盾構(gòu)洞內(nèi)拆解技術(shù)與吊耳結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

高元吉/ GAO Yuanji

（中鐵十四局集團(tuán)隧道工程有限公司，山東 濟(jì)南 250000）

盾構(gòu)法作為隧道工程及地下空間常用的施工技術(shù)，廣泛用于鐵路、水利水電工程和城市軌道交通等工程建設(shè)[1-2]。隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)備建設(shè)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的盾構(gòu)投入到了國(guó)家基礎(chǔ)建設(shè)中，而在盾構(gòu)施工過(guò)程中，盾構(gòu)的拆解是整個(gè)施工過(guò)程中必要且極為重要的一個(gè)施工環(huán)節(jié)[3-5]。

盾構(gòu)施工多應(yīng)用于城市地鐵項(xiàng)目，盾構(gòu)掘進(jìn)完成后一般采用地鐵車站吊裝井拆除，即在接收洞室內(nèi)使用行吊起重機(jī)完成盾構(gòu)接收拆解[6]。但是在一些特殊情況下，無(wú)法立即實(shí)施吊裝拆除，這會(huì)使得盾構(gòu)在洞內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)[7-8]。

針對(duì)上述工況，為了避免盾構(gòu)長(zhǎng)期在洞內(nèi)停機(jī)，減少停機(jī)風(fēng)險(xiǎn)和各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)損失，經(jīng)綜合考慮多種因素，本文提出一種盾構(gòu)洞內(nèi)拆解技術(shù)。在盾構(gòu)拆機(jī)位置使用HW400 型鋼作為吊裝梁代替原行吊起重機(jī)拆解方案，盾構(gòu)盾體進(jìn)入該區(qū)域后，采用型鋼橫梁和手拉葫蘆等配合對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行拆解，然后使用平板車將拆解的各部件逐一運(yùn)出隧道。

1 工程概況

盾構(gòu)段長(zhǎng)13 796m（含支洞段1 376m+主洞段12 420m），盾構(gòu)區(qū)間開(kāi)挖直徑為5.5m，采用鋼筋混凝土管片襯砌，管片外徑5.2m，內(nèi)徑4.5m，管片厚0.35m，環(huán)寬1.2m。施工完成后采用接收洞拆機(jī)的方式對(duì)盾構(gòu)進(jìn)行拆解。

盾構(gòu)拆機(jī)位置隧道埋深為129m，地層主要為下石炭統(tǒng)凝灰質(zhì)砂巖，局部夾石英閃長(zhǎng)巖脈。根據(jù)開(kāi)挖后揭露地質(zhì)情況顯示，該地層圍巖較完整，為Ⅲ類圍巖，洞壁潮濕，無(wú)明顯的地下水干擾。本文結(jié)合本臺(tái)盾構(gòu)自身特點(diǎn)和到達(dá)位置的空間條件，通過(guò)制定合理的盾構(gòu)洞內(nèi)拆機(jī)方法，以有效提高洞內(nèi)拆機(jī)效率，減小洞內(nèi)拆機(jī)風(fēng)險(xiǎn)，減小盾構(gòu)后期恢復(fù)成本。

如表1 所示，盾構(gòu)刀盤(pán)整體重量52t，主驅(qū)動(dòng)重45t，后配套拖車最重為1#拖車45t、2#拖車40t。因刀盤(pán)與主驅(qū)動(dòng)重量較重，主驅(qū)動(dòng)密封等關(guān)鍵部件易損壞，因此刀盤(pán)和主驅(qū)動(dòng)是本次拆除過(guò)程中的重難點(diǎn)施工。本文主要圍繞刀盤(pán)、主驅(qū)動(dòng)、螺旋機(jī)和拼裝機(jī)的拆解進(jìn)行說(shuō)明。

表1 盾構(gòu)零部件尺寸重量表

2 盾構(gòu)拆解技術(shù)

施工總流程依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況結(jié)合盾構(gòu)拆除經(jīng)驗(yàn)總結(jié)改進(jìn)。流程如圖1 所示。

