飛行受限交通繁忙城區(qū)大直徑城際盾構(gòu)施工技術(shù)

黃春雷 趙興辰

摘 要：在復(fù)雜城市環(huán)境下開展盾構(gòu)施工，提高施工效率并取得良好的經(jīng)濟(jì)和工期效果，成為盾構(gòu)施工中面臨的重大挑戰(zhàn)之一。依托珠三角城際軌道交通廣佛環(huán)線東環(huán)項(xiàng)目，進(jìn)行了行受限交通繁忙城區(qū)大直徑城際盾構(gòu)施工技術(shù)研究，提出限高條件下盾構(gòu)吊裝、始發(fā)技術(shù)、配套設(shè)備運(yùn)用技術(shù)、渣土轉(zhuǎn)載技術(shù)和泥水處理及再利用技術(shù)等關(guān)鍵內(nèi)容，并詳細(xì)論述了其施工技術(shù)細(xì)節(jié)和實(shí)際應(yīng)用效果。實(shí)踐表明，在飛行受限和繁忙地區(qū)采取盾構(gòu)分體始發(fā)技術(shù)可以滿足地區(qū)限制、顯著縮短工期和節(jié)約投資成本，能有效地解決飛行高度限制下的盾構(gòu)施工難題，為今后類似盾構(gòu)施工和應(yīng)用提供寶貴經(jīng)驗(yàn)。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工；飛行受限；繁忙城區(qū)；大直徑盾構(gòu)；城際軌道

中圖分類號：U231+.2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：2096-6903（2022）10-0022-04

1 工程概述

珠三角城際廣佛環(huán)線東環(huán)隧道項(xiàng)目位于珠江三角洲中部，處于廣州中心城區(qū)。廣佛環(huán)線全線含8站9區(qū)間，科學(xué)中心站、琶洲站、智慧城站為有配線車站。東環(huán)隧道起訖里程為DK20+005.000～DK24+338.000，施工范圍為一段盾構(gòu)區(qū)間、兩段明挖配線及兩個(gè)盾構(gòu)井。金融城站12#、13#工作井盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計(jì)起訖里程DK20+005～DK24+220，全長4 313 m。12#、13#工作井到智慧城站明挖區(qū)間設(shè)計(jì)起訖里程DK24+220～DK24+338，全長118 m（含20 m盾構(gòu)井）。

本項(xiàng)目施工現(xiàn)場位于廣州市中心天河區(qū)智慧城站，施工區(qū)域的西南角緊鄰軍事機(jī)場，位于飛行受限的核心區(qū)域，項(xiàng)目周邊道路、工地環(huán)繞，西北方向有岑村居民區(qū)（如圖1），人口密集且流動性大，給本項(xiàng)目的盾構(gòu)施工帶來了不小的挑戰(zhàn)。施工周圍的道路交通7：00～22：00為貨車的限行時(shí)間段，因此貨車只能在22：00以后進(jìn)入，在7：00之前駛出交通限行區(qū)。以機(jī)場跑道為中心南、北兩側(cè)各設(shè)置100 m飛行安全距離，屬于飛行禁區(qū)管制范圍，所有構(gòu)筑物控制高度、機(jī)械設(shè)備不得隨意移動，盾構(gòu)機(jī)吊裝場地完全位于此區(qū)域內(nèi)，將直接影響盾構(gòu)機(jī)吊裝、龍門起重機(jī)和攪拌站等關(guān)鍵設(shè)備的使用，對盾構(gòu)施工影響較大。本項(xiàng)目以機(jī)場智慧城站作為金融城站到智慧城站區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)井，井口尺寸為16 m×11 m，井深約22 m，采用兩臺直徑9.1 m土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)施工。

2 飛行受限繁忙區(qū)域盾構(gòu)施工難點(diǎn)

第一，由于受到西南角岑村軍事機(jī)場的飛行限制政策，大型吊裝設(shè)備無法在飛行期間使用，擬采用的履帶吊機(jī)即使在主桿放平的情況下仍然超過了限高要求，因此需要選擇可行的盾構(gòu)機(jī)吊裝方案，同時(shí)滿足吊裝和飛行限高條件。

第二，按照原有的設(shè)計(jì)方案，智慧城站的明挖段總長為168 m，滿足盾構(gòu)整體始發(fā)條件，但由于始發(fā)井口處于岑村軍事機(jī)場跑道正前方的凈空禁區(qū)內(nèi)，采取始發(fā)井口位置后移50 m變更措施后，始發(fā)長度減少到118 m，導(dǎo)致原計(jì)劃整機(jī)始發(fā)無法實(shí)現(xiàn)，因此需要實(shí)行高效的盾構(gòu)機(jī)分體來解決無法整機(jī)始發(fā)的情況。

