盾構(gòu)平移施工技術(shù)探析

周文朋 張國(guó)林 吳禎 高鋒 蘇勇

(中國(guó)水利水電第十一工程局有限公司 河南鄭州 450000)

1 概述

1.1 工程概況

深圳城市軌道交通9號(hào)線(xiàn)，位于南海大道與工業(yè)六路站丁字路口，從海上世界站盾構(gòu)井始發(fā)，右線(xiàn)掘進(jìn)完成后在海上世界站二次始發(fā)掘進(jìn)海工區(qū)間左線(xiàn)，掘進(jìn)完左線(xiàn)后平移至右線(xiàn)吊出井吊拆退場(chǎng)，車(chē)站主體位于南海大道路面下，沿南海大道南北向布置。工業(yè)六路站南端頭井為左右線(xiàn)盾構(gòu)接收井。工業(yè)六路站為半幅蓋挖車(chē)站，東側(cè)(右線(xiàn))明挖，西側(cè)(左線(xiàn))蓋挖；左線(xiàn)盾構(gòu)機(jī)(蓋板范圍內(nèi))需平移至右線(xiàn)盾構(gòu)接收口范圍內(nèi)吊出，盾構(gòu)接收順序如圖1所示。

圖1 海工區(qū)間盾構(gòu)接收順序圖

1.2 盾構(gòu)機(jī)參數(shù)

采用海瑞克S810土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行盾構(gòu)施工作業(yè)，該盾構(gòu)機(jī)主要由刀盤(pán)、前盾、中盾、尾盾、連接橋、拼裝機(jī)、螺旋機(jī)和5節(jié)后配套臺(tái)車(chē)等部件組成，總重約475t，最重部件前盾約96t。具體盾構(gòu)機(jī)設(shè)備外形尺寸和重量如表1所示。

表1 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)主要部件參數(shù)表

2 平移施工準(zhǔn)備

2.1 施工場(chǎng)地找平

在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞前，將盾構(gòu)接收井(工業(yè)六路站南端頭)底板清理干凈，如圖2所示。

圖2 底板布置剖面圖

為了保證盾體在平移過(guò)程中平面的平整度，減少盾體在平移過(guò)程中的摩擦力，在混凝土底板面上鋪設(shè)20mm厚的鋼板(Q235B)，鋼板鋪設(shè)范圍為20.2m×12.2m(長(zhǎng)×寬)；鋼板接縫處每隔1m，開(kāi)坡口焊接，焊接完成后打磨至鋼板面平齊，鋼板鋪設(shè)注意事項(xiàng)：

(1)接收井底板需用水平尺校準(zhǔn)，在盾體平移方向每隔3m布置一個(gè)標(biāo)高基準(zhǔn)面，標(biāo)高基準(zhǔn)面采用型號(hào)為30mm×30mm、長(zhǎng)度為12m/根的方鋼，下面使用沖擊鉆打孔，插上直徑Φ16的螺紋鋼，然后，鋼筋與方鋼焊接牢固；嚴(yán)格控制填充后底板頂面的高程，保證填充底板頂面平整度，鋼板與鋼板接縫處應(yīng)平順。

(2)鋼板與鋼板之間緊密靠攏，鋼板之間縫隙進(jìn)行焊接，并打磨處理。

(3)將預(yù)留的鋼筋采用機(jī)械的方法壓倒，切勿采用火焰加熱。

2.2 接收基座安裝及加固

在安裝接收基座之前，在接收基座底部焊接20mm厚的鋼板，然后根據(jù)測(cè)量放線(xiàn)定位，在鋼板上安裝接收基座。接收基座在安裝時(shí)，接收基座的中心軸線(xiàn)應(yīng)與隧道設(shè)計(jì)軸線(xiàn)一致，接收基座的軌面標(biāo)高本應(yīng)按照設(shè)計(jì)軸線(xiàn)控制。為了使盾體更順利地步入接收基座上，軌面標(biāo)高在鋪設(shè)時(shí)，作適當(dāng)調(diào)整，設(shè)計(jì)標(biāo)高應(yīng)低于20mm。對(duì)接收基座進(jìn)行加固，利用鋼板等材料將接收基座牢牢與鋼板焊接成整體，對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行嚴(yán)格檢查，要求無(wú)裂縫、無(wú)氣泡、無(wú)夾渣等要求(具體如圖3所示)。特別要對(duì)接收基座縱向加固，保證盾構(gòu)機(jī)能順利到達(dá)接收基座上。

圖3 接收基座與鋼板焊接圖

2.3 盾體與基座固定

盾體進(jìn)入接收基座后，連接橋與拼裝機(jī)分離，以及連接在盾體內(nèi)的管線(xiàn)要完全斷開(kāi)。盾體與接收基座用鋼板連接焊接固定，盾體與接收基座兩側(cè)用20mm的鋼板連接固定，每側(cè)焊4道，焊縫要求無(wú)裂縫、無(wú)氣泡、無(wú)夾渣等缺陷。中間用鋼絲繩拉2道，確保盾體與基座連接牢固，如圖4～圖5所示。