圖1 拆解流程示意圖

2.1 拆解洞吊裝橫梁布置

整機(jī)最大吊裝重物為1#臺(tái)車，重45t，采用整體吊裝方式。考慮足夠的安全系數(shù)和安全余量，吊裝橫梁使用2 道HW400 的型鋼和1 道HW200的型鋼橫跨拆解洞室兩側(cè)，吊裝橫梁滿焊焊接至兩側(cè)臺(tái)階處的預(yù)埋件上。在洞壁兩側(cè)預(yù)埋鋼板，焊接斜支撐，減少吊裝橫梁形變。盾構(gòu)拆卸洞斷面尺寸高13.649m，寬9.4m，安裝型鋼處內(nèi)寬12.4m。型鋼安裝基礎(chǔ)0.5m，寬1.5m。在基礎(chǔ)部分做預(yù)埋件，預(yù)埋件尺寸1.5m×1m，預(yù)埋件焊接60cm?12mm 錨筋，頭部彎50mm 的彎鉤，與混凝土梁鋼筋相接，預(yù)埋件使用30mm 厚鋼板制作，焊接錨筋規(guī)格為?12mm 螺紋鋼。預(yù)埋件用于焊接400 工字鋼支撐，共安裝3 道型剛。盾構(gòu)出口處布置接收拖架。

2.2 主機(jī)拆除

2.2.1 刀盤(pán)拆除

由于本工程屬于接收洞拆解盾構(gòu)，且刀盤(pán)裝機(jī)時(shí)即為3 分塊，考慮現(xiàn)場(chǎng)吊裝施工安全和12.9%大坡度運(yùn)輸安全，刀盤(pán)拆解時(shí)分3 分塊進(jìn)行吊裝拉運(yùn)，因此本方案提出以下拆除方法：斷電前將刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)至上、中、下3 分塊正面位置；使用20t 手拉葫蘆將上分塊預(yù)拉緊；使用型鋼，將刀盤(pán)中、下分塊焊接到前盾土倉(cāng)隔板上，防止轉(zhuǎn)動(dòng)；使用氣刨將上分塊進(jìn)行刨除；使用氣焊將上分塊刀盤(pán)螺栓連接鋼筋割除；拆除刀盤(pán)上分塊螺栓，預(yù)先對(duì)上分塊刀盤(pán)用手拉葫蘆進(jìn)行前后方向的固定。預(yù)留2 顆螺栓暫不拆除，觀察各處手拉葫蘆狀態(tài)，使其拉緊，然后再拆除螺栓；刀盤(pán)螺栓拆除完成之后，松開(kāi)固定的手拉葫蘆，使用型梁將刀盤(pán)上分塊吊出，將刀盤(pán)上分塊翻身裝車運(yùn)出；使用同樣的拆解方式拆解刀盤(pán)中下分塊。

刀盤(pán)的具體吊裝吊點(diǎn)布置情況如圖2 所示。刀盤(pán)翻身時(shí)使用4 個(gè)吊點(diǎn)，翻身型梁處布置2 個(gè)20t 的手拉葫蘆，對(duì)刀盤(pán)每分塊底部吊耳起吊，配合進(jìn)行翻身。在翻身過(guò)程中，最少仍有2 個(gè)20t手拉葫蘆進(jìn)行作業(yè)，每個(gè)手拉葫蘆承重10t，受力滿足要求。

