盾構(gòu)機在山嶺地區(qū)洞內(nèi)無損拆解吊運及配套土建方案研究

文/陳志權(quán) 羅澤宏

0 引言

長距離的穿山隧道建設(shè)過程中，由于工程地域、水文地質(zhì)條件限制及隧道目標節(jié)點工期要求，多采用兩臺盾構(gòu)機相向掘進或者一頭鉆爆法、一頭盾構(gòu)法的施工方案。在這種特殊工況背景下，盾構(gòu)機完成隧道掘進均面臨吊裝拆解及運出需求，如石家莊市軌道交通2號線、北京地鐵14號線等既有項目中曾采用盾構(gòu)洞內(nèi)脫殼解體實施方案，即將盾構(gòu)主機外殼留在隧道內(nèi)，以盾殼為起吊點，將刀盤、盾體、拼裝機、螺旋輸送機、后配套拖車等進行拆解吊運。但由于操作空間狹小、盾殼起吊支撐能力有限，拆解過程多為“暴力拆機”，尤其刀盤和盾體等主要構(gòu)件多被零散分割，后續(xù)重復(fù)拼裝利用難度大，設(shè)備殘值損耗嚴重。

基于既有技術(shù)方案的局限性，本文結(jié)合韓江鹿湖隧洞引水工程施工項目山嶺隧道建設(shè)實例，在工法交接處通過設(shè)置拆解洞室和液壓吊裝設(shè)備實現(xiàn)洞內(nèi)無損拆解及吊運盾構(gòu)機的效果。該實施方案既需重點考慮山嶺地區(qū)大埋深富含水條件下施工拆解洞室過程的安全，同時，需結(jié)合盾構(gòu)機構(gòu)件尺寸、構(gòu)件質(zhì)量以及成型隧道截面尺寸對洞內(nèi)拆解和洞內(nèi)運輸技術(shù)進行研究。

1 山嶺地區(qū)拆解地下洞室結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工

1.1 拆解洞室位置選擇設(shè)計

韓江鹿湖隧洞引水工程施工項目山嶺隧道全長5.5km，按照隧道地質(zhì)條件劃分為硬巖區(qū)和軟巖區(qū)，隧洞埋設(shè)深度在65m～326m范圍，并含有14條斷層帶分布其中，其中硬巖區(qū)采用鉆爆法施工，軟巖區(qū)采用盾構(gòu)法施工；然而山嶺隧道施工作業(yè)常伴隨有裂隙水、地質(zhì)條件復(fù)雜等特殊情況，對施工過程進度與安全有極大影響，因此，施工過程采用地質(zhì)雷達法(ground penetrating radar method)提前探明地質(zhì)結(jié)構(gòu)情況，根據(jù)判別的結(jié)果選擇合理的開挖和支護方式進行施工，并選擇地層穩(wěn)定性好、裂隙水較少的位置施工拆解洞室（見圖1）。

圖1 地質(zhì)雷達法

1.2 拆解洞室結(jié)構(gòu)設(shè)計和工藝

考慮到山體大、高水壓、大斷面開挖，結(jié)合現(xiàn)場圍巖情況、開挖方式和支護方法綜合分析，施工遵循“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的方針，開挖前采用φ50小導(dǎo)管加固地層，在小導(dǎo)管超前支護后，立即壓注水泥漿液填充，漿液凝固后，土體集結(jié)成具有一定強度的“結(jié)石體”使周圍地層形成一個殼體，增強其自穩(wěn)性能，為施工提供一個安全環(huán)境；開挖采用I25a鋼拱架、鋼筋網(wǎng)片、系統(tǒng)錨桿、250mm噴射混凝土方案，具體參數(shù)如表1所示。行回填，對拆解洞室外側(cè)空腔采用輕質(zhì)泡沫混凝土分層進行回填，同時拱頂預(yù)留注漿管進行壓漿。拆解洞室結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 拆解洞室結(jié)構(gòu)

表1 拆解洞室初期支護參數(shù)

