极寒条件下大直径盾构刀盘焊接保温棚设计及施工工艺

吕勇方

（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司， 北京 101100）

我国盾构技术随着城市经济的发展而逐渐发展起来，如今已有多种盾构机适应不同的地形，对于在极寒环境下的的盾构我国采用的技术较为单一，多数是对盾构设备以及局部重要设备管件的整体保温[1-5]，对盾构刀盘的保温涉及较少，极寒环境下的盾构刀盘保温棚焊接技术在我国的应用并不广泛，一般情况下只有在北方等靠近俄罗斯的城市在冬季施工时，才会考虑盾构机的保温。因此相关方面的内容国内领域涉及较少，只存在相关的技术在不同领域中的应用等。

本文针对极寒环境提出了一种新型保温棚技术，通过建造装配式可拆卸的保温棚，使盾构机在冬季的低温环境下也能够进行组装，便利性较以往的传统技术大大增强，对今后严寒环境下盾构设备的组装具有参考意义。

1 保温棚及控温方案设计

1.1 工程概况

本工程位于俄罗斯首都莫斯科地区，本地区冬季气温平均在零度以下，而刀盘的焊接以及组装对温度的要求在零度以上，因此必须保证盾构机组装以及部件焊接时的温度，由于工期原因，不能等到冬季结束以后或者气温回升，必须在冬季的严寒环境下完成盾构机的组装，因此需找到一种保证盾构设备正常组装的方法。

1.2 保温棚设计

保温棚整体由钢杆或者连接构件接连接而成刚桁架，各钢杆的结点处，利用螺栓，垫片，螺母等零部件，通过不同的连接方式连接，典型的有钢架顶点处的连接，四杆相交处的连接，两杆相交处的连接，在各杆件之间连接斜杆增强结构的整体稳定性，整体形状呈伞状骨架，侧面的一个单元结构呈塔形。最后通过设计伞状的保温棚骨架将大直径盾构机刀盘以及传输设备覆盖起来，并在搭接好的钢架上安装保温材料并密封，来达到封闭保温的作用。保温棚所有节点的连接均使用可拆卸式的连接件，在使用完成后可以对保温棚进行拆卸，对钢构件实现重复的利用，来达到节约材料，降低造价，节约成本。保温棚的具体设计以见图一，图二。

图一 保温棚结构俯视图

图二 保温棚结构正面图

保温棚主要由钢杆以及紧固件的组成。根据盾构刀盘的直径确定构件的长度。当保温棚罩在盾构刀盘处，保温棚的钢结构主要分为四层，每层均有钢杆件连接而成，在最顶层的连接由多跟钢杆成人字形搭接，围绕盾构刀盘一周，所有顶层杆件围绕圆周连接在一起，在保温棚的顶点处将各构件连接起来，连接成为一个整体，加强结构的稳定性；之后每层都用钢杆连接，各个杆件之间相互利用，搭接成每一层结构的主体，每层的形状呈等腰梯形，同样围绕盾构刀盘一周，连接成整体。最终保温棚的侧面形状呈人字形塔状，骨架呈张开的伞状，并在每层之间连接两根斜杆，保证结构的整体稳定性；在盾体处的保温棚由三层钢架结构组成，整体设计与盾构刀盘处的相同，其最终都会组成一个可拆卸的钢桁架。保温棚具体设计与部件连接见下图三，图四。

图三 圆顶展开

图四 紧固件连接图

1.3 棚内控温设计

保温棚内的保温主要是通过加热源来实现，利用保温棚的密封性以及一些监测设备来保持棚内温度不变。具体设计为在保温棚骨架建立完成后，在骨架上覆盖一层保温膜，将保温棚密封起来后，在棚内中部放置两台加热机，放置在场地的中部，保持加热的温度均匀，并使温度保持在零度以上适合盾构刀盘焊接的温度；在保温棚内部安装温度监控设备如测温管等，以及连接电热机的控制系统，当温度降低时，监测仪器检测到温度的变化，并反馈给连接的电热机系统，使电热机启动，使温度上升到合适的温度，当温度过高时，监测仪器接受信息给电热机的电源，关闭加热源，使温度不至于过高，利用此系统来保持保温棚内的温度始终保持在合适的范围。

为精确量化指标，应确保暖棚内温度下降速度不超过2°C/小时。在暖棚拆除后混凝土与室外温差不得超过15-20°C。推荐把未来12小时预报温度的最低值作为室外温度。作为优选，保证加热器提升速度为每小时5-7度。同时，养护混凝土时，必须控制其温度，其变化速度，以及环境温度。已得数据记入混凝土养护施工日志中。温度测量频度: 第1天-每3小时，然后每班-2次。

