狹窄空間內(nèi)可拆解式盾構(gòu)過站施工技術(shù)及應用
——以寧波火車站為例

姚燕明,胡新朋,李發(fā)勇,肖廣良,黃毅,夏漢庸,周俊宏

(1.寧波市軌道交通集團有限公司，浙江 寧波 315012；2.中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458)

0 引言

隨著城市化的不斷提升，城市擁堵問題日益凸顯，修建城市地鐵成為緩解交通壓力的主要措施[1-2]。因地鐵的功能要求，大量地鐵建設位于市中心、老舊城區(qū)[3-5]，地面、地下空間條件均極為繁雜。例如：地鐵建設中會因換乘站先后施工、交通導改、管線改遷等原因在盾構(gòu)施工前封閉盾構(gòu)吊裝孔，甚至出現(xiàn)一個車站內(nèi)無任何吊裝孔、出土孔的情況[6-7]，這就要求盾構(gòu)施工轉(zhuǎn)場時采取站內(nèi)過站的方式。

針對盾構(gòu)過站問題，已有研究者進行了研究及現(xiàn)場實踐[8-11]。一般情況下盾構(gòu)都是整體過站，適用于車站凈空充足的情況，應用較為廣泛。但在實際工程中，由于部分車站先期未考慮預留，或者二次結(jié)構(gòu)已施工等原因，導致車站凈空不足而無法實現(xiàn)整機過站。在這種情況下，需要在狹窄的空間內(nèi)對現(xiàn)有盾構(gòu)進行改造，縮小盾構(gòu)構(gòu)件體積、質(zhì)量，以充分利用空間，進行盾構(gòu)拆解、轉(zhuǎn)場[12-15]。例如：上海軌道交通15號線在穿越上海西站時，針對盾構(gòu)直徑的變化引起的已建車站凈空不足、無法整體過站的問題，采用了分體過站技術(shù)，將前盾、中盾、盾尾從中部分割成上、下2個部分，該方式采用切割、焊接作業(yè)，如操作不當極易影響盾構(gòu)裝備的穩(wěn)定性，進而影響后續(xù)施工[16]。

基于此，本文以寧波軌道交通4號線柳西站—寧波火車站—興寧橋西站區(qū)間隧道工程為背景，針對寧波火車站無預留吊裝孔、盾構(gòu)站內(nèi)整體過站凈空不足的問題，詳細闡述了研發(fā)的新型可拆解式盾構(gòu)的設計原則、結(jié)構(gòu)特點及其標準化過站方法，以期為類似工程提供技術(shù)參考。

1 工程概況

寧波火車站為寧波軌道交通2、4號線換乘站，土建同步建設。目前2號線已運營，4號線車站為地下3層車站，位于寧波火車站南廣場下方。4號線車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)在2號線地鐵施工時已全部完成，只預留了4號線端頭盾構(gòu)接收條件。按照原設計工籌，盾構(gòu)在此進行調(diào)頭施工，未預留盾構(gòu)吊裝孔，且車站標準段已部分澆筑軌頂風道結(jié)構(gòu)。寧波火車站結(jié)構(gòu)如圖1所示。軌行區(qū)凈空最小處高度為4.6 m，寬度為6.5 m；車站中部站臺板位置結(jié)構(gòu)最小凈空高度為5.9 m，寬度為6.2 m。則車站允許通行的最大凈空尺寸為5.9 m×6.2 m(高×寬)。

圖1 寧波火車站結(jié)構(gòu)示意圖(單位：mm)Fig.1 Schematic diagram of structure of Ningbo Railway Station (unit:mm)

根據(jù)4號線工程進度，由于興寧橋西站施工進度受阻，為了滿足整體工期要求，4號線柳西站盾構(gòu)到達寧波火車站后，需要在此過站，再始發(fā)施工至興寧橋西站。寧興區(qū)間周邊環(huán)境如圖2所示。所用盾構(gòu)刀盤直徑為6.35 m，盾體直徑為6.34 m，而4號線寧波火車站已不具備實施盾構(gòu)井吊出后轉(zhuǎn)場的條件，由于結(jié)構(gòu)預留凈空不足，也不具備整機過站的條件。

圖2 寧興區(qū)間周邊環(huán)境示意圖Fig.2 Schematic diagram of surroundings environment of Ningbo Railway Station-West Xingningqiao Station Section

2 可拆解式盾構(gòu)設計

可拆解式盾構(gòu)與常規(guī)盾構(gòu)的主要區(qū)別在于盾構(gòu)整機根據(jù)車站凈空尺寸及盾構(gòu)功能元器件的布置特點被分為不同的塊體，并通過一定的方式有效連接組裝成整體。

