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摘要：通过对郑州地铁盾构进行反力支撑系统安装拆除施工方法的详细介绍，总结了地铁盾构反力支撑系统安装拆除的施工经验，为类似工程提供了一个可供参考的实施性施工方案，具有一定的參考价值。
关键词：地铁盾构；负环；管片；拆除
Abstract: this paper introduced the construction method in the Zhengzhou subway shield anti-force support systems to install the removal of the detailed description, summed up the subway shield reaction force support systems to install the removal of construction experience, to provide a reference implementation of construction for similar projects, with a certain reference value.Key words: subway shield; negative ring; segment; demolition
图分类号：U231+.3文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）03-0020-02
0、引言
盾构反力支撑支撑系统的主要作用为盾构始发掘进提供支撑发力，主要包括反力架本体、反力架支撑和负环管片，尽管反力支撑支撑系统是一个临时性结构，但反力支撑系统关系到盾构始反力架发的安全。
反力支撑系统的安装及拆除是盾构隧道施工过程中的一道重要的工序。在盾构始发期间，盾构必须借助反力架才能出洞进入地层中，这样就必须在始发竖井中拼装负环管片。由于负环管片会占据竖井大部分的空间，大大制约了管片及其他材料的垂直运输速度，从而严重影响了盾构施工的进度。因此，为满足盾构快速施工的需求，在盾构始发掘进一定距离后，需要拆除负环管片，如何做到安全快速安装及拆除反力支撑系统是施工中的关键。
1、工程概况
郑州地铁1号线新郑州站～博学路站区间隧道采用盾构法施工，管片内径φ5400mm，管片环宽1.5m，厚度0.30m，为3+2+1形式，采取错缝拼装形式。采用一台φ6280mm土压平衡盾构机进行施工，其盾构区间施工顺序为：盾构机从博学路站西端盾构井右线始发，到达盾构接收井吊出后转场至博学路站西端盾构井进行左线始发掘进，到达盾构接收井后对盾构机进行解体，完成盾构区间的施工。盾构共需进行2次始发，也就需要2次进行盾构反力支撑系统的安装及拆除。
图1 盾构施工平面示意图
2、反力支撑系统的设计
2.1反力架本体
反力架立柱及上、下横梁均由40mm厚Q235B钢板焊接成断面为1000mm×600mm的箱形组合截面；反力架本体四角各设加劲撑一道，断面尺寸为1000mm×350mm。反力架立柱，上、下横梁及四角的加劲撑均由高强螺栓连结成整体框架形式，其截面规格及连结方式均为通用设计，可保障其整体强度和稳定性。
图2反力架正面图
2.2反力架支撑
反力架左侧采用一组I18工字钢支承（计12根，支撑长度为1.5米），将水平反力传递到车站主体结构侧墙。右侧背撑采用2根Ф609mm（厚度14mm）钢管， 将水平反力传递到车站结构底板。上、下横梁上的水平反力直接由I18工字钢支承传递到车站结构主体，其中上横梁支撑共计6根，其中5根为斜撑，长度1.64米；下横梁水平支撑共计7根，水平支撑长度均为1.5米。
图3反力架右侧支撑详图
2.3反力架验算
荷载情况：考虑设计构件安全储备，反力架按水平推力1500T验算，环向分布于负压环各个千斤顶位置。
验算条件：首先将反力架视为一个整体，验算其反力架承受水平推力时的构件内力；再根据整体受力结果，验算关键结点处的强度。
采用MIDAS/Civil有限元分析软件进行反力架整体分析。根据构件尺寸及边界条件，将模型划分为195个梁单元；上下横梁根据实际情况在模型中设定为两端及中间水平约束；背撑底部采用铰支撑。
计算结果：有限元分析结果如图4、图5所示。
其中，立柱及上下横梁：最大弯应力175MPa（材料强度215 MPa）。最大水平位移：5mm。
