盾構機空推穿越既有地鐵車站施工技術研究

林成恕

（中交隧道工程局有限公司，北京 100024）

1 引言

隨著我國經濟的快速發(fā)展，地鐵工程的建設日益增加[1-2]。在地鐵工程中為了縮短工期，多是地鐵車站與地鐵隧道同時進行建設[3-5]。建設地鐵隧道使用的盾構機在一個區(qū)間完成后，需要在地鐵車站空推過站到車站另一端，進行下一個區(qū)間的隧道建設[6]。相比地上工程，地下工程施工空間小，且盾構機的體積及自重較大[7-9]，盾構機空推過站成為地鐵建設的難題之一。

本文基于哈爾濱市軌道交通3號線二期工程清真寺站～靖宇五道街站區(qū)間工程，對盾構機空推過站全過程施工技術進行研究，并采用Midas civil軟件，對盾構機空推接收裝置（鋼套筒）的承載力進行有限元分析，以驗證鋼套筒在盾構空推過程中承載力的可靠性。

2 工程概況

哈爾濱市地鐵3號線二期工程為清真寺站～靖宇五道街站區(qū)間。清真寺站～靖宇五道街站區(qū)間出清真寺站后，沿靖宇街下方向西南敷設，以R-2000曲線半徑略微調整之后接入靖宇五道街站，區(qū)間右線長約653.534m。左線長約652.644m，短鏈 0.888m。采用 2臺由靖宇公園站～清真寺站區(qū)間掘進后，在清真寺站完成過站的泥水盾構機進行施工。盾構機在清真寺站東端頭接收后，將盾構機盾體與臺車斷開，盾體連帶鋼套筒一同平移至清真寺站西端頭準備清真寺站～靖宇五道街站區(qū)間的始發(fā)。

3 施工方案

3.1 施工過程

盾構過站路線見圖1所示。將后配套退回隧道內，采用繩鋸將過渡環(huán)處管片進行切割，斷開盾體與隧道之間的連接，同時將接收反力架及鋼套筒前端蓋進行拆除，清除刀盤前填料。為確保鋼套筒能夠順利平移至車站標準段，需采用2組200t千斤頂在端頭井內對鋼套筒進行橫向頂推平移。平移至能夠滿足頂推至標準段的位置后，在鋼套筒托架預留的反力支座處安裝8組100t千斤頂，對盾構機進行頂升，頂升后支墊縱向工字鋼。然后在鋼套筒后端，依靠2組100t千斤頂的伸、縮來頂推鋼套筒經過車站標準段，以達到盾構機過站目的。鋼套筒頂推到位后再平移挪動至始發(fā)軸線位置，對盾體進行微調，即可進行鋼套筒的焊接加固和反力架安裝。最后將后配套臺車等采用牽引車平移至始發(fā)端進行連接調試，施工流程圖見圖2所示。

圖1 盾構機平移、過站路線圖

圖2 盾構機過站工藝流程圖

3.2 鋼套筒及盾體橫向平移

①在鋼套筒及盾體與后配套臺車分離，管片之間連接斷開后，因鋼套筒在端頭井內頂升后受側墻影響無法直接頂推平移至標準段，所以需對鋼套筒在端頭井內進行橫向平移，由兩側向車站內側方向平移（見圖3），受清真寺站主體結構柱限制，平移距離為1.28m能夠保證鋼套筒平移寬度要求。

圖3 鋼套筒及盾體橫向平移示意圖

②鋼套筒橫向平移采用2組100t千斤頂，千斤頂行程為1.0m，作用在鋼套筒托架預留反力支座處，千斤頂尾部水平反力由主體結構側墻提供，為避免千斤頂直接作用在側墻上對結構造成破壞，在側墻上鋪墊一塊30cm×30cm×2cm鋼板。

③通過液壓泵站將平移千斤頂油缸伸出，從而使鋼套筒及盾體整體向內側行進。當千斤頂油缸行程行駛至最大行程的80%時停止，即行走行程為0.8m。

④整體平移完成后，鋼套筒及盾體處于靜止狀態(tài)，通過液壓泵站將平移千斤頂油缸縮回，油缸完全收完后，在千斤頂前部安裝標準節(jié)鋼箱，再經過多次頂推平移，使鋼套筒及盾體到達預定位置。