第三，現(xiàn)階段無論是采用常規(guī)的龍門吊吊裝出土還是垂直皮帶機(jī)進(jìn)行渣土垂直運(yùn)輸方案，龍門吊和垂直皮帶機(jī)的安裝都無法滿足飛行區(qū)域的限高要求。

第四，盾構(gòu)的挖掘過程中需要及時(shí)補(bǔ)充砂漿填充材料，需要建設(shè)砂漿攪拌站來滿足全天的砂漿需求，如果采用外購砂漿的技術(shù)方案，在周邊交通限制條件下無法實(shí)現(xiàn)24 h砂漿的運(yùn)送需求。

第五，城市中心環(huán)境污染對周邊影響極大，如何進(jìn)行施工污水排放處理，開展綠色低碳環(huán)保施工也是本項(xiàng)目重點(diǎn)研究方向。

3 飛行受限繁忙區(qū)域盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 盾構(gòu)機(jī)吊裝技術(shù)

3.1.1 吊裝位置

盾構(gòu)機(jī)吊裝場地在始發(fā)井口端部，位于岑村機(jī)場東南側(cè)，吊裝部件包含盾體、主驅(qū)動、臺車、刀盤等，吊裝時(shí)吊車最大作業(yè)半徑在16.5 m左右，最大起吊構(gòu)件重量180 t。

3.1.2 起重機(jī)選用

在施工過程中要滿足一定的安全系數(shù)為前提來選取起重機(jī)，并對起重機(jī)所占位置進(jìn)行地面處理，保證吊裝所需的地面承載力。本次吊裝的盾構(gòu)機(jī)部件，按照吊物重量最重并且尺寸大選擇吊裝設(shè)備，刀盤重量為180 t，最大作業(yè)半徑為16.5 m，刀盤翻身需要雙鉤配合，盾構(gòu)部件外形尺寸大、作業(yè)半徑遠(yuǎn)，一般汽車起重機(jī)無法滿足吊裝性能要求及安全需求，需采用履帶式起重機(jī)進(jìn)行吊裝。結(jié)合安全性、經(jīng)濟(jì)型與吊裝性能對比，選用400 t 履帶吊更優(yōu)。400 t履帶吊主鉤起吊半徑7 m，副鉤起吊半徑為12.1 m。

400 t履帶吊主臂36 m（配重150 t），半徑7 m的主鉤額定起重量為285 t，副鉤的額定起重量為120 t。285 t×0.8= 228 t>90 t；120 t×0.8=96 t>90 t，滿足翻身抬吊要求，則選用400 t履帶起重機(jī)滿足吊裝需求。

本次吊裝使用的是中聯(lián)重科 ZCC5200S 履帶起重機(jī)，最大起重量為 400 t，吊機(jī)整體起升高度最大為 35 m。在刀盤和主驅(qū)動需水平姿態(tài)翻轉(zhuǎn)90°呈豎直狀態(tài)后再下井，吊裝高度超過30 m，開展所有吊裝下井作業(yè)過程中都將超高，不滿足飛行限高條件。履帶起重機(jī)整體趴臂到最低位置時(shí)，最高點(diǎn)為桅桿頂部，距離地面約 12 m，再拆除桅桿及配重塊，此時(shí)履帶起重機(jī)最高點(diǎn)距離地面約 5 m，滿足飛行限高條件。

3.1.3 吊裝期間吊機(jī)占位

吊裝作業(yè)時(shí)，履帶起重機(jī)站位與工作井端頭平行，吊車尾部朝西側(cè)開展吊裝作業(yè)。飛行任務(wù)期間，履帶起重機(jī)移至東側(cè)三角空地，趴臂停放，尾部朝西側(cè)，吊車站位處于端凈空區(qū)邊角處（如圖2）。

3.1.4 盾構(gòu)部件吊裝應(yīng)對

由于施工場地有限，盾構(gòu)機(jī)各部件無法在地面長時(shí)間留滯，每個(gè)部件剛進(jìn)場就要及時(shí)吊裝下井，部件到場順序和時(shí)間需要精準(zhǔn)把控。在盾構(gòu)部件吊裝之前，提前了解機(jī)場的飛行任務(wù)安排，并提前3 h將準(zhǔn)確的吊裝安排（含吊裝部件名稱、吊重、計(jì)劃吊裝用時(shí)等信息）報(bào)備至機(jī)場，保障盾構(gòu)重大部件吊裝。