由有限元内力分析结果可知：反力架整体满足强度和刚度要求。
图4立柱及上下横梁弯应力云图 图5立柱及上下横梁位移图
3、反力支撑系统的安装
3.1反力架、负环管片位置确定
反力架的位置确定主要依据洞口第一环管片的起始位置、盾构的长度以及盾构刀盘在始发前所能到达的最远位置确定。
⑴负环管片环数的确定
盾构长度LTBM=8.9M，安装井长度LAS=12.4M，洞口维护结构在完成第一次凿除后的里程DF：DK32+384.950，设计第一环管片起始里程D1S:DK32+385.450，管片环宽WS=1.5M，反力架与负环钢管片长WR=0.2M。DR为反力架端部里程，N为负环管片环数。
在安装井内的始发时最少负环管片环数确定
N=（D1S-DF+8.93）/WS环>6环, 取N=7环
⑵反力架、负环钢管片位置的确定
在确定始发最少负环管片环数后，即可直接定出反力架及负环管片的位置。
反力架端部里程：DR＝D1S－N×WS-WR=DK32+385.450+7×1.5+0.2=DK32+396.15
反力支撑系统的布置详见图6、图7。
图6 盾构反力支撑系统平面布置图 图7 盾构反力支撑系统立面布置图
3.2反力架安装要求
在盾构主机与后配套连接之前，开始进行反力架的安装。安装时反力架与车站结构连接部位的间隙要垫实，以保证反力架脚板有足够的抗压强度。
由于反力架和始发台为盾构始发时提供初始的推力以及初始的空间姿态，在安装反力架和始发台时，反力架左右偏差控制在±10MM之内，高程偏差控制在±5MM之内，上下偏差控制在±10MM之内。始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角<±2‰，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差<2‰，水平趋势偏差<±3‰。
3.3 负环管片拼装
负6环～负1环管片拼装全部采用12点方向，通缝拼装，负环0环拼装采用11点方向，以方便后期拆卸；
在拼装第一环负环管片前，在盾尾管片拼装区180度范围内均匀安设7根长1.5m、50mm厚的槽钢，考虑到在拼装负6环管片时，管片后横断面没有支撑，管片拼装过程中无法提供油缸推进及封顶块插入时所需反力，所以需在负6环管片后面即盾尾适当位置焊接I22工字钢以提供管片拼装的反力，为了防止顶部管片不稳，在推进油缸的一侧也要焊接I22工字钢，保证拼装的管片在未成环前不下落。I22工字钢焊接形式如图8所示。
待第一环负环管片拼装完成后，将临时提供反力的工字钢全部割除，然后利用盾构机推进千斤顶将管片缓慢推出，为避免管片下沉，当管片推出1000mm后随即开始拼装下一环管片，当负6环管片推出盾尾200mm后，将负环管片与始发基座导轨间的空隙用纵向型钢垫实，然后继续将管片推出直至负环管片与反力架靠紧，然后用薄钢板将负环管片与反力架之间的缝隙填实并将垫块焊接牢固。负环管片在推出的过程中要及时将负环管片支撑，避免负环管片失圆过大引起管片拼装困难。管片支撑形式示意图见图9。
图8工字钢焊接图 图9负环管片拼裝示意图
4、反力支撑系统的拆除
4.1负环拆除时机
由于负环管片占用竖井作业空间，严重影响盾构施工的垂直运输，制约着盾构施工进度，根据管片周边摩阻力计算结果（常规一般在盾构始发掘进100m后），即可拆除负6～负1环的管片，但考虑到洞门密封的需要0环管片在盾构隧道施工完成后再行拆除。
4.2负6环～负1环拆除
在掘进到达100m时，由于管片周边摩阻力能够提供足够的反力，盾构可保持正常掘进施工，此时割除反力架的背后支撑，然后盾构停止掘进，拆除负环管片与反力架之间的钢负环，此时即可进行负6环～负1环的负环管片拆除，拆除时由后向前依次拆除。
由于钢负环拆除后，负6环管片上部管片背部应力去除，可自由向后向上移动。但由于K块与B1、B2块间为楔形连接，3块管片间挤压较紧，单块不易拆除，因此将K、B1和B2三块管片作为一个整体一次性拆除。
首先，将K、B1和B2三块管片中部的注浆孔分别打穿，穿入吊具。B1和B2块管片的吊具上部分安装钢丝绳挂在35t龙门吊钩上，K块管片通过10T手拉葫芦与吊钩连接，以便于通过手拉葫芦调整三块管片的姿态，保证三块管片重心与吊钩在同一竖直线上。为增加三块管片的整体性，在B1和B2块管片吊具下端安装一根I16工字钢横担。