噸汽車吊性能表 表1

3.3 鋼套筒及盾體整體頂升

在鋼套筒及盾體橫向平移完成后，需對整體進行頂升，頂升200mm后，在鋼套筒底部縱向墊上6根18#工字鋼，工字鋼放置在鋼套筒托架的支腿位置，并將工字鋼底部與鋼板進行焊接固定，工字鋼上部涂抹黃油進行潤滑。工字鋼固定完成后，即可嘗試對千斤頂進行泄壓。

3.3.1 頂升的重量

本次頂升時盾體與臺車分離，單純頂升的重量包含盾體重量、鋼套筒的重量、盾體與套筒之間填料、盾尾內管片的重量四部分。

其中盾體重量：350t、套筒重量：120t、盾體與套筒之間填料重量：3.14×（6.522-6.242）/4×9.836×1.85=51t。管片重量按照一環(huán)半考慮：3.14×（62-5.42）/4×1.8×2.5=24.2t。頂升總重量：350+120+51+24.2=545.2t。

頂升盾體采用8組100t的頂升油缸，總負重頂升為800t，頂升總重量/總頂升能力=545.2/800=68.15%＜80%，滿足要求。

3.3.2 頂升流程

①頂升反力支座焊接

在鋼套筒制作時，每節(jié)鋼套筒托架位置已預留反力支座（見圖4），兩個支座的中心間距2.5m。

圖4 鋼套筒反力支座

②頂升千斤頂安裝

將鋼套筒反力支座下部鋼板清理干凈，確保鋼板面水平，防止千斤頂安裝后傾斜，將頂升千斤頂安裝在反力支座的中心位置。為減少千斤頂對反力支座的直接傷害，在千斤頂上部放置一塊30cm×30cm×2cm的鋼板。

③連接千斤頂及泵站

將千斤頂安裝就位，泵站及管路連接到位，調試泵站及千斤頂的伸縮，保證所有的千斤頂的伸縮行程一致。

④千斤頂的試頂

在調試完成后，保證千斤頂的行程一致的前提下，對鋼套筒及盾體進行試頂，試頂過程中密切關注兩方面。

a.千斤頂的整體壓力示數。在達到整體起重量的時候若盾體無動作，停機泄壓檢查問題后再做下一步頂升。頂升時要控制好千斤頂的抬升量，盡量保證一致，使盾體與鋼套筒能平穩(wěn)上抬。

b.盾體的整體監(jiān)測。在鋼套筒正面必須設置觀察點位，鋼套筒整體頂升時，要密切關注整體的傾斜度，鋼套筒周圍必須有人旁站觀察套筒的位移變化。

⑤套筒的頂升到位

鋼套筒按照標高要求頂升200mm后，在鋼套筒底部縱向墊上6根18#工字鋼，工字鋼放置在鋼套筒托架的支腿位置，并將工字鋼底部與鋼板進行焊接固定，工字鋼上部涂抹黃油進行潤滑。工字鋼固定完成后，即可以嘗試對千斤頂進行泄壓。具體的垂直頂升圖見圖5所示。

圖5 盾體及鋼套筒垂直頂升圖

3.4 鋼套筒及盾體平移過站

①在盾體及鋼套筒從端頭井向標準段平移過程中，采用在18#工字鋼頂部鋪設鋼板的方式放置千斤頂，千斤頂尾部作用在洞門處結構側墻，為避免千斤頂直接作用在側墻上對結構造成破壞，需在側墻上鋪墊一塊2cm厚鋼板，千斤頂另一端作用在鋼套筒托架鋼板上實現頂推。當頂推平移距離超出千斤頂及鋼箱標準節(jié)行程后，需在端頭井底板處安裝反力支座，為頂推提供反力。

②當盾體及鋼套筒平移至標準段，為確保標準段底板預埋鋼筋彎折后的平整度，需在底板鋪一層瓜子石調平，調平厚度約3cm，在其上鋪設2cm厚鋼板，并在鋼板上涂抹黃油以減少鋼套筒托架和鋼板之間的摩阻力，方便進行水平移動。

