地鐵盾構(gòu)支洞步進(jìn)技術(shù)

王助鋒，陳 饋

(中鐵隧道集團(tuán)盾構(gòu)及掘進(jìn)技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州 450003)

0 引言

隨著我國科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展和綜合國力的提升，基礎(chǔ)建設(shè)越來越完善，地鐵及過江、過河、過海等鐵路、公路隧道施工主要采用盾構(gòu)和 TBM［1－2］，盾構(gòu)法已經(jīng)逐漸成為地鐵區(qū)間施工的主導(dǎo)方法。以往的盾構(gòu)施工均以車站配始發(fā)井［3］、端頭始發(fā)井［4］、始發(fā)井配盲洞或?qū)Ф词┕ぃ?］。由于地質(zhì)原因和建設(shè)需要的影響，在盾構(gòu)施工過程中曾多次出現(xiàn)盾構(gòu)步進(jìn)的施工案例，如廣州地鐵三號(hào)線大漢區(qū)間曾多次成功進(jìn)行盾構(gòu)過站施工［6］，廣州地鐵五號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)通過礦山法施工段的盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)［7］，兩工程均取得了較大成功。盾構(gòu)過站和礦山法的施工經(jīng)驗(yàn)已比較成熟，基本都是在短距離或大半徑的情況下進(jìn)行的，盾構(gòu)法與礦山法施工工序干擾較少。由于重慶地理位置比較特殊，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，曾取得的成功施工方法難以滿足現(xiàn)場施工要求，必須重新研究適合本工程特點(diǎn)的盾構(gòu)步進(jìn)技術(shù)。經(jīng)過多次方案的仔細(xì)分析、對(duì)比和論證，采用鋼軌直推法的盾構(gòu)步進(jìn)方案，即步進(jìn)小車和盾構(gòu)主機(jī)直接放置在鋼軌上，再配合反力裝置及輔助工具，在液壓油缸的推力作用下向前不斷滑行至規(guī)定位置。

1 工程概況

重慶市會(huì)展中心交通工程地理位置特殊，施工范圍屬典型的丘陵山區(qū)，地表起伏大，線路埋深較大。線路平面為“S”型，曲線半徑分別為650m和700m，最大縱坡為29‰，最大埋深超過60 m，全線總長12 km，包括5座車站6個(gè)區(qū)間和1座中橋。全線區(qū)間隧道采用“礦山法+盾構(gòu)法”施工，其中禮嘉站—平場站區(qū)間和平場站—黃茅平站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。禮嘉—平場區(qū)間長2 240 m，以砂巖為主，強(qiáng)度為30～70 MPa;平場—黃茅坪區(qū)間長2 520 m，以泥巖為主，強(qiáng)度為20～30 MPa。盾構(gòu)開挖直徑6.28 m，管片外徑6 m、內(nèi)徑5.4 m、長1.5 m，其他區(qū)間和車站均采用礦山法施工。

盾構(gòu)采用洞外組裝、支洞步進(jìn)、正線整機(jī)組裝調(diào)試和始發(fā)，采用有軌運(yùn)輸出碴進(jìn)料。1號(hào)和2號(hào)盾構(gòu)由1號(hào)施工支洞步進(jìn)進(jìn)入正線，支洞長470m，曲線長250m，20‰下坡;3號(hào)和4號(hào)盾構(gòu)由3號(hào)施工支洞步進(jìn)進(jìn)入正線，支洞長420 m，曲線長150 m，20‰下坡。

2 步進(jìn)始發(fā)及準(zhǔn)備

2.1 步進(jìn)始發(fā)流程

見圖1。

圖1 步進(jìn)始發(fā)流程Fig.1 Flowchart of shield launching

2.2 前期準(zhǔn)備

根據(jù)盾構(gòu)設(shè)備的特殊性，為快速、優(yōu)質(zhì)、安全、高效地完成盾構(gòu)組裝，組裝前必須完善前期的各項(xiàng)準(zhǔn)備工作，主要包括:人員、場地、風(fēng)水電、材料、工具及設(shè)備。