拆解洞室施工關(guān)鍵參數(shù)及控制工藝包括：（1）根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報結(jié)果選擇合理的開挖和支護方式進行施工，使用光面爆破和機械開挖相結(jié)合的施工方法，控制爆破振速在5cm/s，減少對圍巖的擾動，避免形成新的滲水裂隙通道；（2）堅持監(jiān)控測量并及時反饋指導(dǎo)施工，當(dāng)圍巖變形過大時進行鋼拱架間距加密，如變形仍然難以收斂，設(shè)置臨時仰拱或橫撐；（3）開挖過程按照“漸變過渡、由上向下、先正后反、先外后內(nèi)再中間”進行組織施工；（4）盾構(gòu)機完成拆解吊運工作后，采用C30素混凝土對拆解洞室底板進

2 盾構(gòu)機無損拆解吊運空間設(shè)計

韓江鹿湖隧洞引水工程穿山段山嶺隧道采用直徑8.80m的土壓平衡盾構(gòu)機掘進，在掘進1.98km后在山嶺地區(qū)與鉆爆法段隧道對接。由于該盾構(gòu)機掘進里程短、設(shè)備殘值高，因此決定將盾構(gòu)機在隧道內(nèi)完成無損拆解吊運，因此需要有足夠的空間進行大體量設(shè)備構(gòu)件整體吊運。根據(jù)盾構(gòu)機洞內(nèi)無損拆解及吊運操作的空間需要，地下拆解洞室采用直墻城門形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)斷面尺寸寬為11.000m、高為11.625m、沿線方向長度為23.000m；該拆解洞室位于埋深126.500m，地層為中風(fēng)化粉質(zhì)泥砂巖具體斷面尺寸如圖3所示。

圖3 拆解洞室剖面結(jié)構(gòu)

3 盾構(gòu)機無損拆解吊運設(shè)備設(shè)計

該工程土壓平衡盾構(gòu)機外徑為8.8m，盾體長11.0m，1#～4#后配套拖車長15m～28m。其主要構(gòu)件尺寸及質(zhì)量見表2。

表2 盾構(gòu)機主要構(gòu)件尺寸及質(zhì)量

根據(jù)拆解洞室的結(jié)構(gòu)尺寸、盾構(gòu)機配件的質(zhì)量、起重吊裝設(shè)備的選擇綜合分析，選“壓頂升塔+平移梁”組合而成的液壓龍門式吊裝系統(tǒng)，在拆解兩側(cè)的地面上鋪設(shè)行走軌道梁，兩組軌道梁中心為11688mm，軌道梁平整度控制在±10mm范圍內(nèi)；分別將頂升塔布置在軌道梁上方，前后中心距為6840mm，前后頂升塔通過兩根拉桿連接。連接泵站與頂升塔之間的油管和數(shù)據(jù)線后進行調(diào)試，液壓龍門式吊裝系統(tǒng)通過現(xiàn)場的頂升塔泵站及操控臺進行控制。頂升塔結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 頂升塔結(jié)構(gòu)

完成頂升塔調(diào)試后，在同一側(cè)（沿軌道梁）的兩頂升塔上架分別設(shè)置一根10m單梁，通過螺栓與頂升塔連接固定，在頂升塔兩側(cè)的單梁上架設(shè)1條10.5m雙梁，形成“井”字框架結(jié)構(gòu)，并且在單梁上方安裝4個60t的吊鉤，從而形成洞內(nèi)拆解吊裝系統(tǒng)。洞內(nèi)液壓龍門吊裝系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 洞內(nèi)液壓龍門吊裝系統(tǒng)

4 盾構(gòu)機洞內(nèi)無損拆解吊運關(guān)鍵技術(shù)