在盾構(gòu)吊裝期間，與機(jī)場方面保持密切聯(lián)系，獲取飛行時(shí)間后將吊裝作業(yè)分為計(jì)劃飛行段與非計(jì)劃飛行時(shí)間段[1]。

有正常飛行任務(wù)通知的情況下，提前將履帶起重機(jī)開出端凈空區(qū)范圍外，并提前3 h拆卸履帶吊桅桿等部件，將吊車高度降至5 m以內(nèi)。

在吊裝過程中，若接到緊急飛行任務(wù)通知，在10 min內(nèi)將履帶起重機(jī)開出端凈空區(qū)范圍外，10 min內(nèi)收桿并將桅桿高度降低至7 m（此時(shí)機(jī)械部件最高點(diǎn)），30 min內(nèi)將起重機(jī)機(jī)整體高度降至最低 5 m 以內(nèi)，統(tǒng)一指揮調(diào)度。

3.2 盾構(gòu)分體始發(fā)技術(shù)

始發(fā)井到出土口只有70 m左右，上行線盾構(gòu)機(jī)整機(jī)長度為130 m、下行線盾構(gòu)機(jī)整機(jī)長度為120 m，導(dǎo)致整機(jī)組裝始發(fā)同時(shí)受到場地長度、始發(fā)階段沒有管片吊裝的通道限制，故本項(xiàng)目在始發(fā)階段采用盾構(gòu)機(jī)分階段分體始發(fā)方式進(jìn)行施工。

3.2.1 盾構(gòu)機(jī)首次下井后的布置

首次下井后，始發(fā)階段盾構(gòu)機(jī)在70 m處井口位置進(jìn)行分體，連接橋、1號臺車、2號臺車、3號臺車及4號、5號臺車一側(cè)進(jìn)行連接跟隨盾構(gòu)體行走，剩余4號和5號臺車一側(cè)、6號臺車、7號臺車后移至智慧城站結(jié)構(gòu)內(nèi)存放。該分體方式異于常規(guī)分體始發(fā)，亮點(diǎn)在于將4號、5號臺車再左右解體，充分利用可連續(xù)空間，將供電變壓器、主配電箱等結(jié)構(gòu)緊隨盾構(gòu)主體，最大程度保持始發(fā)主體各系統(tǒng)主要、必備功能完善，減少分體始發(fā)延長管線數(shù)量。

3.2.2 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)轉(zhuǎn)序位置調(diào)整

在3號臺車依次進(jìn)入始發(fā)架后開始臺車轉(zhuǎn)序，將4號和5號臺車一側(cè)管線拆除后進(jìn)行整體組裝，并與6號臺車一起前移整體組裝調(diào)試，井口位置吊裝管片等材料不受影響。

3.2.3 始發(fā)卸料裝置安裝調(diào)整

分體始發(fā)階段，后配套采用電瓶車+管片車+漿車+臨時(shí)皮帶機(jī)推進(jìn)。出渣位置設(shè)置在3#臺車上，原3#臺車不具備皮帶機(jī)主動輪安裝基座，需要在臺車尾部制作新的臨時(shí)卸料裝置。延長3#臺車中間縱梁，附加筋板和斜撐作為皮帶機(jī)主動輪受力結(jié)構(gòu)，定位后在其下部安裝溜槽到一側(cè)，與延伸段皮帶機(jī)連接，將渣土從盾構(gòu)機(jī)皮帶上通過卸料裝置轉(zhuǎn)運(yùn)到轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)系統(tǒng)上。延伸段皮帶機(jī)、車站提升段皮帶機(jī)1、2、3四段間的渣土轉(zhuǎn)運(yùn)，均通過該轉(zhuǎn)載裝置完成轉(zhuǎn)運(yùn)將渣土運(yùn)送到達(dá)地面渣池。始發(fā)轉(zhuǎn)序調(diào)整時(shí)，皮帶機(jī)出渣口由3#臺車尾部調(diào)整到5#臺車上安裝后連接臨時(shí)轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)。

3.3 組合出土轉(zhuǎn)置技術(shù)