2.3 主機(jī)組裝

相關(guān)人員及材料準(zhǔn)備完畢后即可開展盾構(gòu)進(jìn)場及組裝工作。主機(jī)組裝前將步進(jìn)小車按要求直接放置于鋪設(shè)好的鋼軌上，然后按照盾構(gòu)主機(jī)的組裝順序進(jìn)行組裝，組裝完畢后用鋼板間隔將步進(jìn)小車和主機(jī)焊接固定在一起，以防步進(jìn)時(shí)主機(jī)與小車移位，同時(shí)后期頂升主機(jī)時(shí)小車隨同上升，以便小車下方軌枕及鋼軌的取出。步進(jìn)小車根據(jù)盾構(gòu)組裝和始發(fā)要求設(shè)計(jì)而成，在通用始發(fā)架的基礎(chǔ)上降低主機(jī)與地面的高差，同時(shí)在下表面兩側(cè)各鋪設(shè)1 m寬、20 mm厚鋼板，以便步進(jìn)小車與鋼軌的有效接觸和順滑。步進(jìn)小車及主機(jī)固定如圖2所示。

2.4 步進(jìn)準(zhǔn)備

盾構(gòu)步進(jìn)前的準(zhǔn)備工作包括:前期準(zhǔn)備、主機(jī)組裝、洞內(nèi)場地準(zhǔn)備、推力裝置的設(shè)計(jì)和選型、輔助設(shè)備及材料等。洞內(nèi)場地準(zhǔn)備包括:底板的清理和整平、軌枕和鋼軌的鋪設(shè)。洞內(nèi)軌枕、鋼軌鋪設(shè)如圖3所示。主要依據(jù)所需推力和速度進(jìn)行推力裝置設(shè)計(jì)和選型。輔助設(shè)備及材料包括:焊割設(shè)備、沖擊鉆、膨脹螺栓、鋼板等。

3 步進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 主機(jī)步進(jìn)

經(jīng)市場調(diào)查無法購置80 t的防爬器作為油缸反力座，同時(shí)鋼軌面上不方便安裝或焊接反力座，經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn)和改進(jìn)，研發(fā)了利用鋼軌及輔助構(gòu)件提供反力的裝置，經(jīng)過前后4臺(tái)盾構(gòu)步進(jìn)得到極好的應(yīng)用和驗(yàn)證，并取得了良好的效果。固定板及反力座如圖4所示，中間固定板如圖5所示。

步進(jìn)前應(yīng)先將步進(jìn)的2個(gè)80 t以上步進(jìn)油缸及反力座安裝好，再將泵站、油管及油缸連接好并安裝到位，啟動(dòng)泵站依次開啟兩邊步進(jìn)油缸使其靠緊步進(jìn)小車，再根據(jù)需要同時(shí)或單獨(dú)開啟兩邊的步進(jìn)油缸，使油缸伸出頂推步進(jìn)小車并帶動(dòng)主機(jī)前移。根據(jù)線路曲線走向控制油缸伸縮速度及伸縮量，以便于盾構(gòu)主機(jī)沿設(shè)計(jì)軸線步進(jìn)。

步進(jìn)原理:從第1個(gè)循環(huán)開始，步進(jìn)油缸伸出與步進(jìn)小車接觸，在推力的作用下主機(jī)隨步進(jìn)小車向前步進(jìn)，直至步進(jìn)油缸伸縮至要求位置則完成第1個(gè)步進(jìn)循環(huán)(見圖6);松開鋼軌上面的固定板(反力座)處固定螺栓，將上部鋼軌向前移至合適位置，然后再將上部螺栓安裝好，根據(jù)固定板與油缸距離增設(shè)或調(diào)整中間固定板，夾板間距一般為1 000 mm并左右安裝1個(gè)，以防止上部鋼軌受力變形發(fā)生危險(xiǎn)，并影響盾構(gòu)主機(jī)的正常步進(jìn)。待鋼軌及固定板安裝好后即進(jìn)行第2個(gè)循環(huán)的步進(jìn)(見圖7)，如此重復(fù)以完成主機(jī)的整個(gè)步進(jìn)工作。

