雙層盾殼盾體系統(tǒng)關鍵點設計及成本分析

鄭康泰，劉 豪，陳昆鵬，韓 博

（中鐵工程裝備集團有限公司設計研究總院，河南 鄭州 450000)

隨著城市的發(fā)展，地下隧道施工工程正在逐年增加，越來越多的盾構投入到城市交通建設使用之中[1]。盾構法施工時一般需要在盾構的始發(fā)和接收端設置工作井（豎井)，始發(fā)豎井用于盾構的組裝、調(diào)試、物料運輸及人員通道，接收豎井則用于盾構的解體、維修保養(yǎng)，或為盾構的繼續(xù)推進及折返施工做準備。目前采用盾構法施工多數(shù)還是通過接收豎井對盾構進行整體吊裝或分體吊裝，但是當遇到地面空間有限，盾構到站后無法設置供盾構解體的豎井時，盾構到站后盾體部分可以采取以下兩種方式進行拆解：①破壞性拆除，拆除后的盾體不再重復利用，再次掘進需新制盾體，經(jīng)濟成本較高；②通過盾體有序分塊在洞內(nèi)進行拆解，但是盾體拆除過程中，地層將直接裸露，無任何支護，安全性低。目前在海外隧道施工洞內(nèi)拆機時不允許地層直接裸露，因此以上兩種拆機方案在海外的適用性不高。

為了克服現(xiàn)有技術存在的不足，中鐵裝備生產(chǎn)應用于臺北地鐵萬大線的中鐵655 號土壓平衡盾構主機部分采用可拆卸的雙層盾殼盾體系統(tǒng)，實現(xiàn)盾構到站后在隧道內(nèi)部進行安全有效的拆除，外殼可以留在隧道內(nèi)部以作為地層支護，節(jié)省了部分管片，內(nèi)塊可以循環(huán)利用，節(jié)省經(jīng)濟成本，減小對地面環(huán)境的影響。

1 依托項目及盾構簡介

1.1 項目簡介

臺北地鐵萬大線CQ842 標段包含4 條單向盾構掘進隧道，分別為自南海路上LG02 站向LG01 站方向的兩條單線428m 隧道和自LG02 站向LG03 站方向的兩條單線390m 隧道，盾構需要在同一始發(fā)井處完成四次始發(fā)，無接收井，隧道內(nèi)徑5·6m，隧道外徑6·1m，混凝土管片環(huán)寬1m，施工曲線半徑220m，主要地質(zhì)為粉土質(zhì)黏土、細砂質(zhì)粉土和粉土質(zhì)細砂。

1.2 盾體系統(tǒng)簡介

中鐵655 號為主動鉸接土壓平衡式盾構，盾體直徑6 240mm，采用直筒式設計，盾體采用雙層分塊設計，可以實現(xiàn)隧道內(nèi)解體拆機，盾體僅需1 套內(nèi)塊及4 套外殼即可滿足4 次始發(fā)掘進的需求，節(jié)約了成本。前盾、中盾前和中盾后為雙層設計，內(nèi)塊分為5 塊，盾體內(nèi)外殼通過固定塊連接。每個盾的第一塊均設置為楔形塊，從而可以進行洞內(nèi)拆解。盾體外殼與內(nèi)塊通過固定塊連接（圖2、圖3)。

圖2 盾體內(nèi)塊分塊示意

圖3 盾體設計細節(jié)展示

2 盾體系統(tǒng)設計關鍵點分析

2.1 盾體固定塊設計

盾體固定塊設計如圖4 所示，其中拉塊與盾體外殼焊接，拉板與盾體內(nèi)塊焊接，拉塊與拉板之間通過螺栓連接。

圖4 盾體內(nèi)外殼固定塊結構示意

以中盾前為例，當需要洞內(nèi)解體時，首先需要拆除拉塊與拉板之間的連接螺栓，利用特制的拆解工裝將頂部楔形塊拆下，然后再拆除其他內(nèi)塊（圖5、圖6)，但是由于拉塊的限制，其他內(nèi)塊無法沿著隧道方向直接拉出，只能先向隧道中心旋轉(zhuǎn)然后利用倒鏈將內(nèi)塊倒運至板車上運出，因此在設計拉塊與拉板的尺寸時需要根據(jù)組裝合拆機時的工況綜合考慮。

