Ф8 780盾構(gòu)機(jī)組裝施工技術(shù)研究

吳文彪 李詩(shī)詩(shī)

摘 要：據(jù)國(guó)內(nèi)盾構(gòu)施工現(xiàn)狀調(diào)查，按照同條件下正常施工進(jìn)度，Ф8 780盾構(gòu)機(jī)下井組裝調(diào)試至始發(fā)至少需60 d時(shí)間，進(jìn)度緩慢，工期安排不緊湊，且過(guò)程中發(fā)生了諸多質(zhì)量問(wèn)題，導(dǎo)致耗費(fèi)大量人力與物資，并承擔(dān)極大的風(fēng)險(xiǎn)。此外，盾構(gòu)機(jī)造價(jià)昂貴，若在組裝過(guò)程中出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，不僅會(huì)影響后續(xù)掘進(jìn)施工，還會(huì)減少機(jī)械的使用壽命。本文章針對(duì)廣東省水電集團(tuán)與廣船國(guó)際合作研發(fā)的Ф8 780土壓平衡盾構(gòu)機(jī)組裝施工展開(kāi)深入研究，從盾構(gòu)機(jī)吊裝、組裝施工順序、盾體焊接施工工藝等難題進(jìn)行創(chuàng)新，形成了一套非常有效的施工方案并取得了良好的施工效果，為日后大盾構(gòu)施工提供了寶貴的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：Ф8 780盾構(gòu)機(jī)；盾構(gòu)吊裝；主驅(qū)動(dòng)；變形；焊縫；殘余應(yīng)力

中圖分類號(hào)：U455.39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2013）21-0057-02

近三十年來(lái)，由于土壓平衡、泥水平衡、盾尾密封、盾構(gòu)始發(fā)及接收等一系列技術(shù)難題的解決，使得盾構(gòu)技術(shù)有了較快的發(fā)展。由于地面交通的日益擁擠和地下設(shè)施的密集化，工程用地不易確保，地下結(jié)構(gòu)物的存在使得盾構(gòu)施工直徑加大的同時(shí)長(zhǎng)度也有加大的趨勢(shì)。

我們不斷創(chuàng)新盾構(gòu)施工技術(shù)，唯有以高標(biāo)準(zhǔn)控制盾構(gòu)機(jī)組裝質(zhì)量，才能應(yīng)對(duì)大直徑盾構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)，從而確保盾構(gòu)機(jī)性能，以便在長(zhǎng)距離掘進(jìn)過(guò)程中正常運(yùn)行。因此，為保證盾構(gòu)機(jī)組裝質(zhì)量及使用性能，力爭(zhēng)在最短的時(shí)間內(nèi)創(chuàng)造最大的效益，本課題對(duì)盾構(gòu)機(jī)組裝技術(shù)進(jìn)行探討，研究出一套高效優(yōu)質(zhì)的盾體組裝施工技術(shù)。

1 Ф8 780土壓平衡盾構(gòu)機(jī)簡(jiǎn)介

本項(xiàng)目所使用的設(shè)備為直徑8 780 mm土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，是廣東省水電集團(tuán)與廣船國(guó)際合作研發(fā)的首臺(tái)大直徑盾構(gòu)機(jī)。該盾構(gòu)機(jī)最大開(kāi)挖直徑8 820 mm，整機(jī)全長(zhǎng)81 175 mm；無(wú)極調(diào)速0.1～4.0 rpm；傳動(dòng)方式為電動(dòng)機(jī)-減速機(jī)-小齒輪-帶齒圈的大口徑軸承-刀盤滾筒-中間梁-刀頭。

盾構(gòu)機(jī)共分為五部分：①刀盤，厚度800 mm，分兩塊。刀具分布情況為：中心滾刀4把、雙刃滾刀5把、單刃滾刀40把、切削刀120把、邊刮刀36把、外周保護(hù)切削刀12把、刀座保護(hù)切削刀30把、注入孔保護(hù)切削刀8把、磨損檢測(cè)刀2把、仿形刀1把、超挖刀1把。②A環(huán)厚度為3 030 mm，分成1、2、3、4共四個(gè)片體。③B環(huán)厚度3 200 mm，分成1、2、3、4共四個(gè)片體。④CD環(huán)厚度1 515 mm，分為1、2、3、4四個(gè)片體。⑤EF環(huán)厚度4 715 mm，分為1、2、3共三個(gè)片體。

鉸接系統(tǒng)總推力為56 000 kN；水平、垂直角度為1.5？觷，行程300 mm；使用壓力35 MPa；數(shù)量16根（分四組）；開(kāi)挖面單位推力：925 kN/m。

盾構(gòu)機(jī)總推力為72 000 kN，行程2 450 mm；裝備數(shù)量24個(gè)（6個(gè)分區(qū)）；伸出速度6.5 cm/min（全數(shù)動(dòng)作）；100 cm/min（7根動(dòng)作）；開(kāi)挖面單位推力1 189 kN/m。

