暗挖車站內(nèi)盾構(gòu)脫殼解體接收技術(shù)研究*

營(yíng) 升,孫英韜,曹伍富,王 兵,寇鼎濤,姜華龍,江玉生

(1.中鐵十八局集團(tuán)有限公司,天津 300222; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083;3.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司,北京 100068)

0 引言

在城市地鐵施工中,盾構(gòu)法憑借施工速度快、對(duì)既有建(構(gòu))筑物擾動(dòng)小、安全性高等優(yōu)勢(shì)被廣泛采用[1]。但部分城市核心區(qū)域既有建筑、隧道密集,地面交通繁忙,難以為盾構(gòu)提供明挖豎井進(jìn)行始發(fā)或接收,地鐵車站大多采用暗挖工法施工,并采取脫殼解體接收方案,主要部件在車站端頭拆解后,運(yùn)輸至盾構(gòu)始發(fā)井吊出?？深A(yù)見在特大城市地鐵施工中,將越來越多地采用該工藝。

部分學(xué)者對(duì)盾構(gòu)洞內(nèi)解體技術(shù)進(jìn)行了研究,朱慶海等[2]提出“以拆機(jī)工程定性為首,盾構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、拆機(jī)工作、運(yùn)輸工作三重點(diǎn)結(jié)合”的拆機(jī)工程理念,總結(jié)了一套標(biāo)準(zhǔn)化流程方案。張宏虎[3]以廈門海底隧道復(fù)雜地質(zhì)情況為背景,對(duì)海底洞內(nèi)盾構(gòu)機(jī)棄殼解體施工安全管理進(jìn)行了全面總結(jié)和分析,為此類工程提供了指導(dǎo)思路。同樣是面對(duì)復(fù)雜地層情況,王林[4]提出了一套R(shí)ATSB組合式盾構(gòu)解體接收技術(shù);張東等[5]對(duì)盾構(gòu)留殼段襯砌及防水設(shè)計(jì)做了優(yōu)化,為盾構(gòu)機(jī)接收?qǐng)龅厥芟迒栴}提供了新的解決辦法;肖鵬飛[6]認(rèn)為盾構(gòu)解體接收還需考慮接收端補(bǔ)強(qiáng)加固問題,并給出了拆機(jī)前需落實(shí)的前置措施;李振東等[7]總結(jié)了中外盾構(gòu)洞內(nèi)解體技術(shù),并提出了多種解決方案;黃云生[8]、閆永陣等[9]對(duì)盾構(gòu)解體過程做了研究,為解體方案設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

盾構(gòu)接收工程作為隧道施工的最后關(guān)鍵步驟,仍需面臨多方面問題,韓林等[10]對(duì)洞門滲漏水措施做了研究,提出應(yīng)盡量采取多種措施綜合預(yù)防。韋曉霞等[11]、曹成勇等[12]提出在站內(nèi)解體接收時(shí)至少應(yīng)完成中板施工,且縱向加固長(zhǎng)度與隧道直徑成正比。

本文結(jié)合已有先進(jìn)成果和實(shí)際工程應(yīng)用,以北京地鐵19號(hào)線牛街站—金融街站盾構(gòu)隧道工程為依托,對(duì)在暗挖PBA車站內(nèi)盾構(gòu)解體技術(shù)進(jìn)行了研究,為今后類似工程提供技術(shù)參考。

1 工程概況

北京地鐵19號(hào)線05標(biāo)段區(qū)間隧道南起牛街站,北達(dá)金融街接收,盾構(gòu)法開挖,線路全長(zhǎng)1 820.383m, 區(qū)間覆土厚度14.4～25.4m。隧道主要穿越卵石層局部夾粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂,存在1層地下潛水層,水位位于隧道底板以上0.3～1.56m。

接收端車站位于城市老城區(qū)的繁華地帶,2條大街交匯處附近,地上建筑物密集,道路交通繁忙,市政管線復(fù)雜交錯(cuò),無法設(shè)置盾構(gòu)接收井做常規(guī)接收,同時(shí),接收端為暗挖PBA車站,車站先于盾構(gòu)段施工完成,需在PBA車站內(nèi)接收盾構(gòu)。

2 盾構(gòu)機(jī)參數(shù)及盾構(gòu)解體流程

區(qū)間采用2臺(tái)土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)施工。盾構(gòu)機(jī)開挖直徑6 640mm,盾構(gòu)機(jī)分為主機(jī)和后配套設(shè)備,后配套為1節(jié)橋架、6節(jié)車架,主機(jī)長(zhǎng)約9m、整機(jī)總長(zhǎng)約85m。盾構(gòu)機(jī)主要由刀盤、前盾、中盾、盾尾、螺旋輸送機(jī)、拼裝機(jī)、設(shè)備橋及后配套臺(tái)車組成,如表1所示。