圖5 中盾前內(nèi)塊頂塊拆除

圖6 中盾前內(nèi)塊邊塊拆除

組裝時，由于拉塊提前已經(jīng)焊接在外殼上，在與內(nèi)塊組裝時屬于多點同時配合，因此將內(nèi)塊上的孔設置為喇叭形，保證了內(nèi)外塊的順利組裝。但是在拆解時需要通過模擬盾體內(nèi)塊與拉塊的位置關系，從而確定出內(nèi)塊上孔的大小，否則將會出現(xiàn)拆解內(nèi)塊時與拉塊干涉的情況，這樣便會大大增加拆解的難度。

2.2 中盾后內(nèi)外殼連接螺栓強度分析

由于中盾后鉸接環(huán)需要在拆機后留在地層中起密封作用，因此中盾后鉸接環(huán)需要作為外殼的一部分，中盾后內(nèi)塊與外殼的連接主要包含以下四個部分：①固定塊；②外周36 顆M36 的環(huán)向螺栓；③外周熔深10mm 的斷續(xù)角焊縫，總長l1=11 800mm；④與尾盾連接的加強筋板，共12 塊，加強筋板在尾盾上連接的焊縫總長l2=10 800mm。

如圖7、圖8 所示，中盾后內(nèi)塊所受的負載主要為拼裝機彎矩、推進油缸的推力、鉸接油缸的推力，當盾體在地層中遇到卡頓情況需要借助鉸接油缸脫困時，鉸接油缸的推力會全部作用在中盾后內(nèi)塊上，因此需要分析中盾后內(nèi)外殼連接螺栓、環(huán)焊縫以及加強筋板焊縫是否可以在盾構脫困時提供足夠的安全系數(shù)。

圖7 中盾后內(nèi)外殼連接方式

圖8 盾構脫困時中盾后受力情況

假設鉸接油缸的推力和管片機產(chǎn)生的彎矩主要由環(huán)向螺栓和環(huán)向焊縫承擔。鉸接油缸產(chǎn)生的最大推力為

管片機產(chǎn)生的彎矩為

其中，G1為管片機的重力，取G1=200kN；L為管片機的重心距米字梁的距離，取L=3·5m。

焊縫可以承受的載荷

環(huán)向焊縫可以承受的載荷為

加強筋板焊縫可以承受的載荷

其中，h為焊縫高度，h1=10mm，h2=12mm；l為焊縫長度，l1=11 800mm，l2=10 800mm；σs為焊縫的抗拉強度，σs=1·414[σ]=110·8MPa。

如圖9 所示，假設管片機產(chǎn)生的彎矩都由螺栓承擔，則由于彎矩螺栓受到的最大拉力

圖9 中盾后內(nèi)外殼連接環(huán)向螺栓分布

鉸接油缸的推力經(jīng)過環(huán)向焊縫作用到每根環(huán)向螺栓上的推力

所采用的螺栓均為GB/T 5783 M36，強度等級為10·9，抗拉強度σb=1 000MPa，屈服強度σ=900MPa，預緊力F預=T/0·2d。各螺栓型號一致其截面直徑一樣，在受到工作拉力時，一定預緊力的連接螺栓收到的總拉力

其中，Cb為螺栓的剛度；Cm為連接件的剛度。

在環(huán)向焊縫和加強筋板連接焊縫均失效的情況下每顆環(huán)向螺栓可以承受的強度為

因此，中盾后內(nèi)外殼連接螺栓強度滿足要求，且安全系數(shù)為2·23。

3 雙層盾體與單層盾體成本綜合對比

對于6m 級盾構來說，盾體做五分割屬于比較少見的，因為隨著盾體分塊數(shù)量增加的同時也增加了難度和成本[2]，比如焊接、機加工以及其他輔助設備，下面將從加工工藝和經(jīng)濟成本方面對比雙層盾體和常規(guī)單層盾體的區(qū)別。

3.1 加工成本對比

與常規(guī)的單層盾體不同的是，雙層盾體內(nèi)塊需要進行徑向分塊從而滿足洞內(nèi)拆解的需要，因此，在加工時需要先將各個分塊法蘭單獨機加工，再通過工藝螺栓連接，并在連接法蘭周邊焊接工藝塊；然后將分塊下料后的部件與連接法蘭拼成整圓進行施焊，最后再進行機加工，而且需要分別對前中盾內(nèi)塊和中盾外殼整體加工，為了保證外殼加工時的圓度及剛度，還需要特別制作外殼加工工裝。