4.1 盾構(gòu)機洞內(nèi)拆解吊運流程

盾構(gòu)機出廠時已經(jīng)考慮并設(shè)計需要將各構(gòu)件運往施工現(xiàn)場后組裝，盾構(gòu)機主機由若干重達30t～90t的配件組合而成，各配件結(jié)構(gòu)尺寸較大，考慮到成型隧道洞徑較小，按照出廠時盾構(gòu)機組裝的位置將盾構(gòu)主機在拆解洞室進行拆解后再運輸出洞，從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)運的目的。盾構(gòu)機刀盤拆解成5小塊（刀盤上邊塊、刀盤下邊塊、刀盤左邊塊、刀盤右邊塊、刀盤中心塊），盾體拆解成5小塊（盾體上邊塊、盾體下邊塊、盾體左邊塊、盾體右邊塊、主驅(qū)動），由于盾尾只是一個圓形的內(nèi)中空鋼結(jié)構(gòu)，只需拆解成4小塊（盾尾上邊塊、盾尾下邊塊、盾尾左邊塊、盾尾右邊塊），在完成拆解后通過運輸車將個構(gòu)件運出隧道（見圖6）。

圖6 盾構(gòu)機結(jié)構(gòu)

盾構(gòu)機拆解過程遵循“從上至下，從前往后、先拆有阻礙的部件”的原則，按照以下拆解流程進行洞內(nèi)盾構(gòu)機主機、后配套拖車拆解：刀盤下邊塊→刀盤上邊塊→刀盤左邊塊→刀盤右邊塊→刀盤中心塊→四號拖車→三號拖車→二號拖車→一號拖車→連接橋→螺旋輸送機→拼裝機→盾體上邊塊→盾體左邊塊→盾體右邊塊→主驅(qū)動→盾體下邊塊→盾尾上邊塊→盾尾左邊塊→盾尾右邊塊→盾尾下邊塊。

4.2 洞內(nèi)刀盤拆解吊運

在盾構(gòu)破洞門后，向前頂伸到洞門口的接收托架后移動至指定的拆解位置。洞內(nèi)刀盤拆解吊裝過程采用機械為主、人工為輔的原則，先在刀盤前面搭設(shè)作業(yè)腳手架，然后拆除刀盤面的刀具，在刀盤下邊塊上焊接吊耳和刀盤定位塊，然后對吊耳進行超聲波探傷，確認準備工序無誤后，將刀盤下邊塊與吊裝系統(tǒng)錨頭連接后，焊工將刀盤按照劃分的位置對刀盤下邊塊進行切割。對切割下來的刀盤下邊塊通過洞內(nèi)液壓龍門式吊裝系統(tǒng)的頂升、行走等動作運輸至自行試模塊運輸車（SPMT）平板運輸車上轉(zhuǎn)移出隧道。洞內(nèi)刀盤拆解吊運如圖7所示。

圖7 洞內(nèi)刀盤拆解吊運

為了防止刀盤受力不均發(fā)生偏轉(zhuǎn)，刀盤拆解過程需要對稱進行拆解。當(dāng)?shù)侗P下邊塊拆解后，其余邊塊按照上述的操作，對切割下來的刀盤上邊塊，通過液壓龍門式吊裝系統(tǒng)的頂升、行走等動作運輸至隧洞運輸車上，轉(zhuǎn)移出隧道。刀盤拆解分塊如圖8所示。

圖8 刀盤拆解吊運分塊

4.3 洞內(nèi)螺旋輸送機拆解吊運

螺旋輸送機拆解過程主要利用事先預(yù)埋在管片上的預(yù)埋吊點，在吊點上安裝10t的手拉葫蘆吊，并且在螺旋出土器上焊接吊耳，然后對吊耳進行超聲波探傷，確認準備工序無誤后，拆除螺旋出土器的連接螺栓和定位銷后，通過管片上安裝的手拉葫蘆緩慢下放至軌道上的平板車上；在做好加固措施后，通過45t電瓶車和卷揚機相互配合，將螺旋輸送機從成型的盾構(gòu)隧道反向牽引至盾構(gòu)始發(fā)井，利用在始發(fā)井口端頭布置350T的履帶吊，將拆解的螺旋輸送機吊裝出井（見圖9）。

