盾构区间反力架和托架安装施工方案

石家庄市城市轨道交通3号线二期工程

韩通站～北乐乡站区间

反力架和托架安装施工方案

编制：_________

审核：_________

批准：_________

中铁二十局集团第二工程有限公司石家庄地铁3号线二期03标段项目经理部

二〇一九年三月

目录

一、工程概况 (3)

二、反力架 (3)

2.1反力架结构形式 (3)

2.2反力架主梁 (4)

2.1.1立梁 (4)

2.2.2横梁 (4)

2.2.3斜梁 (5)

2.3钢环 (5)

2.4反力架后支撑结构形式 (5)

2.5预埋件 (6)

2.6施工准备 (7)

2.6.1人员配置 (7)

2.6.2主要机械配置 (8)

2.6.3主要材料配置 (8)

2.7施工工艺流程 (8)

2.8施工方法 (8)

2.8.1测量定位 (8)

2.8.2安装反力架底座 (8)

2.8.3安装立梁 (9)

2.8.4安装斜撑和直撑 (9)

2.8.5定位复测及焊接加固 (9)

2.9反力架的受力验算 (9)

2.9.1钢反力架结构稳定性校验 (9)

2.9.2500H型钢强度校核 (10)

2.9.3200H型钢强度验算 (10)

2.9.4H型钢稳定性计算 (10)

2.10施工质量控制 (11)

2.10.1安装误差控制 (11)

2.10.2焊接质量控制 (11)

三、始发托架 (12)

3.1始发托架的结构布置形式 (12)

3.2垫层强度验算 (12)

3.3力学模型 (13)

3.4轨道梁受力分析： (14)

3.5荷载组合效应分析 (14)

3.6荷载取值 (15)

3.7截面承载能力复核 (15)

3.7.1截面参数计算 (15)

3.7.2求最大内力值 (17)

3.8托架安装施工方法及工艺 (17)

四、施工安全注意事项及预防措施 (20)

4.1吊装安全注意事项及人员保护措施 (20)

4.1.1吊装注意事项 (20)

4.1.2人员保护措施 (20)

4.2电焊作业防范措施 (21)

附图一：反力架立面图 (23)

附图二：反力架主梁 (23)

附图三：反力架钢环板 (25)

附图四：反力架支撑钢板预埋位置图 (26)

一、工程概况

韩通站至北乐乡站区间敷设于规划金沙江路南侧，呈东西走向并向南接入东二环沿线，始于太行大街韩通站，止于兴安大街北乐乡站，拟采用盾构法施工。隧道左、右线起讫里程为（左）DK24+691.950~（左）DK26+237.930，左线长度1543.239m，短链长度2.741m （即左DK25+797.259==左DK25+800.000），右线长度1545.98m，隧道推进方向均为北乐乡站至韩通站。区间在DK25+270（带废水泵房）及DK25+770处各设置联络通道，拟采

用矿山法施工。线路最大纵坡为24‰，坡段长为220m。左右线间距13.0~16.2m，区间隧

道顶板埋深约9.0~19.4m，顶板高程约41.8~51.4m，区间断面内径5400mm，结构厚度300mm。衬砌环采用标准环+左右转弯楔形环型式。左线、右线区间盾构机均从北乐乡站始发。

二、反力架

2.1反力架结构形式

由两根立柱和两根横梁以及水平支撑组成。立柱与横梁采用高强螺栓连接，为加强整体性所有节点都为固定连接。反力架为一门式刚架。立柱高度为8200mm，上下各有两个

横梁，跨度为5040mm。具体结构形式见下图。

反力架示意图

2.2反力架主梁

反力架主梁由上横梁、下横梁、左立梁、右立梁、斜梁组成。

反力架主梁图

2.1.1立梁

立梁为30mm 厚的钢板焊接成H 型钢，截面尺寸为1000mm ×600mm 。共两根，由M27*100的8.8级螺栓与底座相连接。

立梁截面图

2.2.2横梁

横梁为30mm 厚的钢板焊接成H 型钢，截面尺寸为1000mm ×300mm 。共两根，由M27*100的8.8级螺栓连接。

横梁截面图

330

1000

30

20

30

600

1000

30

30

30

30

2.2.3斜梁

斜梁为箱式结构，主承重板为30mm 厚Q235B 钢板，加强筋板为20mm 厚Q235B 钢板，箱体截面积为1000mm*300mm 。共四根，斜梁之间由M27*100的8.8级螺栓连接。