圖4 盾體與基座固定示意圖

圖5 盾體與鋼板焊接大樣圖

3 盾體平移

盾體平移是利用千斤頂把盾體與接收基座緩慢地從接收井左線(xiàn)平移到接收井右線(xiàn)，然后進(jìn)行盾體拆卸吊裝出井。具體步驟如圖6所示。

圖6 盾構(gòu)機(jī)平移流程圖

3.1 平移盾體摩擦阻力

盾體由刀盤(pán)、前盾、中盾尾盾、人倉(cāng)、管片拼裝機(jī)等主要部件組成，盾體整體放在基座上，總體重量為282.6t。盾體平移所需要克服的摩擦阻力(即推力)：

f=μmg≈0.2×282.6×103×10=565.2kN

依照理論值需要565.2kN(56.5t)的推力就能把盾體移動(dòng)，為了能夠順利把盾體從左線(xiàn)平移到右線(xiàn)，選擇兩個(gè)100t的液壓千斤頂推盾體。

3.2 安裝千斤頂

盾體的重量均勻地分布在接收基座上，根據(jù)接收基座的結(jié)構(gòu)，千斤頂擺放位置具體如圖7所示，在千斤頂后面焊接后頂座。后頂座的面積大于千斤頂?shù)拿娣e，使用300mm×300mm×20mm的鋼板做接觸面，面板后面用20mm厚鋼板做加筋板。

圖7 千斤頂位置示意圖

3.3 盾體平移

盾體加固完成，平移千斤頂擺放到位后，在平鋪的鋼板上涂抹一層潤(rùn)滑油脂。各工序完全到位后，啟動(dòng)平移千斤頂，千斤頂慢慢伸出并且要同步；隨著千斤頂?shù)木徛斐龊螅荏w也會(huì)隨著慢慢移動(dòng)。

千斤頂伸出一個(gè)行程(1m)后，縮回千斤頂；然后把后頂座割除，往前移動(dòng)，位移量為千斤頂回縮后的實(shí)際長(zhǎng)度。然后，焊接牢固，重新擺放千斤頂，伸出油缸，慢慢地把盾體推移一個(gè)行程，這樣循環(huán)的工作，把盾體安全順利地移動(dòng)到右線(xiàn)接收井口。盾體水平方向(從左線(xiàn)移到右線(xiàn))之后，在軸線(xiàn)上，使中、前盾在吊裝半徑內(nèi)，便于吊裝。

4 后頂座受力驗(yàn)算

盾體平移，千斤頂油缸對(duì)稱(chēng)伸出作用在基座上，反作用力在后頂座上；油缸實(shí)際長(zhǎng)度為1100mm，直徑為Φ250mm。后頂座如圖8～圖9所示。

圖8 后頂座大樣圖

圖9 焊縫詳圖

后頂座所受壓力即為摩擦力：

f=μmg≈0.2×282.6×103×10=565.2kN

頂推油缸受力面積為：

s=π·r2314×0.1252=0.049m2

后頂座抗剪強(qiáng)度為：

τ=f/2s=5.652×105/2×0.049=5.77×106Pa=5.77MPa

4.1 焊腳尺寸確定

焊腳尺寸確定，是為了兩個(gè)目的：①避免焊縫處局部過(guò)熱，減少焊件的焊接殘余應(yīng)力和殘余變形；②避免焊縫由于冷卻速度快而產(chǎn)生淬硬組織焊導(dǎo)致母材開(kāi)裂。相應(yīng)焊腳尺寸應(yīng)滿(mǎn)足以下構(gòu)造要求條件：

①hf,max≤1.2δ；

②δ>6mm，hf,max≤δ-(1～2)mm；

③hf,min≥1.5×δ1/2(計(jì)算數(shù)值進(jìn)位取整)

此處取最大焊腳尺寸hf,max=10mm，最小焊腳尺寸取7mm，鋼板δ=20mm；

顯然，①(hf,max=10mm)≤(1.2δ=24mm)；

②(hf,max=10mm)≤{δ-(1～2)mm=18～19mm}；

③(hf,min=7mm)≥(1.5×δ1/2=7mm)。

后頂座焊縫焊腳尺寸滿(mǎn)足要求。

4.2 確定焊縫長(zhǎng)度

后頂座焊縫主要為側(cè)面角焊縫，主要承受剪力，應(yīng)力狀態(tài)較為單一。在彈性階段，剪應(yīng)力沿焊縫長(zhǎng)度方向分布不均勻，兩端大中間小，且焊縫越長(zhǎng)越不均勻，應(yīng)力越集中，但側(cè)縫塑性好。因后頂座內(nèi)力沿焊縫全長(zhǎng)分布，故焊縫最大長(zhǎng)度不予限制，但對(duì)焊縫最小值有所規(guī)定：

lw≥8hf(且不得小于40mm)

lw=(60mm)≥(8hf=56mm)不小于40mm，焊縫長(zhǎng)度滿(mǎn)足要求。

4.3 焊縫強(qiáng)度計(jì)算

規(guī)范中指出，直角角焊縫的破壞常發(fā)生在喉部，故通常將45°截面作為計(jì)算截面，然而實(shí)際計(jì)算當(dāng)中截面的各應(yīng)力分量計(jì)算較為繁雜，為簡(jiǎn)化計(jì)算，規(guī)范假定，焊縫在有效界面處破壞，則直角角焊縫的強(qiáng)度計(jì)算式為：

綜上所述，后頂座焊縫強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

5 結(jié)論

通過(guò)應(yīng)用以上方法較好地完成了盾構(gòu)機(jī)的平移吊出任務(wù)，后頂座及其焊縫通過(guò)實(shí)際運(yùn)用完全滿(mǎn)足頂推受力要求。對(duì)于地鐵類(lèi)似工程有一定借鑒作用，并希望對(duì)盾體平移技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮一點(diǎn)成效[1-4]。