2 盾構(gòu)機(jī)組裝流程

盾構(gòu)機(jī)吊裝順序與盾體組裝順序應(yīng)環(huán)環(huán)相扣，因此吊裝順序嚴(yán)格按照盾構(gòu)機(jī)組裝次序進(jìn)行。由于1#始發(fā)井場(chǎng)地極為狹小，并無(wú)多余空間存放盾構(gòu)機(jī)各部件。因此，必須制定周全的運(yùn)輸、吊裝及組裝方案，否則將會(huì)造成諸多不必要的麻煩。期間，通過(guò)與設(shè)計(jì)、制造方反復(fù)溝通，多次召開(kāi)專家研討會(huì)，確定以何種順序進(jìn)行組裝以達(dá)到既省時(shí)又經(jīng)濟(jì)安全的施工效果。

3 盾構(gòu)機(jī)吊裝施工

根據(jù)1#始發(fā)井場(chǎng)地情況及盾構(gòu)機(jī)各部件重量，確定吊機(jī)組合及站位情況。盾體最重部件為主驅(qū)動(dòng)，重達(dá)153 T。因此，以此為最不利條件確定吊裝施工方案。通過(guò)對(duì)吊機(jī)參數(shù)及各施工資料進(jìn)行分析，確定兩種配合方案，方案比選如表1所示。

由表中對(duì)比可知，兩種方案各有優(yōu)勢(shì)。方案1安全系數(shù)高，但費(fèi)用較高；方案2安全系數(shù)略小，但費(fèi)用減少一半。因此采用方案2，節(jié)約成本的前提是確保吊裝安全系數(shù)。通過(guò)研究，若能使兩臺(tái)吊機(jī)在吊裝過(guò)程中受力均勻，便能保證吊裝安全系數(shù)。此處，利用滑輪組原理，排除人為操作造成的風(fēng)險(xiǎn)，確保兩臺(tái)吊機(jī)承受荷載一致。盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)為吊裝帶來(lái)了一定的困難。

3.1 主驅(qū)動(dòng)吊裝

主驅(qū)動(dòng)吊裝施工時(shí)，因重量大，且吊裝力臂長(zhǎng)，在吊裝翻身過(guò)程中極易因?yàn)槌d而導(dǎo)致傾覆。因此，特巧妙利用翻身工樁，避免了主驅(qū)動(dòng)在翻身時(shí)造成單個(gè)吊機(jī)超負(fù)荷的風(fēng)險(xiǎn)。

吊裝過(guò)程中，用兩臺(tái)吊機(jī)分別吊住主驅(qū)動(dòng)上部?jī)蓚€(gè)吊耳。并在主驅(qū)動(dòng)底部安裝專用翻身工裝，如圖所示。當(dāng)主驅(qū)動(dòng)吊離地面時(shí)時(shí)，拆除翻身工具。250 t履帶吊與300 t汽車吊同時(shí)擺臂直至到達(dá)井口上方吊裝位置，慢慢將主驅(qū)動(dòng)放于A環(huán)下部的主驅(qū)動(dòng)位置上并用定位螺絲連接定位。

在吊裝過(guò)程中，對(duì)吊機(jī)站位區(qū)域及始發(fā)井結(jié)構(gòu)布設(shè)多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)，及時(shí)控制地面沉降。一旦發(fā)現(xiàn)沉降，立即停止吊裝施工。

3.2 CD環(huán)吊裝

CD環(huán)結(jié)構(gòu)特殊，內(nèi)置24個(gè)推進(jìn)千斤頂，總重約130 t。CD環(huán)長(zhǎng)度1 515 mm，而千斤頂長(zhǎng)度為3 860 mm。由此可見(jiàn)，吊裝重心不在CD環(huán)片體上，而在油缸長(zhǎng)度范圍內(nèi)。但因油缸結(jié)構(gòu)限制不能作為受力點(diǎn)，因此導(dǎo)致CD環(huán)吊裝重心難以掌控。按照技術(shù)支持單位三菱公司提供CD環(huán)組裝方案，CD環(huán)連帶油缸成片體組裝下井，垂直水平梁?jiǎn)为?dú)安裝。通過(guò)多次研究討論，充分考慮工期及吊裝安全，此種方案有多個(gè)弊端：①重心無(wú)法掌控，吊裝中極易發(fā)生變形；②垂直水平梁拆卸后定位困難，安裝難度大；③操作復(fù)雜，工期時(shí)間長(zhǎng)，不滿足盾構(gòu)機(jī)組裝工期要求。

為解決以上困難，結(jié)合場(chǎng)地實(shí)際情況研究決定采取如下方案：將CD環(huán)油缸全部拆除，垂直水平梁與C-D環(huán)片體連帶整體下井的方式，比三菱公司提供的組裝方案節(jié)省了6 d時(shí)間。

具體實(shí)施方案為：

①油缸全部拆除，片體2、4分別連帶垂直水平梁整體吊裝，避免了拆裝垂直水平梁定位的困難。②油缸安裝。CD環(huán)片體1、2、3、4及垂直水平梁定位安裝好后，依次安裝24個(gè)油缸。③整體安裝完畢，所需工期為4 d，且吊裝、安裝過(guò)程中未發(fā)生任何變形，定位偏差控制在±2 mm。