接着拆除此K 、B1 、B2三块管片与其他邻接块及与负7环管片连接的所有螺栓。缓缓垂直提升钢丝绳，使K 、B1 、B2块脱离负6环，将其缓慢吊起放至地面。具体拆除方法见图10所示。
采用和负6环拆除相同的拆除方法依次对称拆除负5～负1环的K 、B1 、B2三块管片，然后拆除负环管片内的轨道，再依次从上到下，从后向前单块拆除剩余负环管片。
4.2反力架拆除
在负6～负1环负环管片拆除后，将反力架底部的地脚螺栓松开，可将反力架整体一次吊出，再吊出始发基座后，重新铺设轨道，盾构即可恢复掘进。
4.2 负0环管片拆除
在盾构隧道掘进贯通完成后，即可拆除负环0环管片。
由于负环0环管片部分嵌入车站端墙内（嵌入深度为80cm），不能采用同负6～负1环的拆除方法，根据负环0环管片采用11点拼装点位，B2块位于顶部，且B2块为外大里小的特点，可以将B2块顶出即可拆除，如图示。
图11 负环0环拼装图
首先用门吊将B2块垂直吊住，然后解除B2块周边的连接螺栓，在该B2块与第1环管片衔接处用风镐打入3个钢楔块，利用钢楔块将B2块顶松动，即可顺利将B2块拆除，再依次从上向下将剩余管片拆除。
图12 负环0环拆除示意图
5 结语
经过周密的施工准备和科学合理的现场施工组织，本项目反力支撑系统的安装和拆除都非常安全顺利完成。该施工技术有以下优点：
1、安全可靠。反力支撑系统在安装拆除过程中，各部件受力明确清晰，安全处于可控状态。在盾构掘进施工过程中反力支撑系统也未出现异常情况。
2、施工快速。反力支撑系统和负6环～负1环负环管片的拆除仅占用1天时间即全部安全顺利地拆除完成，盾构即恢复了掘进，负0环也仅用1天安全顺利拆除，大大提高了作业效率。
3、在拆除时负环时对负环管片损伤降低到最小程度。负环管片基本没有损伤，重大程度的保护了管片外观质量，可重复利用。
此次反力支撑系统的安装拆除施工，不仅为本工程盾构施工缩减了工期，为盾构后期快速掘进提供了有利条件，也为以后类似工程的施工积累了丰富的施工经验。
参考文献：
[1]北京铁路地下直径线工程盾构隧道换装方案.
[2]张凤祥,朱合华,傅德明.盾构隧道.人民交通出版社,2004年9月.
[3]刘建航,侯学渊.盾构法隧道.北京.中国铁道出版社,1991.
[4]刘建航,侯学渊.盾构法隧道[M].北京：中国铁道出版社,1991.
[5]钢结构设计手册.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：地铁盾构；负环；管片；拆除
Abstract: this paper introduced the construction method in the Zhengzhou subway shield anti-force support systems to install the removal of the detailed description, summed up the subway shield reaction force support systems to install the removal of construction experience, to provide a reference implementation of construction for similar projects, with a certain reference value.Key words: subway shield; negative ring; segment; demolition
图分类号：U231+.3文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）03-0020-02
0、引言
盾构反力支撑支撑系统的主要作用为盾构始发掘进提供支撑发力，主要包括反力架本体、反力架支撑和负环管片，尽管反力支撑支撑系统是一个临时性结构，但反力支撑系统关系到盾构始反力架发的安全。
反力支撑系统的安装及拆除是盾构隧道施工过程中的一道重要的工序。在盾构始发期间，盾构必须借助反力架才能出洞进入地层中，这样就必须在始发竖井中拼装负环管片。由于负环管片会占据竖井大部分的空间，大大制约了管片及其他材料的垂直运输速度，从而严重影响了盾构施工的进度。因此，为满足盾构快速施工的需求，在盾构始发掘进一定距离后，需要拆除负环管片，如何做到安全快速安装及拆除反力支撑系统是施工中的关键。