盾構(gòu)機(jī)從牛街站始發(fā)井始發(fā),到達(dá)金融街站后盾構(gòu)機(jī)主機(jī)與后配套臺(tái)車各線路斷開,盾構(gòu)機(jī)主機(jī)洞內(nèi)拆解后各部件存放在金融街站站內(nèi),待盾構(gòu)機(jī)后配套臺(tái)車由始發(fā)井吊出完成后,再利用電瓶車將盾構(gòu)機(jī)主機(jī)零部件從始發(fā)端運(yùn)出。總體拆機(jī)步驟如下:刀盤拆解→前盾拆機(jī)→螺旋輸送機(jī)→后配套拆解→ 主驅(qū)動(dòng)拆解→管片拼裝機(jī)拆解→中盾拆解→盾尾拆解。

3 前期車站結(jié)構(gòu)預(yù)處理

對(duì)接收段車站結(jié)構(gòu)的預(yù)處理是在暗挖車站內(nèi)進(jìn)行盾構(gòu)解體接收的關(guān)鍵先導(dǎo)步驟,預(yù)處理應(yīng)為盾構(gòu)解體創(chuàng)造接收條件,如端頭加固、下沉段設(shè)置及車站中板位置預(yù)留吊裝設(shè)備安裝孔洞。

通常,在明挖車站或豎井結(jié)構(gòu)內(nèi)接收時(shí),施工空間充足,端頭注漿加固可涵蓋各方位,保證加固質(zhì)量。但在暗挖車站內(nèi),當(dāng)車站結(jié)構(gòu)完成后,中板位置無法進(jìn)行水平注漿,洞門頂部由于角度限制將產(chǎn)生“注漿死角”,存在一定安全隱患。應(yīng)在車站中板施工完成前,對(duì)“注漿死角”施作注漿工序,然后在車站底板施工完成前對(duì)其余區(qū)間進(jìn)行注漿加固。本工程采用深孔注漿加固,注漿長(zhǎng)度為1倍盾體長(zhǎng)度即11m,如圖1所示。

圖1 端頭加固范圍

受限于車站空間,車站施作下沉段結(jié)構(gòu)為盾構(gòu)解體提供條件。下沉段為接收洞門處車站底板下沉部分,下沉深度應(yīng)≤1m,本工程下沉段為0.9m(見圖2)。下沉段長(zhǎng)度與盾體出洞長(zhǎng)度和停機(jī)拆機(jī)位置有關(guān),方案對(duì)比如表2所示。

圖2 下沉段示意

表2 解體位置方案比選

若將下沉段延伸至暗挖車站內(nèi)部,采取站內(nèi)解體方案,不僅增加車站建造成本,且后期回填范圍大,結(jié)構(gòu)整體性降低,存在滲漏水隱患,且盾構(gòu)機(jī)脫出需額外拖曳設(shè)備,增加施工難度。

若僅推出部分盾體,采取“半洞內(nèi)半站內(nèi)”解體方案,將占用小部分下沉段,方案整體評(píng)價(jià)良好。如表2為兩種解體位置方案比選。本工程采取2號(hào)方案進(jìn)行洞內(nèi)解體接收,并做預(yù)處理施工。

下沉段長(zhǎng)度宜設(shè)置為0.5～1倍盾體長(zhǎng)度,寬度宜大于洞門直徑,本工程下沉段尺寸為長(zhǎng)7 700mm、寬7 200mm。中板預(yù)留的拆解吊裝孔洞應(yīng)在下沉段正上方,且宜與下沉段長(zhǎng)度相當(dāng)(見圖3),除去中板梁和洞門鋼環(huán),預(yù)留吊裝孔洞尺寸設(shè)置為長(zhǎng)7 100mm、 寬7 200mm,并提前設(shè)置吊裝工裝。暗挖車站內(nèi)解體需提前安裝輔助吊裝工裝,中板軌道梁采用I45b,可吊起高度為盾構(gòu)上方2m,電動(dòng)葫蘆與刀盤或盾體間通過20t卸扣連接。

圖3 預(yù)留孔洞示意

4 盾構(gòu)拆解過程

4.1 盾體預(yù)處理

無論采用洞內(nèi)解體還是車站內(nèi)解體,都宜在盾構(gòu)機(jī)下井前對(duì)其進(jìn)行一定程度模塊化改造,如前盾、中盾、盾尾提前分割,并使用螺栓連接,此舉能降低施工難度,并便于后期盾構(gòu)機(jī)復(fù)原。