3.1.1 步進(jìn)糾偏

步進(jìn)過程中主機(jī)偏離預(yù)計(jì)中心線是不可避免的，重要的是及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并及時(shí)糾正。根據(jù)平時(shí)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)及現(xiàn)場的具體情況，糾偏的方法主要有以下3種:1)利用單邊的步進(jìn)油缸在步進(jìn)過程中糾偏(適合偏移量較小時(shí))，糾偏時(shí)根據(jù)調(diào)整方向選擇單邊油缸動(dòng)作，另一邊油缸停止或慢伸，以期達(dá)到糾偏目的;2)利用步進(jìn)油缸在小車的前后兩端對(duì)角頂推小車以改變小車方向，頂推前需對(duì)小車移動(dòng)范圍內(nèi)的軌枕及鋼軌進(jìn)行固定或加固，以防止鋼軌側(cè)翻發(fā)生危險(xiǎn);3)在主機(jī)側(cè)面用液壓油缸或千斤頂糾偏，利用邊墻或地錨提供反力在主機(jī)側(cè)面頂推步進(jìn)小車進(jìn)行糾偏，頂推前需對(duì)小車移動(dòng)范圍內(nèi)的軌枕及鋼軌進(jìn)行固定和加固，以提供足夠的軌枕與地面摩擦力。

總之，在具體操作時(shí)可將1)和2)結(jié)合使用，若達(dá)不到糾偏目的時(shí)，可用第3種方法。實(shí)際工作中根據(jù)現(xiàn)場需要合理選擇，本工程盾構(gòu)主機(jī)步進(jìn)工作中3種糾偏方式均得到了很好的應(yīng)用，效果也比較理想。

3.1.2 步進(jìn)到位

由于步進(jìn)時(shí)小車下面鋪設(shè)的軌枕和鋼軌影響小車的定位和固定，故主機(jī)步進(jìn)到位后，立即開展步進(jìn)小車下軌枕及鋼軌的取出和主機(jī)始發(fā)位置的定位和固定，利用4個(gè)200 t油缸將主機(jī)及步進(jìn)小車抬升，抽出底部鋼軌及軌枕，根據(jù)測量技術(shù)交底對(duì)小車及主機(jī)進(jìn)行定位。

3.2 后配套拖車步進(jìn)

在洞內(nèi)各種軌枕及鋼軌鋪設(shè)完畢并加固完成后立即進(jìn)行后配套拖車步進(jìn)工作，在拖車上加裝一個(gè)橫梁用于牽引的裝置，利用電機(jī)車直接將1號(hào)拖車和設(shè)備橋牽引至設(shè)備橋前端安裝位置，利用支洞頂預(yù)埋點(diǎn)或盾尾上焊接的吊點(diǎn)將設(shè)備橋與主機(jī)連接，再將其他后配套拖車牽引到位;3號(hào)支洞由于轉(zhuǎn)變半徑太小而無法將后配套拖車整體牽引到位，必須分節(jié)為單位進(jìn)行牽引，在三岔口將設(shè)備橋與1號(hào)拖車拼裝到位再進(jìn)行依次安裝，1號(hào)支洞轉(zhuǎn)變半徑達(dá)到盾構(gòu)設(shè)計(jì)半徑要求，可以直接將整個(gè)后配套拖車牽引到位。

3.2.1 標(biāo)準(zhǔn)軌枕

用于主機(jī)步進(jìn)時(shí)所設(shè)計(jì)軌枕的尺寸均滿足后配套及電機(jī)車鋼軌的鋪設(shè)和通過要求，故后配套拖車鋼軌不需再行鋪設(shè)，只需移鋪外側(cè)鋼軌放入電機(jī)車軌線位置即可。鋪設(shè)示意圖如圖8所示。

圖8 機(jī)車及后配套拖車鋼軌鋪設(shè)Fig.8 Rail laying for battery locomotive and trailer

3.2.2 變坡軌枕

根據(jù)隧道設(shè)計(jì)要求，且為了便于施工，始發(fā)位置與后配套拖車處于同一水平面，但根據(jù)盾構(gòu)設(shè)計(jì)要求，后配套拖車水平面與始發(fā)架位置需有一定高度差;故此時(shí)需將后配套拖車抬高到要求位置，根據(jù)高差要求，同時(shí)為了達(dá)到快速施工和降低成本的要求，此處選用型鋼加工字鋼結(jié)構(gòu)，并按一定坡度進(jìn)行鋪設(shè)調(diào)整，直至第1節(jié)拖車前端行走鋼軌達(dá)到設(shè)備設(shè)計(jì)高差要求。變坡坡度如圖9所示，結(jié)構(gòu)示意如圖10所示。