1、工程概况
郑州地铁1号线新郑州站～博学路站区间隧道采用盾构法施工，管片内径φ5400mm，管片环宽1.5m，厚度0.30m，为3+2+1形式，采取错缝拼装形式。采用一台φ6280mm土压平衡盾构机进行施工，其盾构区间施工顺序为：盾构机从博学路站西端盾构井右线始发，到达盾构接收井吊出后转场至博学路站西端盾构井进行左线始发掘进，到达盾构接收井后对盾构机进行解体，完成盾构区间的施工。盾构共需进行2次始发，也就需要2次进行盾构反力支撑系统的安装及拆除。
图1 盾构施工平面示意图
2、反力支撑系统的设计
2.1反力架本体
反力架立柱及上、下横梁均由40mm厚Q235B钢板焊接成断面为1000mm×600mm的箱形组合截面；反力架本体四角各设加劲撑一道，断面尺寸为1000mm×350mm。反力架立柱，上、下横梁及四角的加劲撑均由高强螺栓连结成整体框架形式，其截面规格及连结方式均为通用设计，可保障其整体强度和稳定性。
图2反力架正面图
2.2反力架支撑
反力架左侧采用一组I18工字钢支承（计12根，支撑长度为1.5米），将水平反力传递到车站主体结构侧墙。右侧背撑采用2根Ф609mm（厚度14mm）钢管， 将水平反力传递到车站结构底板。上、下横梁上的水平反力直接由I18工字钢支承传递到车站结构主体，其中上横梁支撑共计6根，其中5根为斜撑，长度1.64米；下横梁水平支撑共计7根，水平支撑长度均为1.5米。
图3反力架右侧支撑详图
2.3反力架验算
荷载情况：考虑设计构件安全储备，反力架按水平推力1500T验算，环向分布于负压环各个千斤顶位置。
验算条件：首先将反力架视为一个整体，验算其反力架承受水平推力时的构件内力；再根据整体受力结果，验算关键结点处的强度。
采用MIDAS/Civil有限元分析软件进行反力架整体分析。根据构件尺寸及边界条件，将模型划分为195个梁单元；上下横梁根据实际情况在模型中设定为两端及中间水平约束；背撑底部采用铰支撑。
计算结果：有限元分析结果如图4、图5所示。
其中，立柱及上下横梁：最大弯应力175MPa（材料强度215 MPa）。最大水平位移：5mm。
由有限元内力分析结果可知：反力架整体满足强度和刚度要求。
图4立柱及上下横梁弯应力云图 图5立柱及上下横梁位移图
3、反力支撑系统的安装
3.1反力架、负环管片位置确定
反力架的位置确定主要依据洞口第一环管片的起始位置、盾构的长度以及盾构刀盘在始发前所能到达的最远位置确定。
⑴负环管片环数的确定
盾构长度LTBM=8.9M，安装井长度LAS=12.4M，洞口维护结构在完成第一次凿除后的里程DF：DK32+384.950，设计第一环管片起始里程D1S:DK32+385.450，管片环宽WS=1.5M，反力架与负环钢管片长WR=0.2M。DR为反力架端部里程，N为负环管片环数。
在安装井内的始发时最少负环管片环数确定
N=（D1S-DF+8.93）/WS环>6环, 取N=7环
⑵反力架、负环钢管片位置的确定
在确定始发最少负环管片环数后，即可直接定出反力架及负环管片的位置。
反力架端部里程：DR＝D1S－N×WS-WR=DK32+385.450+7×1.5+0.2=DK32+396.15
反力支撑系统的布置详见图6、图7。
图6 盾构反力支撑系统平面布置图 图7 盾构反力支撑系统立面布置图
3.2反力架安装要求
在盾构主机与后配套连接之前，开始进行反力架的安装。安装时反力架与车站结构连接部位的间隙要垫实，以保证反力架脚板有足够的抗压强度。
由于反力架和始发台为盾构始发时提供初始的推力以及初始的空间姿态，在安装反力架和始发台时，反力架左右偏差控制在±10MM之内，高程偏差控制在±5MM之内，上下偏差控制在±10MM之内。始发台水平轴线的垂直方向与反力架的夹角<±2‰，盾构姿态与设计轴线竖直趋势偏差<2‰，水平趋势偏差<±3‰。
3.3 负环管片拼装
负6环～负1环管片拼装全部采用12点方向，通缝拼装，负环0环拼装采用11点方向，以方便后期拆卸；
在拼装第一环负环管片前，在盾尾管片拼装区180度范围内均匀安设7根长1.5m、50mm厚的槽钢，考虑到在拼装负6环管片时，管片后横断面没有支撑，管片拼装过程中无法提供油缸推进及封顶块插入时所需反力，所以需在负6环管片后面即盾尾适当位置焊接I22工字钢以提供管片拼装的反力，为了防止顶部管片不稳，在推进油缸的一侧也要焊接I22工字钢，保证拼装的管片在未成环前不下落。I22工字钢焊接形式如图8所示。