4 盾體焊接施工

盾體焊接工作量大（共198 m）、焊縫種類多、焊接形式復(fù)雜，且變形量不易于控制。焊縫工程量統(tǒng)計(jì)如表4所示。對(duì)于脆性材料的焊接，由于材料不能進(jìn)行塑性變形，隨著外力的增加，構(gòu)件不可能產(chǎn)生應(yīng)力均勻化，所以在加載過(guò)程中應(yīng)力不斷增加。當(dāng)應(yīng)力峰值達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時(shí)，局部發(fā)生破壞，最后導(dǎo)致構(gòu)件整體破壞。因此焊接過(guò)程中，采取了一系列措施重點(diǎn)減小焊接殘余應(yīng)力。

采用合理的裝配、焊接順序及方向：①鋼板拼接焊縫的焊接；②同時(shí)存在收縮量大和收縮量小的焊縫時(shí)，先焊收縮量大的焊縫；③工作時(shí)受力較大的焊縫應(yīng)先焊；④平面交叉焊縫的焊接。先焊對(duì)接立焊縫，然后焊角焊縫；先焊縱向焊縫，再焊橫向焊縫。

縮小焊接區(qū)與結(jié)構(gòu)整體之間的溫差（預(yù)熱法、冷焊法），對(duì)于組裝過(guò)程中的縱縫及環(huán)縫的焊接采取如圖1所示焊接順序。

4.1 縱縫焊接施工質(zhì)量控制措施

①為避免母材焊縫出現(xiàn)缺陷，每條開(kāi)端焊縫，根據(jù)母材板厚裝配同材質(zhì)的引弧板和熄弧板，引弧板要保持與坡口形狀一致，尺寸一般采用50×50 mm，在引弧板上預(yù)先調(diào)整好電流和電壓。②片體之間縱縫應(yīng)對(duì)稱焊接（四條縱縫），外部填充之后焊接內(nèi)部，內(nèi)部焊完再進(jìn)行外部焊接。焊接之前要進(jìn)行加熱處理，所需預(yù)熱溫度取決于板厚（預(yù)熱溫度一定要在距焊縫剖面50 mm距離處測(cè)量）。③縱縫在長(zhǎng)度方向應(yīng)分段焊接，500～600 mm一段，由中間向兩端焊接，以減小焊接造成的變形。④EF環(huán)不同于其他環(huán)，分為三個(gè)片體。因此，焊接過(guò)程保證3條焊縫同時(shí)進(jìn)行，且以同樣的方式分段，焊接速度保持一致（電流、電壓保持一致）。

4.2 環(huán)縫焊接施工質(zhì)量控制措施

①EF環(huán)與CD環(huán)焊接時(shí)，采取段焊方式，同向循環(huán)焊接，且保證兩個(gè)焊點(diǎn)在對(duì)角線上。②A環(huán)、B環(huán)焊接時(shí)，第一層焊縫從下往上焊接，第二層采取段焊方式，同向循環(huán)焊接，且保證兩個(gè)焊點(diǎn)在對(duì)角線上。

4.3 焊縫質(zhì)量檢驗(yàn)措施

①外觀檢測(cè)。焊縫不得存在未滿焊、根部收縮、咬邊和接頭不良的等缺陷；不得存在表面氣孔、夾渣、裂紋和電弧擦傷等缺陷。②超聲波探傷、磁粉探傷。③焊角尺寸≤8 mm的水密焊縫要進(jìn)行著色探傷（PT），其它水密焊縫要嚴(yán)格進(jìn)行外觀檢查。

5 結(jié) 語(yǔ)

隨著地下空間的開(kāi)發(fā)利用和城市市政綜合管線的建設(shè)，全世界盾構(gòu)隧道也逐漸呈現(xiàn)出“大、長(zhǎng)、深”的發(fā)展趨勢(shì)。伴隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迫切需要，越來(lái)越多的大直徑盾構(gòu)隧道工程即將或正處于施工階段。近年來(lái)，局盾構(gòu)施工停留在直徑Ф6 250 mm領(lǐng)域。此次Ф8 780大盾構(gòu)施工，是首次自主生產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)，首次參與大鐵建設(shè)項(xiàng)目，首次進(jìn)行大盾構(gòu)施工。因此，對(duì)大盾構(gòu)施工技術(shù)的研究任重道遠(yuǎn)。

本課題針對(duì)地下隧道盾構(gòu)施工領(lǐng)域大盾構(gòu)組裝施工的特點(diǎn)難點(diǎn)，有重點(diǎn)有方向的以技術(shù)創(chuàng)新為核心，以縮短工期、節(jié)約成本為目標(biāo)，對(duì)盾構(gòu)機(jī)焊接、組裝施工技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，在相關(guān)領(lǐng)域創(chuàng)造了全新的記錄，為日后的大盾構(gòu)組裝施工技術(shù)提供了非常寶貴的參考經(jīng)驗(yàn)。

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