除了对混凝土的温度进行监测外，同时还必须监控暖棚内底部（在距离混凝土结构基础0.4m的高度）和顶部的温度，以及室外温度。暖棚内外温度与混凝土温度监控应同时进行。

1.4 主要材料要求

（1）骨架。本方案所采用骨架材料均为C245等级的钢材，截面尺寸主要由以下几种类型组成：50x50x3,400x10,40x40x3，500x20等，具体根据保温棚的结构性能选择适当的截面。

（2）连接件：螺栓，螺母，垫片。螺母垫片等紧固件采用市场采用的常见材料，具体尺寸以及数量根据上图所示尺寸决定。

（3）保温材料：而保温覆盖膜，作为防潮板聚合物薄膜应为不小于100微米厚的布，可以采用涂胶的布，在选择其聚合物薄膜类型时，应优先考虑玻璃纤维，聚丙烯或聚乙烯材料。

（4）加热器：根据保温棚的大小选择适当功率的加热设备，本方案准备两台加热设备。

（5）温度监测仪：选择适当的温度监测设备，并注意需要能够对零下的低温进行测量。

结构主体为钢桁架结构，主要构件为钢杆以及连接的紧固件如，螺栓，螺母，垫片等。其中钢结构技术在近年来的发展也以变得成熟，钢结构以强度高，相比较于其他材料有重量轻，材料可重复利用等特点，施工也较为方便，构件方便在工厂进行预制或现场进行加工，并且施工快，工期较短，在现在的建筑中应用较为广泛，保温材料也选择市场常见的保温塑料等，可以使技术变得更加可重复利用，适用性更加广泛。

2 施工方案

2.1 施工工序

施工准备阶段：在正式施工前，先选定相关的场地，将无关的东西清理，确保场地空间；同时也需要将所用到的相关材料设备运输到场地中，做好备用方案应对可能发生的不利情况，合理的安排施工人员的施工以及人员的调度工作，确保施工的正常运行。

正式施工阶段：在相关的材料设备，人员安排以及应急方案等安排妥当后，开始保温棚的安装工作，按照保温棚的图纸开始正式组装保温棚，等到保温棚的骨架组装完成之后，开始在骨架上覆盖保温塑料膜，确保密封性后开始对加热设备以及保温棚开设检测，确保结构的可靠性，加热设备以及温度检测设备能够正常的运行，最后进行盾构设备的安装以及焊接工作。

施工完成阶段：在保温棚安装完成，设备正常运行以及盾构设备安装正常进行后，对施工区域进行实时监测，确保工作的正常进行，预防意外事故的发生，确保项目顺利完成。

2.2 结构施工安装

本方案主要是保温棚的结构安装问题。在安装保温棚时，先从骨架的底部开始安装，将每一层的杆件用螺栓，螺母，垫片等零部件连接起来，等到每一层的结构安装完成之后，拧紧连接件，开始上层结构的安装工作，按照相同的顺序完成每一层的安装工作，最后组装成一个完整的骨架。在骨架完成之后在骨架周围安装保温膜，一般以塑料布为材料，最终完成整个保温棚的结构。保温棚结构完成以后可以在棚内安装其他的相关仪器设备，等到整体系统施工完成后，温度保持在适宜的范围，便可对盾构设备进行组装等操作。

2.3 施工注意事项

（1）确保人员的安全，始终确保人员安全第一的原则；

（2）施工顺序严格按照要求执行，确保施工的条理性；

（3）设备的使用与安装按照有关的安全规范以及正常使用要求使用；

（4）对保温棚内外的温度要进行实时监测，确保温度监测仪器的正常运行，保证测量仪器的灵敏性；

（5）保温棚安装完成后要对其强度进行检测，确保结构的安全性；

（6）要严格遵循相关的施工安全规范对场地施工时的安全进行管理，并要时时注意预防危险的发生，做好预警工作。

3 结论

大直径盾构刀盘焊接保温棚设计是为了在极寒环境下，使盾构设备的组装空间的温度能够保持在一定的范围内，使盾构设备的安装能够在严寒环境下顺利完成。

根据位于莫斯科的盾构设备安装项目，本文提出了一种装配式的保温棚结构，利用钢杆组合连接为钢桁架结构，即使处在极寒环境下，也能够使盾构设备正常安装，确保工期的正常进行。保温棚的施工方案主要在于其便利性以及可靠性，能够多次重复的利用，材料获取简单，组装以及拆卸简单，只需连接相关部位的紧固件，便能够使结构成为一个整体，对于损坏的零部件的安装也较为方便，并且稳定性可靠，经济效益比高。

同时本文提出的技术对类似环境下的施工也具有一定的参考意义，解决了极寒环境下大直径盾构刀盘的焊接以及组装中对温度的适应等问题，方案可操作性强，经济性高，有一定的发展前景。