圖2 刀盤(pán)吊裝吊點(diǎn)布置圖

2.2.2 螺旋機(jī)拆除

螺旋機(jī)總重約28t，總長(zhǎng)約13 000mm。其中前部筒體約7t，長(zhǎng)度約5 000mm，后部筒體約21t，長(zhǎng)度約8 000mm。在中盾盾殼兩側(cè)焊接頂推支座，頂推支座的位置在左右兩側(cè)和接收架的頂推支座對(duì)應(yīng)。通過(guò)螺旋機(jī)伸縮油缸將螺旋軸縮回，縮回行程要求不小于600mm；關(guān)閉防涌門(mén)；拆除螺旋機(jī)尾部上下閘門(mén)；在中盾H 架上布置吊耳，并通過(guò)手拉葫蘆連接固定在螺旋機(jī)中部吊耳上；人倉(cāng)下方吊耳處固定一個(gè)10t 的手拉葫蘆連接至螺旋機(jī)頭部吊耳；拼裝機(jī)行走梁固定2 個(gè)10t 的葫蘆連接螺旋機(jī)兩側(cè)的吊耳；拆卸固定裝置上的連接螺栓及銷軸，并將連接板與下固定支座進(jìn)行分離，拆卸后的緊固件、銷軸等需妥善保存；軌道延伸至管片安裝機(jī)位置，提前備用兩臺(tái)管片小車，在小車上擺好事先準(zhǔn)備好的拆除工裝，推至前部并固定（管片小車總高度至少和管片安裝機(jī)旋轉(zhuǎn)軌道下部?jī)?nèi)邊沿的高度相同)，待輸送機(jī)抽出后存放。拆卸螺旋輸送機(jī)與前盾的聯(lián)接螺栓，拆解螺旋輸送機(jī)與中盾的連接拉桿，放長(zhǎng)吊鏈，同時(shí)葫蘆緩慢提升，使螺旋輸送機(jī)沿傾斜方向緩慢上移。2 個(gè)10t 的倒鏈掛在管片安裝機(jī)梁上用來(lái)倒換鋼絲繩，在人員倉(cāng)下面的吊耳處掛一個(gè)10t 倒鏈。倒鏈依次更換傾斜后移至螺旋輸送機(jī)能夠抽出盾體。

2.2.3 拼裝機(jī)與行走梁

檢查管片安裝機(jī)油管拆卸及封堵情況，準(zhǔn)備管片安裝機(jī)固定支架，拆除前后移動(dòng)油缸銷軸將油缸固定，用型梁將管片安裝機(jī)掛好并將葫蘆微微起吊，用2 個(gè)倒鏈向后移動(dòng)，導(dǎo)向輪退出后起吊，利用型梁配合翻身后裝車運(yùn)出，型梁掛好軌道梁并預(yù)拉緊，用液壓扭力扳手及氣動(dòng)扳手拆卸軌道梁與H架的連接螺栓，最后起吊軌道梁裝車。

2.2.4 主驅(qū)動(dòng)拆除

主驅(qū)動(dòng)是由6 個(gè)250kW 的變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，屬于中間支撐。拆除主驅(qū)動(dòng)液壓管路，管路及接口用堵頭進(jìn)行密封后再進(jìn)行包裹；拆除主驅(qū)動(dòng)減速機(jī)和電機(jī)利用型梁吊至地面并裝車運(yùn)至洞外；為了方便吊運(yùn)，先拆除1#和6#驅(qū)動(dòng)電機(jī)，再拆除2#、5#和3#、4#驅(qū)動(dòng)電機(jī)。拆除和吊運(yùn)過(guò)程中，注意保護(hù)減速機(jī)齒輪；用蓋板密封主驅(qū)動(dòng)孔；拆掉主驅(qū)動(dòng)與盾體中心圓環(huán)連接螺柱；拆除螺柱需先割除螺柱保護(hù)罩，上下左右每個(gè)分區(qū)需預(yù)留2 顆螺柱不動(dòng)，使用20t 葫蘆將主驅(qū)動(dòng)預(yù)拉緊后，再拆除預(yù)留螺柱。邊拆除邊拉緊，直至主驅(qū)動(dòng)脫離前盾。在地面放置300mm×300mm方木，用于主驅(qū)動(dòng)翻身。使用型梁將主驅(qū)動(dòng)吊運(yùn)至地面方木上，之后更換吊耳配合翻身門(mén)架將主驅(qū)動(dòng)翻身。

主驅(qū)動(dòng)翻身時(shí)翻身型梁使用2 個(gè)20t 的手拉葫蘆，配合型梁吊鉤進(jìn)行翻身作業(yè)，共計(jì)4 個(gè)對(duì)稱吊點(diǎn)。在翻身過(guò)程中，有2 個(gè)20t 手拉葫蘆進(jìn)行作業(yè)，每個(gè)手拉葫蘆承重15t；2 個(gè)吊鉤進(jìn)行作業(yè)，每個(gè)吊鉤承重15t，受力滿足要求。

