mm。结构在X、Y、Z方向上最大位移分别为0.56 mm、0.58 mm、2.47 mm。

图8 结构应力分析图

图9 结构位移分析图

C40混凝土单轴抗压强度标准值为26.8 MPa,Q235钢材屈服强度为235 MPa，混凝土结构和钢结构的应力都远小于此限值，结构承载能力满足使用要求。同时区域梁底最大挠度分别为2.86 mm和2.47 mm，竖向位移较小，小于挠度限值8.4 mm，结构变形能满足正常使用状态的要求。由以上分析可知，用钢立柱加固合肥火车站站前广场，可以使得承载能力大幅度提高。在承受吊装荷载时，结构变形也在可接受范围内，满足盾构机吊装施工安全性要求。因此，本加固方案可行。

5 结 语

(1)为使结构满足盾构机出井的吊装要求，对比多种混凝土结构加固方法，最终确定采用由609钢管组装成的临时立柱加固方法，在荷载影响区域与结构跨度较大处布置临时立柱。

(2)临时立柱的引入增加了支撑点数量，减小了结构跨度。借助ABAQUS软件得到结构受到吊装荷载时的应力云图与位移，分析说明达到了施工安全性要求，加固方案有效。

(3)本文只采用了单一的加固方式。在施工过程中，也可根据实际，采用不同加固方式组合的加固方案，使施工更方便，有助于盾构机更快速出井。