③在鋼板上兩側焊接反力支座，使其與鋼套筒托架的反力支座相互對應，反力支座采用3cm厚Q235鋼板制作而成，滿焊并加肋板，設計樣式如圖6所示。利用2個100t的液壓千斤頂對鋼套筒實施平移，鋼套筒平移中心軸線與標準段側墻間距3.43m。

圖6 反力支座設計樣式平剖圖

④平移依靠外接泵站為鋼套筒推進油缸提供動力，使鋼套筒及盾構機前移，移動至始發(fā)位置。

3.5 后配套過站

盾構機在過站的同時，可在接收井和標準段平臺上鋪設鋼軌見圖7所示，鋼軌采用43#軌，并對鋼軌進行臨時固定，同時對臺車輪組進行保養(yǎng)。鋼軌間距2050mm，標準段右線軌道中心距側墻不小于1.75m，左線軌道中心距側墻不小于1.35m，確保臺車邊緣與側墻保持30cm以上的安全距離，隧道內軌道經端頭井與標準段軌道相連。鋼軌鋪設完畢后利用牽引臺車，使后配套臺車逐段通過車站至盾體主機位置。

圖7 后配套臺車過站軌道圖

4 鋼套筒承載力驗算

4.1 鋼套筒概況

本次接收與平移后的始發(fā)均采用盾構機全套筒密閉接收形式。鋼板選擇Q235B，經計算選擇板厚δ=15mm即可滿足筒體強度要求。每段鋼護筒設引流孔2個，直徑100mm，長度500mm，并安裝閥門。在成型的鋼護筒第一、三節(jié)上各設1個檢查人孔，檢查孔尺寸為800mm×800mm，檢查孔蓋需要密封并有開關裝置，縱向、環(huán)向連接縫、檢查孔安裝止水裝置。

4.2 鋼套筒MIDAS有限元計算

4.2.1 有限元模型建立

①盾構機重量等效

在有限元模型中，將盾構機整體等效為直徑為6240mm的圓柱截面。盾構機主體重量約為550t，直徑為6240mm，盾體總長9836mm，由式(1)、（2）可得盾構機的容重：

式 中 ：m=550t，D=6.24m，L=9.836m。因而得到盾構機容重γ=19.36kN/m3。

②鋼套筒模型建立

鋼套筒筒體材料用20mm厚的Q235B鋼板。筒體長11300mm，直徑6520mm，分為4節(jié)，每節(jié)2500mm。每節(jié)又分為上下兩半圓。鋼套筒與盾構機等效模型均用實體單元見圖8所示。

圖8 模型建立（單元類型：實體單元）

③邊界條件

本項目中鋼套筒的邊界條件主要分為兩類：

a.頂升牛腿底部的豎向約束；

b.鋼套筒與千斤頂作用頂升牛腿位置的鉸接。

4.3 有限元分析結果

4.3.1 鋼套筒強度分析

有限元分析得到盾構機頂升的應力云圖見圖9所示。鋼套筒與盾構機等效模型的應力分別為121.0MPa和81.2MPa。應力低于Q235B鋼材屈服強度設計值（215MPa），滿足相應規(guī)范要求。

圖9 模型應力圖

4.3.2 剛套筒剛度分析

有限元分析得到鋼套筒的位移云圖見圖10所示。底部位移為0.25mm，剛度滿足規(guī)范要求。

圖10 鋼套筒的位移等值線（單位：mm）

5 結論與建議

本文以哈爾濱市軌道交通3號線二期工程清真寺站～靖宇五道街站為工程背景，詳細探討了盾構機在清真寺站空推過站的施工方法，并且對空推過程中鋼套筒的承載力進行了有限元驗算。得出以下結論與建議。

①本文提出的盾構機空推穿越既有地鐵車站施工方案具有較好的可行性，可為類似項目提供經驗參考。

②鋼套筒與盾構機等效模型的應力分別為121.0MPa和81.2MPa。應力低于Q235B鋼材屈服強度設計值（215MPa），滿足相應規(guī)范要求。

③在鋼套筒正面必須設置觀察點位，鋼套筒整體頂升時，要密切關注整體的傾斜度，套筒四周必須有人旁站觀察套筒的位移變化。