斜梁截面图

2.3钢环

反力钢环外径为6000mm ，钢环为箱式结构，截面积尺寸为300mm*300mm 。

反力钢环示

意图 反力架2.4后支撑结构形

式

本标段由于始发井限制，后支撑按照直撑形式分为斜撑和直撑，按照安装位置分为立梁和横梁。采用500H 型钢和200H 型钢。如盾构始发时反力支撑需提供

2000t 的

300

1000

30

30

20

反力，反力架支撑考虑底部及立柱一侧采用水平直支撑，另一侧立柱支撑采用斜撑的方式。

以左线区间为例，南侧立柱是2根500H型钢斜撑，北侧立柱是2根500H型钢直撑，上横梁与下横梁各采用6根200H型钢并排焊接的直撑。具体后支撑采用方式见下图。

北侧后支撑图南侧后支撑图

2.5预埋件

预埋件在车站整体结构竣工前已按设计预埋,预埋件主要为反力架系统提供定位和固

定的基础。底板预埋件有反力架底座安装预埋件（1600mm*1200mm）、反力架斜支撑预埋件（1200mm*1100mm）。

底板预埋件示意图2.6施工准备

2.6.1人员配置

人员配置情况见下表

管理人员配置表

劳动力配置表

2.6.2主要机械配置

2.6.3主要材料配置

2.7施工工艺流程

施工工艺流程图

2.8施工方法

2.8.1测量定位

根据方案及几何尺寸放出反力架位置，使反力架处于一个稳定的平面上。施工范围内有干扰物体及时进行清除。

2.8.2安装反力架底座

先用龙门吊将立柱吊下，然后用手拉葫芦配合龙门吊调整底座位置，刨出底座预埋钢板并焊接牢固，使始发架底座靠管片面与洞门在同一平面以确保始良好的发姿态。

2.8.3安装立梁

用龙门吊将下八字撑吊下，依据测量定位线进行定位焊接。靠管片面应保证与立柱平面相平。

2.8.4安装斜撑和直撑

斜撑采用500H 型钢，直撑采用500H 型钢及200H 型钢混合使用。先跟据测量放线点将斜撑底座的预埋钢板刨出，用汽车吊将斜撑以及直撑吊下，用手拉葫芦配合25t 汽车吊调整斜撑位置，然后满焊加固，用手拉葫芦将直撑吊到合适位置时进行焊接加固。

2.8.5定位复测及焊接加固

最后复测确定反力架安装位置符合始发要求，再将立柱以及直撑和斜撑进行再次焊接加固。

2.9反力架的受力验算

2.9.1钢反力架结构稳定性校验

反力架受力部位主要为两立柱及上下横梁，受力呈对称分布，取其中一根立柱进行受力分析，其承受荷载2000T/4。根据反力架结构形式，作用在反力架的荷载可按均布荷载进行简化计算。按反力架立柱抗弯允许最大挠度15mm 控制。斜撑轴心受压应力不大于钢管的轴心受压强度。

反力架结构立柱截面示意图

单边总荷载

F=2000/4=500T=500× N ； 则均布

q=F/7.6m=500× N/7.6m=0.66× N/m;

取其中一边分析，最大挠度出现在立柱中间得横梁部位。 其挠度为：ωmax=5ql4/384EI ； 单根Q235B 型钢弹性模量

E=2.10× N/ mm 2 I=0.6×13/12-0.54×0.943/12=0.012

600

1000

30

3030

30

代入ωmax=5×0.66×106×(4.15)4/(384×2.10×105×0.012)m=10.1mm<15mm；

故最大荷载作用于反力架产生的挠度满足要求。

2.9.2 500H型钢强度校核

后支撑按照受反力架反力2000t计算如下：

每道斜支撑受力

F＝2000×（N）/4＝5×（N），

H型钢轴向受力F1=F×sin45°=3.5×（N）

载荷σ1 =F1/A=3.5×/（0.01635(m2)）=107MPa

[σ]＝σs/ns＝235MPa/1.5＝156.7MPa

σ1≤[σ]

满足强度要求。

每道直撑受力均为F=5×（N）

载荷σ1 =F/A=5×/（0.01635(m2)）=153MPa

[σ]＝σs/ns＝235MPa/1.5＝156.7MPa

σ1≤[σ]