對盾體加工不同過程中加工一套常規(guī)單層盾體與一套雙層盾體所耗費的工時進行對比，雙層盾體與常規(guī)單層盾體結構形式一樣，均不包含尾盾，工時按單人每天工作8 小時計算。

3.1.1 焊接工時對比統(tǒng)計

焊接一套常規(guī)盾體所耗費的總時為：tc1=970（人·天)，焊接一套雙層盾體所耗費的總工時為td1=tc1+Δt1=1360（人·天)。

3.1.2 機加工時對比統(tǒng)計

與常規(guī)盾體相比，雙層盾體機加工工時為：td2=tc2+Δt2=1060（人·天)。

3.1.3 裝配工時對比統(tǒng)計

與常規(guī)盾體相比，雙層盾體裝配工時為：td3=tc3+Δt3=384（人·天)。

3.1.4 加工總工時對比統(tǒng)計

在多區(qū)間掘進時，采用常規(guī)單層盾體需要每次都新制盾體，若使用雙層盾體僅需要新制盾體外殼即可，圖10 對比了在多次掘進時，采用常規(guī)盾體和采用雙層盾體的重量和加工工時。

圖1 CQ842項目簡圖

圖10 盾體重量和加工工時對比

通過對比發(fā)現(xiàn)，從加工制造的角度分析，對于單次掘進，雙層盾體相對于常規(guī)盾體無優(yōu)勢，但是在多次掘進時，雙層盾體的經(jīng)濟性優(yōu)勢較為明顯。

3.2 組裝成本對比

與常規(guī)盾體相比，雙層盾體在出廠前會根據(jù)外殼的分塊采取部分預組裝，工地首次組裝時只需將預組裝好的盾體各塊組裝成整體即可，但是在拆機之后的每次組裝中便需要分別將盾體各塊連接，然后再組裝成整體。表1 對常規(guī)盾體的工地組裝工時和雙層盾體的組裝工時進行對比。

表1 組裝工時對比

通過對比發(fā)現(xiàn)，雙層盾體每次組裝相對于常規(guī)盾體均無優(yōu)勢。

3.3 拆機成本對比

以新加坡某項目為例，統(tǒng)計了在洞內(nèi)割除盾體所需要的工時，該項目在拆除盾體時需要先拆除推進缸，然后再割除盾體；雙層盾體在拆解時需要將推進缸連同盾體內(nèi)塊一起拆下，由于雙層盾體首次拆機時工人的熟練度及吊耳設計等因素制約，因此首次拆機耗費的時間相對較長，表2對比了拆解盾體以及推進缸所耗費的工時。

表2 盾體拆解工時對比

通過對比發(fā)現(xiàn)，單次拆解時，雙層盾體耗費的時間較長，但是在多次拆解時，由于工人熟練度和經(jīng)驗的提升，拆解時間要優(yōu)于割除常規(guī)盾體的時間。

綜上，雖然雙層盾體在多次組裝方面的時間比常規(guī)盾體長，但是在多次使用時的制造工時和鋼材重量上的成本要明顯優(yōu)于常規(guī)盾體，因此在面對多區(qū)間、短距離隧道掘進時，采用雙層盾體的經(jīng)濟性優(yōu)勢要明顯優(yōu)于常規(guī)單層盾體。

4 結論

本文以臺北地鐵萬大線項目中鐵655 號盾構為依托，提出了一種新型的洞內(nèi)拆機方法以及雙層盾殼盾體系統(tǒng)，研究了雙層盾體在設計時的關鍵點，分析了內(nèi)外殼固定塊的設計細節(jié)，需要分別考慮拆機和組裝時的工況；還分析了受力較為復雜的中盾后在極限工況下內(nèi)外殼連接的強度，從而作為設計的依據(jù)；最后從盾體制造、組裝和拆機的角度對比了雙層盾體和常規(guī)單層盾體耗費的工時，從而驗證了雙層盾體在短距離、多區(qū)間隧道上應用時的經(jīng)濟性和安全性優(yōu)勢，為雙層盾體的推廣提供了依據(jù)。