可拆解盾構(gòu)設計過程中，首先根據(jù)車站凈空提出初步可行的各部件分塊方式，再根據(jù)內(nèi)部管路分布、油缸分布和結(jié)構(gòu)形式等確定最終的分塊形式，最后根據(jù)盾構(gòu)施工全過程的結(jié)構(gòu)受力特點設計各部件的連接方式。

2.1 設計原則

可拆解式盾構(gòu)設計主要遵循以下原則：1)經(jīng)濟性。加快循環(huán)周期和節(jié)省工程投資，拆解結(jié)構(gòu)應利于后續(xù)再利用。2)安全性。各可拆解塊體之間要求連接牢固，密封有效。3)便捷性。拆、組方便，單塊最大質(zhì)量與最大尺寸滿足吊運、運輸要求。

2.2 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)分塊及連接方式設計

2.2.1 分塊方式

考慮車站結(jié)構(gòu)尺寸，可拆解式盾構(gòu)拆解后擬從站臺處過站，凈空尺寸為5.9 m× 6.2 m(高×寬)，盾構(gòu)拆解后過站時需滿足該凈空尺寸的要求。

刀盤分為3塊(1大2小)，其中，中心法蘭為1大塊，保證了刀盤主結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和功能性；刀盤超挖刀管路和泡沫系統(tǒng)的管路全部布置在中心法蘭塊上，2小塊上只布置了部分刀具；大塊和小塊之間采用螺栓定位、焊接加固的方法連接。刀盤分塊如圖3所示。

圖3 刀盤分塊示意圖Fig.3 Schematic diagram of blocking mode of cutterhead

在考慮過站邊界、盾構(gòu)穩(wěn)定性的基礎上，為保證裝備的通用性，將可拆解式盾構(gòu)前盾、中盾前、中盾后設計成4個部分；由于盾尾結(jié)構(gòu)和功能的特殊限制，且為了保證盾構(gòu)再次始發(fā)時盾尾的尺寸精度，將盾尾設計成2個部分。盾體分塊如圖4所示。

2.2.2 連接方式

可拆解式盾構(gòu)刀盤、前盾、中盾前、中盾后采取法蘭螺栓連接為主并輔以焊接的連接方式(見圖5)，盾尾的連接方式與常規(guī)盾構(gòu)一致。

(a) 前盾(15 t+13 t+14 t+14 t)

(b) 中盾前(8 t+15 t+14 t+14 t)

(c) 中盾后(16 t+16 t+15 t+15 t)

(d) 盾尾(15 t+17 t)圖4 盾體分塊示意圖Fig.4 Schematic diagram of blocking mode of shield

為了保證連接位置強度滿足設計要求，對不同螺栓布置情況下的結(jié)構(gòu)受力特征進行分析，最后確定了合理的螺栓布置形式。在該設計條件下，組裝時按最下塊受力情況分析連接螺栓的抗剪強度，得到單個螺栓最大剪應力為2.3 MPa；實際掘進時按照下部最大推力不利狀況進行計算分析，得到單個螺栓最大剪應力為131 MPa；全過程螺栓最大拉應力為93 MPa，均小于材料許用應力值。

(a) 前盾

(b) 中盾前

(c) 中盾后圖5 盾構(gòu)連接方式Fig.5 Connecting flange of shield

3 盾構(gòu)拆解過站方法

3.1 拆解準備工作

1)4個端頭井施工準備。根據(jù)火車站接收井底板情況，測出底板標高。根據(jù)接收架尺寸及標高，在4個端頭滿澆混凝土，預留泵坑。盾構(gòu)到達前將洞內(nèi)拆解過站施工機具材料從車站通風井運至工作面。

2)盾構(gòu)主機頂塊拆解吊裝。根據(jù)車站情況，選擇在左右線端頭中間有結(jié)構(gòu)預留孔的位置進行主機拆解工作，預留孔洞的尺寸為2.5 m×5.5 m，在拆解孔上部安裝橋吊進行拆解組裝。盾構(gòu)拆解預留口如圖6所示。

圖6 盾構(gòu)拆解預留口(單位：mm)Fig.6 Reserved hole for shield disassembly (unit:mm)