满足强度要求。

2.9.3 200H型钢强度验算

支撑的截面

A=64.28=0.038 m2

直撑受力为F=5×（N）

直支撑＝F/A＝5×（N）/0.038(m2)＝131.5MPa≤[σ]＝σs/ns＝235MPa/1.5＝156.7MPa

直支撑强度满足要求。

2.9.4 H型钢稳定性计算

临界力：

Pc＝π2EI/L2 其中E＝210×103 MPa

I=（B*H3-b*h3）/12=0.005597（m4）L＝2.10m δ＝20mm

σc＝Pc/A＝1.14×(N)/0.0728(m2)＝1565.9MPa>>σp＝200MPa

所以临界应力采用由实验测得的经验公式进行计算

σc＝σs－aλ2＝235－0.00785×L2×A/I

＝235MPa－0.00785(MPa)×2.102(m2)×0.0728 (m2)/0.005597()

＝235MPa－0.40MPa

＝234.6MPa

N＝ c×A＝234.6(MPa)×0.0728(m2)＝1707.88t≥F＝2000t/10=200t

H型钢支撑稳定，可以使用。

2.10施工质量控制

2.10.1 安装误差控制

1、反力架左右偏差控制在±10mm之内。

2、反力架高程偏差控制在±5mm之内。

3、始发架水平轴线的垂直方向与反力架的夹角＜±2‰。

4、盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差＜±2‰，水平趋势偏差＜±3‰。

2.10.2 焊接质量控制

1、焊接前必须保证焊接面无残渣，防锈漆面全部打磨。

2、焊缝厚度不小于11mm。

3、焊缝长度覆盖整个接缝处。

4、焊缝不得存在未焊满、根部收缩。表面气孔、夹渣、裂纹、和电弧擦伤等缺陷。

5、焊缝外形均匀，焊道与焊道、焊道与基本金属之间过渡平滑，焊渣和飞溅物清除干净。

6、焊缝必须经探伤检验，并应符合设计要求和施工及验收规范的规定，检查焊缝探伤报告。

具体焊接质量标准见下表

三、始发托架

3.1始发托架的结构布置形式

始发托架有若干榀桁架组成，通过轨道梁把桁架连系在一起。形成整体受力结构。盾体之间作用在轨道梁上，由轨道梁传递荷载到桁架上，再由桁架传递到始发井底地基。轨道梁和桁架采用螺栓、焊接形式连接。如下图所示：

始发托架平面示意图

始发托架立面图

3.2垫层强度验算

1、在盾构机始发前，根据始发托架安装高程与底板高程差（580mm），确定始发托架的安装方式，采取下垫570mm高钢桶及2cm厚钢板（如下图所示）

钢桶及钢板组合示意图

垫层受力：F＝（57000+92000+101000+26000+10180）=2861.8（KN）

垫层截面：A＝π*0.31*0.31-π*0.3*0.3*14=0.268 m2

载荷σ1 =F/A=2861.8/0.268=10.678MPa

[σ]＝σs/ns＝235MPa/1.5＝156.7MPa

σ1≤[σ] 满足强度要求

3.3力学模型

如上图所示，始发托架为桁架体系结构。盾体引起的荷载直接作用在轨道梁上，通过桁架传递到井底基础。故轨道梁是计算分析的重点，而桁架只是起到把荷载均匀传递到基础。轨道梁实际是一等跨连续梁（如下图所示）。q(X)为盾体的重量，沿长度方向，盾体自重不一样，故q(X)为x的应变量。

3.4轨道梁受力分析：

如图所示，由于轨道梁布置形式的特殊性，为了便于计算，把荷载P 分解成y 轴方向和z 轴方向两个力矢量Py ，Pz 。P 即为上述q 线荷载在剖切面上的点荷载。

其中：

y z sin P ; P cos P; P O

=ψ*=ψ*ψ=65

3.5荷载组合效应分析

考虑到盾构机始发、过站时，托架都要作为承重结构使用，故应分别计算始发、过站时盾体对托架的荷载效应。

始发姿态，盾体全部作用在始发托架上，如下图所示。

托架受力示意图

托架受力示意图

刀盘

3.6荷载取值

根据盾构机自重和机身部位长度，可以得到详细的各部位的对托架的荷载作用值Q（x）。Q（x）=H*9.8（kN/t）/L ,可得下表详细资料。

1 1

657

*sin*sin65298.

22o

y Q

q kN m =ψ==

；

1 1

657

*cos*cos65140.