4.2 刀盤拆解

刀盤拆解需考慮拆解過程中安全性和運(yùn)輸便捷性,此外還要考慮后期刀盤可恢復(fù)性,盡量在不損壞刀盤完整性前提下進(jìn)行拆解。

拆解刀盤時(shí),盾體宜推出至前盾1/2處,為刀盤前方保留充足工作空間,并保證刀盤位于上方吊裝工裝之下。

為便于施工與運(yùn)輸,降低工作難度,在封閉車站內(nèi)對(duì)刀盤分割時(shí)應(yīng)盡量分割多塊,降低單分割塊面積,本次刀盤分割方案為“4+1”分割方式,如圖4所示,分割塊為4個(gè)邊塊和1個(gè)中心塊。中心塊法蘭連接部分不會(huì)被破壞,有利于后期刀盤恢復(fù),縮短恢復(fù)周期。

圖4 刀盤分塊示意

4.3 前盾拆解

前盾涉及多個(gè)重要結(jié)構(gòu),包括主軸承中心環(huán)、螺旋輸送機(jī)插入孔、土壓傳感器等,分割時(shí)應(yīng)著重注意保護(hù)[13]。本工程在盾構(gòu)下井前已進(jìn)行預(yù)處理,按米字形將前盾分為上、下、左、右4個(gè)分塊,如圖5所示,各分塊間用螺栓連接,大大降低拆解難度。

圖5 前盾切割方案

切割前,需先拆除主驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、減速機(jī)及各連接管線,并在前盾分塊2,4外側(cè)增加支撐,分塊3與螺旋輸送機(jī)連接暫不拆除。

4.4 螺旋輸送機(jī)拆解

盾構(gòu)機(jī)空推,完成最后一環(huán)管片拼裝后停止推進(jìn),并進(jìn)行同步注漿作業(yè)。螺旋輸送機(jī)拆解工作在盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部進(jìn)行,需借助拆機(jī)工裝,如圖6所示。

圖6 拆機(jī)工裝

洞內(nèi)空間狹小,依靠倒鏈進(jìn)行多次緩慢換鉤,達(dá)到拆解螺旋輸送機(jī)的目的,拆除時(shí)前部吊點(diǎn)可選擇在中盾米字梁側(cè)面焊接吊耳或使用可穩(wěn)固懸掛的吊點(diǎn)。后部吊耳采用門架工裝(見圖7)固定倒鏈。

圖7 固定螺旋輸送機(jī)

通過電瓶車及電動(dòng)葫蘆的配合,緩慢抽出螺旋輸送機(jī),確認(rèn)螺旋輸送機(jī)穩(wěn)落在管片車上后固定牢固,將螺旋輸送機(jī)拖離隧道至井口,吊裝至地面(見圖8,9)。

圖8 抽出螺旋輸送機(jī)

圖9 運(yùn)輸螺旋輸送機(jī)

4.5 主驅(qū)動(dòng)和前盾下塊拆解

前盾下塊支承主驅(qū)動(dòng),應(yīng)先拆除主驅(qū)動(dòng),在主驅(qū)動(dòng)前后焊接吊耳連接中板吊裝工裝,吊起最大高度,并在主驅(qū)動(dòng)前后各連接1臺(tái)電動(dòng)葫蘆,保證起吊過程穩(wěn)定安全,最后拆卸前盾下塊。

4.6 管片拼裝機(jī)拆解

管片拼裝機(jī)在拆機(jī)前須旋轉(zhuǎn)180°,使其抓取頭在12:00位置處(見圖10),鋪設(shè)鋼軌至拼裝機(jī)底部,直接將拼裝機(jī)固定在運(yùn)輸車的支撐工裝上,拆除并運(yùn)輸出洞(見圖11)。

如《李時(shí)珍夜宿古寺》的課堂總結(jié)回顧環(huán)節(jié)，教師以“故事說到現(xiàn)在，你能根據(jù)黑板上的詞語，用自己的話，簡(jiǎn)單地說說故事講了一件什么事嗎？”的問題引導(dǎo)學(xué)生復(fù)述故事情節(jié)，在復(fù)述的過程中，課文中所學(xué)的生字詞也自然而然地從學(xué)生的口中蹦出，學(xué)生透過詞語在課文內(nèi)容上走了個(gè)來回。

圖10 管片拼裝機(jī)結(jié)構(gòu)

圖11 運(yùn)輸管片拼裝機(jī)

