有限場(chǎng)地條件下盾構(gòu)機(jī)整體吊裝技術(shù)研究

王　飛，劉孟波，陳　龍，劉　文，湯林猛

1)北京交通大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100044；2)同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；3)中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北武漢 430040

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有限場(chǎng)地條件下盾構(gòu)機(jī)整體吊裝技術(shù)研究

王飛1, 3，劉孟波2，陳龍3，劉文3，湯林猛3

1)北京交通大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 100044；2)同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092；3)中建三局第一建設(shè)工程有限責(zé)任公司，湖北武漢 430040

摘要：以深圳地鐵9號(hào)線有限場(chǎng)地下的盾構(gòu)整體吊裝應(yīng)用為背景，提出盾構(gòu)機(jī)整體吊裝流程，探討了整體吊裝設(shè)備的結(jié)構(gòu)性能，對(duì)其結(jié)構(gòu)配置、牽引力系統(tǒng)提出改進(jìn)意見. 針對(duì)在有限場(chǎng)地不能滿足施作吊裝設(shè)備基礎(chǔ)條件的情況，分析采用均載板作為整體吊裝設(shè)備基礎(chǔ)施工的安全性，均載板最大Mises應(yīng)力為24.58 MPa，最大變形為64 mm，滿足強(qiáng)度及剛度要求. 實(shí)施結(jié)果表明，所選盾構(gòu)機(jī)整體吊裝設(shè)備及過程能滿足可行性和安全性要求，提出的整體吊裝措施安全可靠，可為類似工程提供借鑒.

關(guān)鍵詞：隧道工程；隧道盾構(gòu)技術(shù)；有限場(chǎng)地；整體吊裝；安全性計(jì)算；牽引力；吊裝設(shè)備基礎(chǔ)；均載板；深圳地鐵

隨著經(jīng)濟(jì)與城市化進(jìn)程的迅速發(fā)展，城市人口膨脹與有效的交通資源間的矛盾日益尖銳，如何有效地利用城市中有限的空間資源，成為一個(gè)亟待解決的問題. 20世紀(jì)后中國(guó)地鐵得到前所未有的發(fā)展. 地鐵建設(shè)既是地鐵交通的初始環(huán)節(jié)，也是最重要的環(huán)節(jié)之一. 近年來，盾構(gòu)法隧道施工[1-3]以其安全性、適用性、經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)勢(shì)在中國(guó)得到廣泛使用. 在盾構(gòu)法隧道施工中，盾構(gòu)機(jī)的接收[4-12]、吊裝[13-15]和轉(zhuǎn)場(chǎng)[16-17]是回避不開的施工難題．傳統(tǒng)的分體拆機(jī)吊裝要求場(chǎng)地外部條件好、工期寬松等條件. 隨著地鐵建設(shè)步伐的加快及在城市老城區(qū)建設(shè)地鐵的緊迫性，亟需一種盾構(gòu)吊裝占用道路時(shí)間短、施工場(chǎng)地需求小的盾構(gòu)吊裝方式.

盾構(gòu)機(jī)的吊出一般分為整體吊裝和分體吊裝. 國(guó)內(nèi)已有相關(guān)整體吊裝及分體吊裝的技術(shù)研究. 在分體吊裝方面，羅垠[18]概述了分體吊裝盾構(gòu)機(jī)的基本施工工藝；針對(duì)整體吊裝，黃威然等[19]在2005年首次闡述了大噸位盾構(gòu)機(jī)整體吊裝的技術(shù). 唐業(yè)云[20]介紹了利用既有發(fā)電機(jī)定子架加以改造從而進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)整體吊裝及轉(zhuǎn)運(yùn)的施工技術(shù). 黃芹朋[21]則闡明了如何合理選擇吊裝設(shè)備和方案，介紹了盾構(gòu)機(jī)吊裝設(shè)備和工藝要求. 王科偉[22]在2014年提出了盾構(gòu)機(jī)整體吊裝施工流程.