22o

z Q

q kN m =ψ==

；

2 2

530

*sin*sin65240.

22o

y Q

q kN m =ψ==

；

2 2

530

*cos*cos65111.

22o

z Q

q kN m =ψ==

；

3 3

384

*sin*sin65174.

22o

y Q

q kN m =ψ==

；

3 3

384

*cos*cos6581.

22o

z Q

q kN m =ψ==

；

4 4

77

*sin*sin6535.

22o

y Q

q kN m =ψ==

；

4 4

77

*cos*cos6516.

22o

z Q

q kN m

=ψ==

；

3.7截面承载能力复核

3.7.1 截面参数计算

由于始发托架的轨道梁布置形式比较特殊，不利于计算，可通过转换变成利于计算的形式（见下图），为考虑偏于安全的原则，我们不计算左侧的工字型截面，而是把这个通长布置的梁作为抗扭转、抗剪切安全储备。

转化后截面形状参数见下图；

截面参数计算：

2

150*432150A mm ==； 2

230*2507500A mm ==； 2

3434*4017360A mm ==；

2

4300*309000A mm ==；

*2150*515.57500*47917360*2479000*15

25221507500173609000

s z

c

s

A y y mm

A

+++=

=

=+++∑∑；

32323232411*50*432150*263.5*250*307500*227121211*40*43417360*212*300*309000*23720955528041212z I mm ????=+++ ? ?

????????

++++= ? ?????

333341111

*30*300*434*40*30*250*43*50109325083.412121212y I mm =

+++=

4

3

20955528047352816.8(537252)T z Z

o c I mm W mm h y mm ===--； 4

20955528048315685.7252B

z z

c I mm W mm

y mm ===；

转化

O

C

3

109325083.4

728833.9/2

150y y I W mm B =

=

=；

3.7.2求最大内力值

6.2.1始发状态下内力极值

M+ymax=364.5kN.m ；M+zmax=169.6kN.m ； M-ymax=135.9kN.m ；M-zmax=63.4kN.m ； Vymax=387.4kN ；Vzmax=181.1kN ； 6.2.2始发状态下内力最大截面应力极值

66

max

max ymax

364.5*10169.6*10184.3** 1.5*8315685.7 1.5*728833.9

y z B

z y M M MPa W W σ

γγ+++=+=+=

66

max

max ymax

135.9*1063.4*1070.3** 1.5*7352816.8 1.5*728833.9

y z T

z y M M MPa W W σ

γγ---

=+=+=

故通过以上计算分析可知：

σ+max=184.3MPa<[σ]=210MPa ； σ-max=70.3MPa<[σ]=210MPa ； τmax=27.4MPa<[τ]=120MPa ；

故始发托架的正应力、剪应力强度符合要求。 3.8托架安装施工方法及工艺

1、在盾构机始发前，根据始发托架安装高程与底板高程差（580mm ），确定始发托架的安装方式，采取下垫570mm 高钢桶及2cm 厚钢板（如下图所示）保证始发托架的安装高程满足要求，始发托架的轨面高程统一提高30mm 。

钢桶及钢板组合示意图

33

max

max max 387.4*10181.1*1027.41736036010y z V V MPa As A τ=+=+=

始发托架平面图

始发托架立面图

2、先由测量人员放出隧道中心点，再结合托架的设计图纸将钢环底部中心点及安装的标高放出，随后将始发井西侧底部中心点及标高放出标记，最后在托架两侧放出两个距洞门钢环30cm的点。由中线点和两个定位点拉线作为基准点位实施安装。

3、基座运至施工现场后吊致井下，并将两部分组装起来；

4、通过龙门吊来初步调节托架位置，使托架中线与隧道线路中心线重合。存在高差用钢板垫起来；

5、粗调完成后，由测量人员进行复核。根据测量结果使用千斤顶进行细调，直到结果达到安装要求后，再由测量人员进行最后的校核；

6、安装完成后及时报监理和第三方监测核查；

7、测量结果符合安装要求后，用20#H型钢加钢板将托架与井壁四周撑紧焊牢，防止托架移动。南侧和北侧固定支撑靠近托架一侧需加工成下图所示

托架北侧固定示意图

托架东侧固定示意图

托架南侧固定示意图

8、安装结束后，测量人员对安装位置进行最后检查，质量人员对各螺栓连接和焊缝进行强度、连接质量、托架标高复核等检查，经检查合格后才能投入盾构始发的使用，保证始发的顺利进行。