圖9 螺旋輸送機洞內(nèi)拆解吊運

4.4 洞內(nèi)拼裝機拆解吊運

待螺旋輸送機運輸出洞后，拆除拼裝機的連接螺栓，利用事先預(yù)埋在管片上的預(yù)埋吊點上安裝10T的手拉葫蘆，將拆解下來的拼裝機緩慢下放至軌道上的平板車上；采用型鋼做好加固措施后，通過45t電瓶車和卷揚機相互配合，將拼裝機從成型的盾構(gòu)隧道反向牽引至盾構(gòu)始發(fā)井，利用在始發(fā)井口端頭布置350T的履帶吊，將拆解的螺旋出土器吊裝出井（見圖10）。

圖10 拼裝機洞內(nèi)拆解吊運

4.5 洞內(nèi)盾體拆解吊運

拆解洞室總體高度只有11.625m，盾體高度已達8800mm，接收托架高880mm，盾構(gòu)吊裝系統(tǒng)的吊鉤距離拱頂235mm，10.5m單梁距離拱頂剩余668mm（見圖11），無法滿足吊裝空間，需要將盾構(gòu)機下降至接收坑內(nèi)，并且在盾體上塊拆解前，在盾體上邊塊焊接轉(zhuǎn)換梁（見圖12）。

圖11 盾體拆解數(shù)據(jù)模擬

圖12 盾體上邊塊拆解吊裝

盾體上邊塊轉(zhuǎn)換梁焊接完畢后，拆除盾體上邊塊的連接螺栓和定位銷，由專人操作隧洞液壓龍門式吊裝系統(tǒng)，通過頂升塔頂升功能，兩組頂升器同步頂升接觸至轉(zhuǎn)換梁后，使盾體上邊塊緩慢受力。施工過程中，安排專人檢查盾體上邊塊受力是否均勻，使轉(zhuǎn)換梁水平偏差控制在±10mm范圍內(nèi)。通過頂升塔頂升轉(zhuǎn)換梁，使盾體上邊塊提升脫離盾體接觸面，通過洞內(nèi)液壓龍門式吊裝系統(tǒng)的行走、下降動作，將盾體上邊塊吊放至SPMT平板運輸車上，轉(zhuǎn)移出隧道。

當(dāng)盾體上邊塊拆解后，其余盾體邊塊就有足夠的空間進行拆解。在其余盾體邊塊焊接吊耳，只需通過吊裝橫梁上的兩組吊鉤和鋼絲繩共同受力，使盾體邊塊脫離接觸面，通過液壓龍門式吊裝系統(tǒng)的行走、下降動作，將其余盾體邊塊和主驅(qū)動逐一下吊放至SPMT平板運輸車上，轉(zhuǎn)移出隧道。盾體其他邊塊和主驅(qū)動拆解吊運如圖13所示。

圖13 盾體其他邊塊和主驅(qū)動拆解吊裝

4.6 洞內(nèi)盾尾拆解吊運

盾尾上邊塊拆解過程與盾體上邊塊拆解類似，由于無法滿足吊裝空間，需要在盾尾上塊拆解前，在盾尾上邊塊焊接轉(zhuǎn)換梁（見圖14）。

圖14 盾尾上邊塊拆解吊裝

盾尾上邊塊轉(zhuǎn)換梁焊接完畢后拆除盾尾上邊塊的連接螺栓和定位銷，參照洞內(nèi)盾體上邊塊拆解的步驟，將盾尾上邊塊下吊放至SPMT平板運輸車上轉(zhuǎn)移出隧道。盾尾其他邊塊拆解吊運如圖15所示。

圖15 盾尾其余邊塊拆解吊裝

5 盾構(gòu)機洞內(nèi)運輸關(guān)鍵技術(shù)

5.1 盾構(gòu)機主體洞內(nèi)運輸

盾構(gòu)機主體拆解后的構(gòu)件，從連接盾構(gòu)法隧道的鉆爆法隧道運出（見圖16），主體構(gòu)件洞內(nèi)運輸采用SPMT平板運輸車進行運輸，平板車自重23.5t，合計6軸，每軸4個輪子、共計24個輪子，每個輪子最大承受重量為10t，整車最大載重量為216.5t，縱向軸距為1.40米，橫向軸距為1.48米，輪胎直徑760mm，寬度270mm。本次洞內(nèi)運輸重量最大的構(gòu)件為主驅(qū)動86t，其他構(gòu)件重量均比主驅(qū)動輕，主驅(qū)動運輸過程中受力如下：23.5+86=109.5t，單個輪子承重為：109.5t/24=4.57t，SMPT滿足最大載重質(zhì)量要求。