3 拆除過(guò)程中吊耳結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度校核

盾構(gòu)拆機(jī)過(guò)程中需要使用吊耳進(jìn)行吊運(yùn)，主機(jī)部分最大重量為刀盤(pán)52t，其余較大部件重量都在20t以上，因此在拆機(jī)過(guò)程中上述部件的起吊、搬運(yùn)對(duì)于吊耳的要求及其嚴(yán)格，是拆機(jī)成敗的關(guān)鍵。因此特對(duì)拆機(jī)時(shí)使用的吊耳進(jìn)行單獨(dú)力學(xué)分析，使得吊耳設(shè)計(jì)更加合理，使用更加安全。本工程使用吊耳預(yù)計(jì)單個(gè)吊點(diǎn)承載力為200kN（20t），其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 吊耳設(shè)計(jì)圖

吊耳焊接使用111 焊條電弧焊或者135（MAG）熔化電極非惰性氣體保護(hù)焊，吊耳呈K 形坡口角度45°，鈍邊為2～3mm，焊縫寬度30mm 堆焊，焊縫長(zhǎng)度182mm。

3.1 拉應(yīng)力計(jì)算

拉應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算公式為

其中，P為吊耳承受的外力；S為最薄弱截面面積，S=5160mm2；[σb]為耳孔壁許用正應(yīng)力，鋼材采用Q345B低合金高強(qiáng)度鋼，[σb]=223.3MPa。

計(jì)算得到拉應(yīng)力強(qiáng)度σb=38.76MPa，安全系數(shù)為6.01。根據(jù)GB/T3811-2008《起重機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》，起重類構(gòu)件安全系數(shù)取1.48，本案例安全系數(shù)充足。

3.2 剪切應(yīng)力計(jì)算

剪切應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算公式為

其中，R為吊耳的外圓半徑；r為吊耳孔的半徑；δ為吊耳板母材板厚；[τ]為許用剪切應(yīng)力，[τ]=134.7MPa。

求解得到剪切應(yīng)力強(qiáng)度為τ=77.5MPa，安全系數(shù)為1.73，滿足使用要求。

3.3 局部擠壓應(yīng)力計(jì)算

局部擠壓應(yīng)力強(qiáng)度計(jì)算公式為

其中，[σc]為許用擠壓應(yīng)力，[σc]=312.6MPa。

求解得到局部擠壓應(yīng)力強(qiáng)度為σc=95.24MPa，安全系數(shù)為3.28，滿足使用要求。

3.4 焊接強(qiáng)度應(yīng)力計(jì)算

焊接強(qiáng)度計(jì)算公式為

其中，K為動(dòng)載系數(shù)，K=1.1；L為焊縫長(zhǎng)度；[σh]為對(duì)接焊縫的縱向抗壓、抗拉許用應(yīng)力，[σh]=0.8[σb]=178.6MPa。

求解得到焊接強(qiáng)度為σh=40.3MPa，安全系數(shù)為4.43，滿足使用要求。

由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況較為復(fù)雜，為保證人員安全與設(shè)備安全，本方案通過(guò)以上計(jì)算選擇的吊耳板厚至少40mm 及以上。其中吊裝主驅(qū)動(dòng)吊耳為50mm，刀盤(pán)及盾體分塊為50mm。

4 結(jié)論

本文結(jié)合實(shí)際項(xiàng)目隧道特點(diǎn)，對(duì)使用的土壓平衡盾構(gòu)主體部分拆解方案進(jìn)行了詳細(xì)分析，對(duì)施工過(guò)程中吊耳進(jìn)行了承載能力校核，結(jié)果表明各部件強(qiáng)度能夠滿足施工需求，并基于盾構(gòu)分塊設(shè)計(jì)，通過(guò)設(shè)計(jì)專用拆機(jī)工裝、采取合適的地層及刀盤(pán)加固措施，在擴(kuò)大洞室內(nèi)使用型鋼進(jìn)行盾構(gòu)拆解作業(yè)，最大程度的保留盾構(gòu)相關(guān)部件的完整性，縮短工期，減少經(jīng)濟(jì)損失。大大減少了拆機(jī)過(guò)程中的設(shè)備投入成本、提高了施工效益，安全高效地完成了拆解任務(wù)，施工方案能夠?yàn)榻窈箢愃乒こ淌┕ぬ峁﹨⒖家罁?jù)。