4.7 中盾及盾尾拆解

盾構(gòu)機(jī)二次推進(jìn),將推進(jìn)油缸全部伸出后停機(jī),并拆除油缸,此時(shí)仍有部分尾盾在洞內(nèi)。中盾盾體已做模塊化處理,分為1塊60°、1塊120°和2塊90°的分塊,分塊間用螺栓連接,降低了拆解時(shí)的施工難度。中盾拆除方案如圖12所示。

圖12 中盾分割方案

拆解中盾時(shí)應(yīng)注意設(shè)置兩側(cè)鋼支撐,穩(wěn)定盾體防止側(cè)翻,并按先上后下順序拆解運(yùn)輸各分塊。

拆除盾尾時(shí),盾構(gòu)機(jī)處于無動(dòng)力狀態(tài),且推進(jìn)油缸伸出長(zhǎng)度無法滿足將尾盾完全脫出,因此大部分工程面臨尾盾在洞內(nèi)留置問題。

針對(duì)此問題,3種解決方案對(duì)比如表3所示,其中本工程采用方案2。

表3 尾盾留置方案

如方案1所示,若將尾盾全部留在洞內(nèi),施工難度將大大降低,做好尾盾與中盾的分離工作和封堵洞門即可,但盾體鋼板自身厚度為350mm,且在土體環(huán)境中極易腐蝕,注漿保護(hù)也會(huì)增加工程成本;鋼板銹蝕后將產(chǎn)生空隙,引起土體沉降,進(jìn)而造成地表城市道路變形塌陷。因此,在城市內(nèi)部的地下工程,尾盾留置長(zhǎng)度越小越好。

盾構(gòu)接收時(shí),為避免洞門處滲漏水,需進(jìn)行洞門封堵注漿,且盾體與周圍土體聯(lián)系緊密,摩擦力極大,將盾尾全部脫出需≥5 000kN的拉力。然而,尾盾部分在整體工程建設(shè)中所起作用較小,相比于全部脫出所需成本,保留尾盾完整性工程意義較低,且難度較大,方案價(jià)值較小。

方案2保留部分尾盾。推進(jìn)油缸伸出極限長(zhǎng)度,脫出洞門外的尾盾割除,未脫出部分留置洞內(nèi),以本工程為例,尾盾全長(zhǎng)3.9m,最短留置長(zhǎng)度為2.1m。安全隱患大大降低。并對(duì)留置尾盾周圍做注漿加固。

對(duì)比3種尾盾留置方案,方案1盾殼留置過長(zhǎng),存在一定的安全隱患;方案3工程成本過高,施工難度大,工程價(jià)值較低;方案2尾盾留置長(zhǎng)度較短,施工難度較小,綜合評(píng)價(jià)較高,為本工程所選方案,并順利施工完成。

5 其他關(guān)鍵措施

為保證盾構(gòu)脫殼解體順利進(jìn)行,還采取了其他3項(xiàng)關(guān)鍵措施。

1)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)需保持同步注漿,當(dāng)?shù)侗P推出洞門后,應(yīng)立即停機(jī),在洞門刀盤底部安裝并固定4條短鋼軌,保證盾體出洞不下沉。

2)洞門以內(nèi)的10環(huán)管片需用聯(lián)系條拉緊,保證管片間連接緊密。對(duì)盾殼外土體松動(dòng)的空隙進(jìn)行注漿回填,保證回填密實(shí)穩(wěn)固。

3)拆解后配套臺(tái)車時(shí),先將電瓶車底板運(yùn)送至拖車框架中間位置,用千斤頂將拖車平穩(wěn)放置在電瓶車上,并運(yùn)出隧道外(見圖13)。

圖13 后配套臺(tái)車運(yùn)輸

6 結(jié)語

1)若規(guī)劃在暗挖車站內(nèi)解體接收盾構(gòu),應(yīng)在車站施作中板前在接收洞門位置進(jìn)行水平注漿,進(jìn)而避免出現(xiàn)“注漿死角”,保證加固效果。

2)在暗挖車站內(nèi)解體接收,應(yīng)提前規(guī)劃并施作站內(nèi)預(yù)留結(jié)構(gòu)如下沉段、中板吊裝預(yù)留孔洞。其中,下沉段宜設(shè)置為0.5～1倍盾體長(zhǎng)度,不宜設(shè)置過長(zhǎng),中板吊裝預(yù)留孔洞應(yīng)與下沉段尺寸相同。

3)根據(jù)尾盾留置方案比選,暗挖車站內(nèi)盾構(gòu)解體接收且不完全推出盾體時(shí),宜將推進(jìn)油缸伸出極限長(zhǎng)度后,將仍未脫出的部分尾盾留置洞內(nèi)。