國(guó)內(nèi)整體吊裝的研究表明，整體吊裝相對(duì)盾構(gòu)機(jī)解體吊裝有場(chǎng)地占用時(shí)間少、設(shè)備轉(zhuǎn)場(chǎng)時(shí)間短、節(jié)省工期及節(jié)約盾構(gòu)再組裝費(fèi)用等優(yōu)點(diǎn). 雖然國(guó)內(nèi)已有不少吊裝盾構(gòu)機(jī)的研究，但針對(duì)類似深圳地區(qū)復(fù)雜地質(zhì)條件及施工環(huán)境中的盾構(gòu)機(jī)吊裝，還沒有相關(guān)成功的案例和研究. 本研究針對(duì)深圳地區(qū)首次盾構(gòu)機(jī)整體吊裝進(jìn)行了技術(shù)分析，著重研究了整體吊裝設(shè)備可靠性、盾構(gòu)機(jī)平移時(shí)設(shè)備所需水平牽引力大小及有限場(chǎng)地條件在無法施工吊裝設(shè)備基礎(chǔ)的工況下采用均載板作為整體吊裝設(shè)備基礎(chǔ)施工的安全性，旨在為后續(xù)類似工程提供參考.

1工程概況

文錦-向西村盾構(gòu)區(qū)間右線全長(zhǎng)485 m，左線全長(zhǎng)487 m. 左右線最小曲線半徑345 m，隧道埋深約在7.5～26.0 m，最大縱坡為2.9%. 下穿長(zhǎng)城春風(fēng)花園和聯(lián)城變電站后到達(dá)文錦站(圖1).

圖1　區(qū)間線路圖Fig.1　(Color online) Subway routes

此次整體吊裝具有以下難點(diǎn)：

1)盾構(gòu)機(jī)整體質(zhì)量高達(dá)325 t，提升高度26.32 m，均為全國(guó)之最；

2)盾構(gòu)機(jī)前重后輕，吊起過程需緩慢并確保盾構(gòu)機(jī)不能傾斜；

3)受場(chǎng)地限制無法破除道路施工吊裝設(shè)備基礎(chǔ)，吊裝風(fēng)險(xiǎn)大；

4)施工工期緊.

2整體吊裝技術(shù)

盾構(gòu)機(jī)吊裝分為向西村站出井、轉(zhuǎn)運(yùn)和文錦站下吊等3個(gè)部分，具體吊裝過程見圖2.

圖2　吊裝過程流程示意圖Fig.2　Flow chart of hoisting process

2.1吊裝系統(tǒng)均載板出井口處布置

如圖3，因向西路無法施作吊裝設(shè)備基礎(chǔ)，故而在盾構(gòu)接收端頭井口前向西路上鋪設(shè)4塊鋼板(12 m×3 m×0.02 m)，在兩邊的鋼板上再各鋪設(shè)一塊均載板(6 m×2.4 m×0.28 m)，每塊均載板承載220.5 t，在均載板上墊薄鋼板調(diào)整其標(biāo)高與地連墻上混凝土基礎(chǔ)頂面標(biāo)高一致.

圖3　鋼板和均載板鋪設(shè)示意圖Fig.3　(Color online) Sketch map of steel plate and uniformly distributed load plate placement

而后在井口上方架設(shè)吊裝系統(tǒng)，完成盾構(gòu)機(jī)出井所有井口布置. 吊裝系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖4.

圖4　吊裝系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 　(Color online) Hoisting system structure sketch map

2.2盾構(gòu)機(jī)整體出井

盾構(gòu)機(jī)整體吊裝的形式如圖5，先將盾構(gòu)機(jī)水平提升至地面以上，再水平平移至盾構(gòu)水平運(yùn)輸車上，完成整體吊裝出井過程.

在整個(gè)吊裝過程中，整體吊裝設(shè)備軌道梁如圖5所示有6個(gè)受力點(diǎn). 盾構(gòu)出井口4個(gè)受力點(diǎn)為施作于結(jié)構(gòu)上的鋼筋混凝土支墩，強(qiáng)度足夠. 向西路上用均載板作為受力支座處為結(jié)構(gòu)薄弱位置. 同時(shí)，盾構(gòu)機(jī)的平移機(jī)構(gòu)為兩根總牽引力約600 kN的液壓油缸(單根牽引力約300 kN). 需對(duì)牽引力是否滿足條件進(jìn)行驗(yàn)算.

圖5　吊裝系統(tǒng)整體工作示意圖Fig.5 　(Color online) Hoisting system working sketch map

3吊裝及盾構(gòu)平移安全性分析

3.1整體吊裝機(jī)械系統(tǒng)分析

整體吊裝機(jī)械系統(tǒng)分析采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，設(shè)備鋼梁均簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁計(jì)算，主要校核了梁的抗剪與抗彎強(qiáng)度，所得結(jié)果見表1. 從表1可見，機(jī)械系統(tǒng)各項(xiàng)強(qiáng)度指標(biāo)均符合要求.