4 步進(jìn)參數(shù)計(jì)算

4.1 主機(jī)推力、阻力計(jì)算

4.1.1 盾構(gòu)主機(jī)質(zhì)量確定

根據(jù)盾構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，主機(jī)組裝好后總質(zhì)量約330 t，外加步進(jìn)小車及鋼板約20t，則需總步進(jìn)質(zhì)量取350t。

4.1.2 主機(jī)步進(jìn)阻力

主機(jī)步進(jìn)阻力

式中:μ為動(dòng)摩擦因數(shù)，鋼與鋼之間的摩擦因數(shù)取0.15(無潤滑);N 為正壓力;θ為坡角，tan θ=0.02。

則理論推進(jìn)能力

實(shí)際推進(jìn)過程中，因?yàn)殇摪宓淖冃巍⒌孛娌黄秸仍蛟斐赡Σ亮Φ脑黾?，按安全系?shù)2.0考慮，則:f實(shí)際=524 ×2.0=1 048 kN(約 104.8 t)。

4.1.3 推進(jìn)油缸選擇

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際步進(jìn)距離較遠(yuǎn)，且線路曲線半徑較小，為減少油缸的移動(dòng)次數(shù)及調(diào)向，此處取油缸伸縮量為1 000 mm。

4.1.4 結(jié)論

根據(jù)以上計(jì)算，選擇2個(gè)80 t油缸滿足推力要求。

4.2 主機(jī)頂升力計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際步進(jìn)情況，底部鋼軌移動(dòng)前只要滿足其上的重物不接觸就可以移動(dòng)的要求，故頂升油缸的伸縮長度要求不大，此處取油缸伸縮量為200 mm?？紤]頂升主機(jī)時(shí)的平衡和質(zhì)量，故選擇4根油缸同時(shí)頂升主機(jī)。

根據(jù)以上的分析可知，當(dāng)考慮泵站能力及油缸性能，按安全系數(shù)2.0考慮，選擇4個(gè)200 t油缸滿足頂升要求。

5 步進(jìn)效果

投入本工程的1號(hào)和2號(hào)盾構(gòu)，于2010年8月28日主機(jī)步進(jìn)，采用的步進(jìn)順序?yàn)?臺(tái)主機(jī)同時(shí)步進(jìn)再一起步進(jìn)拖車，由于開始經(jīng)驗(yàn)的不足，施工時(shí)間較長，2臺(tái)步進(jìn)到位總耗時(shí)23d。3號(hào)和4號(hào)盾構(gòu)于2010年10月23日主機(jī)步進(jìn)，在總結(jié)1號(hào)和2號(hào)盾構(gòu)的步進(jìn)經(jīng)驗(yàn)后，步進(jìn)順序調(diào)整為1臺(tái)主機(jī)隨對(duì)應(yīng)拖車步進(jìn)，3號(hào)盾構(gòu)耗時(shí)14d步進(jìn)到位，2010年11月20始發(fā)。4號(hào)盾構(gòu)于2010年10月27日開始步進(jìn)，2010年11月30日始發(fā)。

6 結(jié)論與討論

在盾構(gòu)步進(jìn)的實(shí)際施工過程中，經(jīng)過不斷對(duì)各種裝置的研究和設(shè)計(jì)，快速、安全地完成了盾構(gòu)小曲率半徑和長距離的步進(jìn)施工，并總結(jié)了一種盾構(gòu)步進(jìn)的新方法，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益;但反力座的反復(fù)拆卸和安裝，大大影響了盾構(gòu)總體步進(jìn)速度，方便、快捷的反力座裝置還有待進(jìn)一步研發(fā)。

盾構(gòu)步進(jìn)方案選擇前期，曾參考盾構(gòu)過站［8－9］、TBM洞內(nèi)拆卸方案進(jìn)行組裝［10］和盾構(gòu)主機(jī)洞外組裝在重型拖板上再拖運(yùn)至規(guī)定位置的方案，由于受工程工期及投入成本的影響而沒有選擇。隨著我國盾構(gòu)法工程施工的不斷發(fā)展，更新、更快的盾構(gòu)步進(jìn)方法將會(huì)成為盾構(gòu)施工中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，并將發(fā)揮其更大的作用和效益。

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