3.2 拆解方法

盾構(gòu)進洞后，平移轉(zhuǎn)體至拆解孔下方，進行盾構(gòu)拆解。盾構(gòu)拆解主要分為8個步驟，流程如圖7所示。其中，刀盤、盾體拆解過程中，前盾與中盾接觸面存在凹凸槽，必須把兩者分離方可拆除前盾頂塊。為了提高盾構(gòu)過站效率，在對盾構(gòu)拆解后，分塊部分進行二次組裝后過站，二次組裝后盾構(gòu)以鉸接位置為界分為2個部分，刀盤+前盾+中盾前為一個連接整體，中盾后+盾尾為一個連接整體。重新組裝后的盾構(gòu)凈高為5 460 mm，最大長度為4 678 mm，轉(zhuǎn)體后滿足車站標準段的過站要求。

圖7 盾構(gòu)拆解流程圖Fig.7 Flowchart of shield disassembly

3.3 過站方法

由于車站端頭井與標準段底部存在高差，因此需要將盾構(gòu)進行頂升，將主機與接收架用H型鋼焊接成一個整體。盾體兩側(cè)各焊2個200 t液壓千斤頂?shù)捻斏?個頂升基座需精確定位，確保盾體在頂升過程中前后、左右均能平衡，保證施工安全。主機抬升如圖8所示。

圖8 主機抬升示意圖Fig.8 Schematic diagram of main shield lifting

不同的部件采取不同的過站方式(見圖9)，其中，盾構(gòu)主機采取平移過站的方式，將盾體頂塊、安裝機、螺旋機、拖車等吊裝到運輸裝置上并分別運輸至始發(fā)井口。

圖9 不同部件過站示意圖Fig.9 Schematic diagram of different parts of shield passing through station

主機到達始發(fā)井后，將前盾、中盾前、中盾后再次分離，逐個將頂塊、設備設施安裝完成后再次合體，轉(zhuǎn)體平移至始發(fā)位置。

4 實施效果分析

盾構(gòu)在寧波火車站拆解過站后，重新組裝始發(fā)施工至興寧橋西站。該區(qū)間掘進速度基本維持在4～8 cm/min，平均速度約為6.2 cm/min；盾構(gòu)推力的設置基本維持在14 200～15 800 kN，平均推力約為15 000 kN；刀盤轉(zhuǎn)矩設定值控制在1 350～1 550 kN·m，平均轉(zhuǎn)矩約為1 500 kN·m，掘進參數(shù)可控，與地層條件匹配。寧興區(qū)間施工前后地表沉降監(jiān)測值變化曲線如圖10所示。全線共設地表沉降測點154個，由圖10可知，在盾構(gòu)施工后，地表最大沉降值為22.33 mm，最大隆起值為4.17 mm，均在設計值以內(nèi)，施工后地表變形量相對隱定。

圖10 寧興區(qū)間施工前后地表沉降監(jiān)測值變化曲線Fig.10 Variation curve of surface subsidence monitoring values

通過對盾構(gòu)掘進參數(shù)、地表變形、成型隧道質(zhì)量等數(shù)據(jù)進行總結(jié)分析可知，施工過程中地表沉降、隆起等滿足環(huán)境控制要求，成型隧道軸線偏差、錯臺等均滿足設計要求，可拆解式盾構(gòu)掘進狀態(tài)良好。

5 結(jié)論與建議

針對已建車站預留條件不夠，后續(xù)盾構(gòu)進站后無法進行吊出和整機過站的情況，以寧波火車站為工程背景，研發(fā)了可拆解式盾構(gòu)及其對應的拆解過站方案，得到的結(jié)論如下。

1)通過可拆解盾構(gòu)從已建車站過站施工，克服了已建車站凈空條件預留不足的難題，解決了寧波4號線建設過程中由于興寧橋西站工期滯后盾構(gòu)無法按期始發(fā)的問題。通過可拆解式盾構(gòu)從已建車站拆解過站始發(fā)，節(jié)約了4號線總體洞通工期約4個月。

2)可拆解式盾構(gòu)將刀盤、盾體進行合理分塊，塊體拆解滿足設備管線及電路的布置要求，拆解塊之間采取法蘭螺栓連接，避免全部切割焊接對盾構(gòu)的損傷，有利于設備的重復使用性能。

3)現(xiàn)場實踐表明，可拆解式盾構(gòu)各項掘進參數(shù)穩(wěn)定可控，施工過程中環(huán)境影響均滿足設計要求，拆解重新組裝后施工穩(wěn)定性良好。

4)在后續(xù)的項目中，對于可拆解式盾構(gòu)，可進一步推廣研究盾構(gòu)在端頭井接收后分塊拆解從已建隧道內(nèi)運出、重新組裝的方案，提高應對特殊復雜工程問題的手段；也可應用在礦山法與盾構(gòu)法組合隧道中，解決一般情況下礦山段擴大較多以利于盾構(gòu)整機通過的問題，減少礦山法隧道的開挖斷面。