表1　吊裝系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果

根據(jù)整體吊裝設(shè)備結(jié)構(gòu)計(jì)算可知，軌道梁計(jì)算抗彎強(qiáng)度為46.7 MPa，允許抗彎強(qiáng)度已達(dá)到265 MPa，富余量較大，可進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化.

3.2吊裝牽引力分析

盾構(gòu)機(jī)整體吊裝設(shè)備盾構(gòu)平移所需水平牽引力由圖6所示液壓油缸提供，牽引力F主要由啟動(dòng)時(shí)所需要克服的靜摩擦力f0和啟動(dòng)時(shí)所需要克服的軌道梁在承載時(shí)產(chǎn)生下?lián)蠈?duì)頂升塔行走產(chǎn)生附加阻力FS組成. 且F不小于水平運(yùn)動(dòng)時(shí)滾動(dòng)摩擦力f.

圖6　牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 　(Color online) Traction force system structure map

滾動(dòng)摩擦力為

f=μ1(F1+F2)

其中， μ1為滾動(dòng)摩擦系數(shù)，頂升塔行走鋼輪與軌道梁面之間為無潤(rùn)滑鋼-鋼滾動(dòng)摩擦，取μ1=0.05； F1為盾構(gòu)機(jī)自身重力，取值3 250 kN； F2為4個(gè)千斤頂及其頂部鋼梁總重力，取值1 200 kN. 計(jì)算得到滾動(dòng)摩擦力 f=222.5 kN.

啟動(dòng)時(shí)所需要克服的靜摩擦力為

f0=μ2(F1+F2)

其中， μ2為靜摩擦系數(shù)，鋼-鋼無潤(rùn)滑靜摩擦系數(shù)取0.1. 計(jì)算可得 f=445 kN.

根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法算得軌道梁最大跨距13.8 m，撓度6.44 mm，則軌道梁坡角α為

α=arctan(2ω/L)

其中， ω為擾度； L為最大跨距；計(jì)算所得軌道梁坡角α為0.053°.

撓度產(chǎn)生的附加荷載為

FS=(F1+F2)sinα

計(jì)得FS=4.1 kN.

盾構(gòu)機(jī)行走時(shí)所需提供的總牽引力F為

F=FS+f0

計(jì)得總牽引力F=449.1 kN. 可知F≥f.

整體吊裝配備的2個(gè)千斤頂所提供牽引力約為600 kN，能夠滿足平移要求，通過對(duì)牽引力的驗(yàn)算表明，雖然所配備油缸滿足水平平移要求，但考慮到偶然阻力的作用，應(yīng)增大設(shè)備配備牽引力.

3.3均載板承載力驗(yàn)算

盾構(gòu)機(jī)水平運(yùn)輸車下并排墊兩塊鋼板(12 m×3 m×0.02 m)，盾構(gòu)機(jī)水平運(yùn)輸車自重80 t，盾構(gòu)機(jī)體重325 t，則對(duì)地平均壓力為56.25 kPa. 均載板為Q235鋼板焊接而成，外形尺寸為6 m×2.4 m×0.28 m，面板壁厚30 mm，腹板筋板壁厚16 mm, 均載板實(shí)體模型及內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖7.

圖7　均載板實(shí)體模型及內(nèi)部結(jié)構(gòu)Fig.7　(Color online) Uniformly distributed load plate model and internal structure map

賦予模型材質(zhì)屬性為Q235材質(zhì)，彈性模量E=206 GPa，泊松比μ=0.3. 約束與載荷為在均載板底面施加3個(gè)方向；將均載板上面分割出2條長(zhǎng)條面模擬軌道梁與均載板接觸，如圖8．每個(gè)長(zhǎng)條面尺寸為6 000 mm×469 mm.

圖8　均載板荷載及邊界條件示意圖Fig.8　(Color online) Sketch map of uniformly distributed load plate loading and boundary conditions

所得計(jì)算結(jié)果見圖9和圖10. 圖9為均載板Mises應(yīng)力云圖，圖10為均載板總位移云圖.

圖9　均載板Mises應(yīng)力云圖Fig.9　(Color online) Uniformly distributed load plate Mises stress nephogram

圖10　均載板總位移云圖Fig.10　(Color online) Uniformly distributed load plate displacement

均載板可將整體吊裝單個(gè)受力點(diǎn)的力較均勻地傳遞到6.0 m×2.4 m的地面，地面平均壓力為77.25 kPa, 若僅在地面鋪墊鋼板，地面平均壓力達(dá)395.88 kPa. 根據(jù)曾慶軍等[23]的研究，各不同土質(zhì)類型強(qiáng)夯后的地基承載力均無法達(dá)到395.88 kPa. 經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力觸探試驗(yàn)，該處道路平均地基承載力約353 kPa, 局部?jī)H約200 kPa, 故整體吊裝施工時(shí)必須使用均載板.