圖16 盾構(gòu)機主體構(gòu)件洞內(nèi)運輸

5.2 盾構(gòu)機后配套洞內(nèi)運輸

盾構(gòu)機后配套拖車、連接橋、螺旋輸送機和管片拼裝機，均通過45t電瓶車和卷揚機逐一從成型的盾構(gòu)法隧道牽引至始發(fā)井，轉(zhuǎn)移出隧道。本次洞內(nèi)運輸質(zhì)量最大的構(gòu)件為螺旋運輸機43t，其他后配套構(gòu)件質(zhì)量均比螺旋運輸機輕，電瓶車最大牽引重量45t＞螺旋輸送機43t，電瓶車滿足最大載重量要求。

6 洞內(nèi)無損拆解吊運盾構(gòu)機經(jīng)濟效益分析

（1）山嶺地區(qū)拆解洞室的設(shè)置可充分發(fā)揮設(shè)備起吊能力，隧洞液壓龍門式吊裝系統(tǒng)對超大直徑盾構(gòu)機進行整體無損拆解，減小以往“暴力拆機”對盾構(gòu)殘值的損害。該工程中盾構(gòu)機推進2km后，采用整體拆解方案將相對“暴力拆機”方案節(jié)省投資約167.5萬元（按掘進壽命10km考慮，并納入拆解洞及吊裝費用）。

（2）施工過程中采用超前地質(zhì)預(yù)報的手段選擇合適的位置施工拆解洞室，并且通過對拆解洞室設(shè)置里程的調(diào)整，既可以在盾構(gòu)掘進順利時充分發(fā)揮盾構(gòu)工法的優(yōu)勢，又可以在盾構(gòu)頻繁換刀停機等情況下彌補其進度滯后的不足，從而保證隧道按時貫通。

7 結(jié)語

（1）盾構(gòu)機進行洞內(nèi)無損拆解，與傳統(tǒng)的棄殼拆解方式相比，可最大程度保留設(shè)備殘值、降低工程投資造價，確保盾構(gòu)到達后實現(xiàn)快速轉(zhuǎn)移出隧道的目的。

（2）超前地質(zhì)預(yù)報的手段提前判別前方地質(zhì)情況，據(jù)此選擇合適的位置設(shè)置盾構(gòu)拆解洞室，同時實施合理的施工開挖工序并結(jié)合有效的支護系可有效降低地下洞室變形風(fēng)險,并且通過發(fā)揮地下洞室位置靈活可調(diào)的優(yōu)點，能有效確保隧道按時貫通。

（3）針對成型隧道結(jié)構(gòu)尺寸特點、盾構(gòu)機配件的重量、起重吊裝設(shè)備的選擇綜合分析，在地下洞室采用特種吊裝設(shè)備，基于不同位置、尺寸、重量的構(gòu)件專項拆解工藝，通過頂升塔、平移梁、葫蘆、平板車的相互配合拆解吊運盾構(gòu)機，在有限空間內(nèi)實現(xiàn)盾構(gòu)機無損拆解吊運作業(yè)。

（4）采用洞內(nèi)運輸盾構(gòu)機技術(shù)、洞內(nèi)運輸盾構(gòu)機配件的運輸車輛，克服復(fù)雜環(huán)境下大構(gòu)件運輸困難，以保證將拆解下來的盾構(gòu)機配件在超大重量、大形體尺寸、復(fù)雜環(huán)境下仍能快速運輸出洞；同時結(jié)合盾構(gòu)機后配套反向牽引技術(shù)，實現(xiàn)無需拆解后配套設(shè)備,可將盾構(gòu)機后配套設(shè)備整體、快速運輸出洞。