本項(xiàng)目在軍用機(jī)場飛行限高條件下采用皮帶機(jī)作為出土機(jī)械。在始發(fā)階段，采取臨時(shí)轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)運(yùn)輸提升渣土，將儲帶倉布置于地面；正常掘進(jìn)后采取連續(xù)皮帶機(jī)出渣，將儲帶倉布置于井下，滿足了出土轉(zhuǎn)置的需求。

本項(xiàng)目盾構(gòu)施工中渣土需要在井下提升22 m到達(dá)地面渣池，在前期分體始發(fā)階段采用臨時(shí)轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)出土。轉(zhuǎn)載皮帶機(jī)主要由卸載裝置、機(jī)尾改向裝置、延伸段、車站提升段1-3、儲帶裝置、放帶裝置、硫化裝置、驅(qū)動裝置以及輸送帶等部件組成。土壓平衡盾構(gòu)采用螺旋機(jī)排土，經(jīng)皮帶機(jī)系統(tǒng)將渣土向后運(yùn)輸?shù)蕉軜?gòu)機(jī)出土口，在3號臺車尾部安裝盾構(gòu)機(jī)出土口、機(jī)尾改向裝置，與皮帶延伸段交接保持渣土隨盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)前移而平穩(wěn)過渡，經(jīng)車站提升段1、車站提升段2、車站提升段3接力轉(zhuǎn)運(yùn)，將渣土由井下提升22 m輸送到地面渣土池，充分解決了渣土垂直提升的要求。

在盾構(gòu)掘進(jìn)110環(huán)后隧道內(nèi)有空間安裝連續(xù)皮帶機(jī)，輸送帶會通過張緊裝置不斷放帶。當(dāng)輸送帶放完后，采用硫化裝置將硫化后的輸送帶接入儲帶倉，可以實(shí)現(xiàn)輸送帶不斷向前伸長。同時(shí)，在皮帶機(jī)上同時(shí)布置有相應(yīng)的糾偏裝置以防止輸送過程中出現(xiàn)撒料、落料的現(xiàn)象。經(jīng)過數(shù)值計(jì)算，此技術(shù)方案基本滿足盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度的要求，若掘進(jìn)速度在60 mm/min，則渣土輸出量為：

其中r為盾構(gòu)機(jī)半徑，v為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度， ? 為渣土粒度，ρ為渣土密度。

3.4 低空間盾構(gòu)設(shè)備應(yīng)用

3.4.1 門式起重機(jī)

按照限高規(guī)避原則以及錯開緊鄰管廊項(xiàng)目的既有門式起重機(jī)設(shè)備，因此采用一部35 t門式起重機(jī)投入盾構(gòu)施工用于管片等材料垂直運(yùn)輸。起重機(jī)一端設(shè)置懸臂10.45 m，另一段不設(shè)懸臂，保持主梁在管廊項(xiàng)目門式起重機(jī)主梁懸臂下方運(yùn)行（如圖3），新造35 t門式起重機(jī)主梁分為四段，高10.1 m，跨距37.5 m（設(shè)計(jì)可變跨距22～39.9 m），起升高度為軌上7.7 m+軌下38.3 m。為減小起重機(jī)安裝高度，采取下沉式軌道梁，即門式起重機(jī)運(yùn)行軌道梁低于地面1.1～2.3 m，管片吊裝下井運(yùn)行區(qū)域最低有效起重高度5.9 m，保障管片能夠從運(yùn)輸車上吊下，同時(shí)能夠越過井口護(hù)欄下井，計(jì)劃飛行期間內(nèi)將起重機(jī)移到最北端可避開飛行管控。門式起重機(jī)更換前對比如圖4。

3.4.2 攪拌站

經(jīng)過溝通協(xié)調(diào)，攪拌站設(shè)置于施工場地最北端緊鄰我部地面盾構(gòu)渣土池，最大限度規(guī)避機(jī)場限高。原有設(shè)備高22 m，4個(gè)儲料罐，單個(gè)儲料罐最大存量120 t，制漿容積2 m?，滿足大直徑盾構(gòu)漿料需求；改造后設(shè)備高9 m，4個(gè)儲料罐，單個(gè)儲料罐最大存量60 t，制漿容積1 m?，滿足機(jī)場飛行限高條件和設(shè)備運(yùn)行條件。攪拌站改造對比如圖5。