待第一环负环管片拼装完成后，将临时提供反力的工字钢全部割除，然后利用盾构机推进千斤顶将管片缓慢推出，为避免管片下沉，当管片推出1000mm后随即开始拼装下一环管片，当负6环管片推出盾尾200mm后，将负环管片与始发基座导轨间的空隙用纵向型钢垫实，然后继续将管片推出直至负环管片与反力架靠紧，然后用薄钢板将负环管片与反力架之间的缝隙填实并将垫块焊接牢固。负环管片在推出的过程中要及时将负环管片支撑，避免负环管片失圆过大引起管片拼装困难。管片支撑形式示意图见图9。
图8工字钢焊接图 图9负环管片拼裝示意图
4、反力支撑系统的拆除
4.1负环拆除时机
由于负环管片占用竖井作业空间，严重影响盾构施工的垂直运输，制约着盾构施工进度，根据管片周边摩阻力计算结果（常规一般在盾构始发掘进100m后），即可拆除负6～负1环的管片，但考虑到洞门密封的需要0环管片在盾构隧道施工完成后再行拆除。
4.2负6环～负1环拆除
在掘进到达100m时，由于管片周边摩阻力能够提供足够的反力，盾构可保持正常掘进施工，此时割除反力架的背后支撑，然后盾构停止掘进，拆除负环管片与反力架之间的钢负环，此时即可进行负6环～负1环的负环管片拆除，拆除时由后向前依次拆除。
由于钢负环拆除后，负6环管片上部管片背部应力去除，可自由向后向上移动。但由于K块与B1、B2块间为楔形连接，3块管片间挤压较紧，单块不易拆除，因此将K、B1和B2三块管片作为一个整体一次性拆除。
首先，将K、B1和B2三块管片中部的注浆孔分别打穿，穿入吊具。B1和B2块管片的吊具上部分安装钢丝绳挂在35t龙门吊钩上，K块管片通过10T手拉葫芦与吊钩连接，以便于通过手拉葫芦调整三块管片的姿态，保证三块管片重心与吊钩在同一竖直线上。为增加三块管片的整体性，在B1和B2块管片吊具下端安装一根I16工字钢横担。
接着拆除此K 、B1 、B2三块管片与其他邻接块及与负7环管片连接的所有螺栓。缓缓垂直提升钢丝绳，使K 、B1 、B2块脱离负6环，将其缓慢吊起放至地面。具体拆除方法见图10所示。
采用和负6环拆除相同的拆除方法依次对称拆除负5～负1环的K 、B1 、B2三块管片，然后拆除负环管片内的轨道，再依次从上到下，从后向前单块拆除剩余负环管片。
4.2反力架拆除
在负6～负1环负环管片拆除后，将反力架底部的地脚螺栓松开，可将反力架整体一次吊出，再吊出始发基座后，重新铺设轨道，盾构即可恢复掘进。
4.2 负0环管片拆除
在盾构隧道掘进贯通完成后，即可拆除负环0环管片。
由于负环0环管片部分嵌入车站端墙内（嵌入深度为80cm），不能采用同负6～负1环的拆除方法，根据负环0环管片采用11点拼装点位，B2块位于顶部，且B2块为外大里小的特点，可以将B2块顶出即可拆除，如图示。
图11 负环0环拼装图
首先用门吊将B2块垂直吊住，然后解除B2块周边的连接螺栓，在该B2块与第1环管片衔接处用风镐打入3个钢楔块，利用钢楔块将B2块顶松动，即可顺利将B2块拆除，再依次从上向下将剩余管片拆除。
图12 负环0环拆除示意图
5 结语
经过周密的施工准备和科学合理的现场施工组织，本项目反力支撑系统的安装和拆除都非常安全顺利完成。该施工技术有以下优点：
1、安全可靠。反力支撑系统在安装拆除过程中，各部件受力明确清晰，安全处于可控状态。在盾构掘进施工过程中反力支撑系统也未出现异常情况。
2、施工快速。反力支撑系统和负6环～负1环负环管片的拆除仅占用1天时间即全部安全顺利地拆除完成，盾构即恢复了掘进，负0环也仅用1天安全顺利拆除，大大提高了作业效率。
3、在拆除时负环时对负环管片损伤降低到最小程度。负环管片基本没有损伤，重大程度的保护了管片外观质量，可重复利用。
此次反力支撑系统的安装拆除施工，不仅为本工程盾构施工缩减了工期，为盾构后期快速掘进提供了有利条件，也为以后类似工程的施工积累了丰富的施工经验。
参考文献：
[1]北京铁路地下直径线工程盾构隧道换装方案.
[2]张凤祥,朱合华,傅德明.盾构隧道.人民交通出版社,2004年9月.
[3]刘建航,侯学渊.盾构法隧道.北京.中国铁道出版社,1991.
[4]刘建航,侯学渊.盾构法隧道[M].北京：中国铁道出版社,1991.
[5]钢结构设计手册.
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。