均載板的使用有效解決了城市道路無法開挖施作整體吊裝基礎(chǔ)的條件限制. 從計(jì)算結(jié)果來看，均載板最大Mises應(yīng)力為24.58 MPa，發(fā)生在板面荷載施加處，呈均勻分布，因此所提供的鋼板能滿足強(qiáng)度要求，并且有足夠大的安全余量. 均載板最大位移為64 mm，滿足剛度要求.

結(jié)語

在城市施工場(chǎng)地有限的情況下，進(jìn)行復(fù)合地層條件下盾構(gòu)機(jī)整體吊裝是一個(gè)復(fù)雜的研究課題，需要綜合考慮地質(zhì)、機(jī)械系統(tǒng)及場(chǎng)地因素等條件，將盾構(gòu)機(jī)整體吊裝過程進(jìn)行合理規(guī)劃和配置.

本研究以深圳地鐵9號(hào)線文向區(qū)間為工程背景，對(duì)盾構(gòu)整體吊裝設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)、牽引力系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并就有限場(chǎng)地條件下不能施作整體吊裝設(shè)備基礎(chǔ)工況條件下的盾構(gòu)整體吊裝進(jìn)行了探討，分析了此類有限場(chǎng)地條件下盾構(gòu)機(jī)整體吊裝所考慮的因素，提出了初步的吊裝流程及安全性計(jì)算方法. 從實(shí)施結(jié)果來看，所選擇的盾構(gòu)機(jī)整體吊裝設(shè)備能夠滿足施工要求，具有較好的安全性、施工性和可靠性.

本研究?jī)H以深圳地鐵9號(hào)線施工條件為例進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)整體吊裝研究，其他復(fù)雜施工條件下的盾構(gòu)機(jī)整體吊裝仍需要進(jìn)一步研究.

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【中文責(zé)編：坪梓；英文責(zé)編：之聿】

Integral hoisting technology of tunnel boring machine in limited space

Wang Fei1, 3?, Liu Mengbo2, Chen Long3, Liu Wen3, and Tang Linmeng2

1) School of Economics and Management, Beijing Jiaotong University, Beijing 100044, P.R.China 2)College of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, P.R.China 3) The First Construction Engineering Co.Ltd., China Construction Third Engineering Bureau,Wuhan 430040, Hubei Province, P.R.China

Abstract：In order to realize the integral hoisting of the tunnel boring machine in the limited space of Shenzhen Metro Line 9, a hoisting process of tunnel boring machine is put forward, and the security of hoisting equipment is analyzed. Some suggestions for the design of integral hoist equipment and traction system are presented. Regarding to the problem of the integral hoisting of tunnel boring machine under the condition of limited space where the foundation couldn’t be conducted, a uniformly distributed load plate application is analyzed, and the results show that its maximum Mises stress is 24.58 MPa, and the maximum deformation is 64 mm, which could meet the requirements of strength and rigidity. Practice indicates that the hoisting process of tunnel boring machine and the measures of integral hoist can meet the needs of feasibility and safety. It provides a valuable reference for the similar projects.

Key words：tunnel engineering; tunnel boring technology; limited space; integral hoisting; safety calculation; traction; foundation of hoist machine; uniformly distributed load plate; Shenzhen metro

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51378389)

作者簡(jiǎn)介：王飛(1989—)，男，中建三局長(zhǎng)沙地鐵項(xiàng)目盾構(gòu)總工程師．研究方向：地鐵盾構(gòu)施工技術(shù)．E-mail：317765609@qq.com

中圖分類號(hào)：U 455.43

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi：10.3724/SP.J.1249.2016.03317

【土木建筑工程 / Architecture and Civil Engineering】

Received：2015-11-27；Accepted：2016-03-17

Foundation：National Natural Science Foundation of China (51378389)

? Corresponding author：Engineer Wang Fei．E-mail: 3177654609@qq.com

Citation：Wang Fei，Liu Mengbo，Chen Long，et al．Integral hoisting technology of tunnel boring machine in limited space[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2016, 33(3): 317-323.(in Chinese)

引文：王飛，劉孟波，陳龍，等. 有限場(chǎng)地條件下盾構(gòu)機(jī)整體吊裝技術(shù)研究[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2016，33(3)：317-323.