3.4.3 泥水處理設(shè)備

地面壓濾機(jī)選址于施工場地西南側(cè)，距離機(jī)場位置最近，選用設(shè)備尺寸為5 570 mm×1 320 mm×1 280 mm，處理量為30 m?/h，壓濾機(jī)安裝在高1.2 m鋼結(jié)構(gòu)平臺上，頂部安裝雨棚，控制安裝高度不超過2.5 m。在驅(qū)動泵的作用下把泥水壓入壓濾機(jī)，自動控制系統(tǒng)讓液壓系統(tǒng)保持壓力，使得泥水中的雜質(zhì)被壓成泥塊，自動卸落結(jié)構(gòu)平臺下料斗中，清水經(jīng)過濾水小管匯集到清水池[2]。

3.5 泥水處理及循環(huán)利用技術(shù)

3.5.1 泥水處理流程

盾構(gòu)施工設(shè)備、隧道、場地清洗等文明施工會產(chǎn)生大量的泥水，不具備直接排放到市政管網(wǎng)的條件，在排放前應(yīng)進(jìn)行污水處理措施。洞內(nèi)盾構(gòu)泥水1由污水泵匯集到井口污水罐2，經(jīng)過消泡、沉淀后獲取濃縮泥漿3，再用泥漿泵優(yōu)先將濃縮泥漿泵入壓濾系統(tǒng)4。在排污量大時(shí)，未能及時(shí)處理的污水經(jīng)過污水罐一次處理后溢流到污水儲蓄池5，儲蓄的污水大顆粒含量極大地減少。

抽到壓濾系統(tǒng)的污水，經(jīng)過擠壓過濾產(chǎn)生的渣土，通過溜槽攤落到連續(xù)皮帶上傳送到渣土池6。清水則匯集自流到清水池7，主要供攪拌站用水，并可用于車輛、地面沖洗以及噴淋降塵9，多余的清水排入市政管網(wǎng)8。具體流程如圖6所示。

3.5.2 污水處理設(shè)備及管網(wǎng)布置

項(xiàng)目利用始發(fā)井口空間可安裝泥水處理設(shè)備在井下處理盾構(gòu)泥水，連續(xù)皮帶機(jī)在井口一側(cè)經(jīng)過井口，在皮帶架兩側(cè)安裝6根立柱，上方搭設(shè)操作平臺安裝壓濾機(jī)，下方制作集料斗，線性貼近連續(xù)皮帶，使壓濾的渣土均勻分布，減少渣土下落對平皮帶的沖擊[3]。在洞門另一側(cè)的角落安裝直徑1.5 m、高10 m的水罐，隧道內(nèi)排出的泥水在水罐里消泡、沉淀、分離。

井口安裝1臺泥漿泵、1臺污水泵、2臺清水泵。污水罐下安裝泥漿泵，可將罐底高濃度泥漿壓入壓濾機(jī)，污水蓄水池安裝1臺污水泵，可將水池內(nèi)的污水抽入壓濾機(jī)，清水池內(nèi)安裝2臺清水泵，可提供施工用水，并將多余的水排入市政管網(wǎng)。設(shè)備布置完成后按需布置管路。

3.5.3 污水循環(huán)利用

盾構(gòu)施工中會使用大量的水資源，掘進(jìn)渣土改良用水、設(shè)備冷卻與清洗用水、填充漿液拌制用水、文明施工用水等。經(jīng)過本技術(shù)的應(yīng)用變廢為寶，在施工過程中實(shí)現(xiàn)資源重復(fù)利用（如圖7），盡可能降低總的物耗、水耗和能源消費(fèi)，通過工藝革新、減少有毒有害物質(zhì)的使用和排放，在城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中實(shí)施全面清潔生產(chǎn)。

4 結(jié)語

本文通過對施工環(huán)境和特點(diǎn)進(jìn)行分析，詳細(xì)論述了飛行受限交通繁忙城區(qū)大直徑城際盾構(gòu)施工技術(shù)在珠三角城際廣佛環(huán)線六工區(qū)盾構(gòu)項(xiàng)目的實(shí)踐應(yīng)用，解決了在交通道路及其他場地圍困繁忙城區(qū)，且受岑村軍用機(jī)場限高影響等難題，通過設(shè)備改造與創(chuàng)新，加強(qiáng)組織管理，形成一整套低空運(yùn)行施工體系，順利開展盾構(gòu)施工。同時(shí)，污水處理及循環(huán)利用施工技術(shù)不僅改善了盾構(gòu)施工環(huán)境，還通過循環(huán)利用技術(shù)降低了施工成本，提高了經(jīng)濟(jì)效益。未來盾構(gòu)法施工應(yīng)用場景越來越多樣化，本技術(shù)研究將對以后類似工程提供重要的參考。

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