暗挖擴(kuò)大端內(nèi)棄殼解體接收盾構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)研究*

劉志堅(jiān),曹伍富,孫英韜,寇鼎濤,楊志勇,王炳祿,江玉生

(1.中鐵十四局集團(tuán)有限公司,山東 濟(jì)南 250101; 2.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司,北京 100068;3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083)

0 引言

由于沒(méi)有足夠的場(chǎng)地為盾構(gòu)提供常規(guī)接收條件,因此在城市內(nèi)部有限的狹小空間內(nèi),盾構(gòu)接收多選擇洞內(nèi)解體接收施工。關(guān)于盾構(gòu)解體施工,朱慶海等[1]對(duì)比現(xiàn)有拆機(jī)工藝,分析各工藝的優(yōu)缺點(diǎn)并總結(jié)了一套標(biāo)準(zhǔn)化水平較高的拆機(jī)方案;張東等[2]通過(guò)理論分析和工程應(yīng)用,優(yōu)化了盾構(gòu)留殼段襯砌及防水設(shè)計(jì);郭建濤[3]驗(yàn)證了在橫通道內(nèi)拆解并平移吊出的可行性,并確定了直徑6m的盾構(gòu)所需要的橫通道凈跨至少為6m;夏慶發(fā)等[4]對(duì)拆解后如何保證盾構(gòu)盾體修復(fù)質(zhì)量進(jìn)行了研究,提出應(yīng)盡量減小頂部吊點(diǎn)的使用;曹成勇等[5]對(duì)端頭土體加固范圍進(jìn)行了研究,結(jié)果顯示,隧道直徑越大,端頭土體加固長(zhǎng)度越長(zhǎng);寇鼎濤等[6]總結(jié)了在狹小暗挖隧道內(nèi)解體的技術(shù),梳理了一套拆解方案;趙兵等[7]認(rèn)為盾構(gòu)接收還需要考慮接收端補(bǔ)強(qiáng)加固問(wèn)題,并提出了相應(yīng)的解決方案;李振東等[8]總結(jié)了國(guó)內(nèi)外的解體方案,并從多角度對(duì)不同方案進(jìn)行橫向?qū)Ρ确治?并根據(jù)刀盤(pán)前部可操作空間的差別,提出了兩套適用性較強(qiáng)的優(yōu)化方案;肖鵬飛[9]認(rèn)為洞內(nèi)拆解的主要難點(diǎn)是刀盤(pán)和主驅(qū)動(dòng),并基于這兩方面提出了優(yōu)化方案;田海波[10]、譚竹青[11]基于實(shí)際工程對(duì)復(fù)雜條件下在暗挖結(jié)構(gòu)中接收盾構(gòu)進(jìn)行了研究,為類似工程提供了參考。

城市對(duì)地下軌道交通的需求日益增長(zhǎng),盾構(gòu)施工將會(huì)越來(lái)越多地面臨城市核心區(qū)狹小場(chǎng)地接收的問(wèn)題。在實(shí)際工程中,會(huì)面臨多種不利于施工的影響因素,但仍必須保證盾構(gòu)施工的最小條件和拆機(jī)過(guò)程的安全性和便捷性。基于此,本文依托北京地鐵19號(hào)線工程,對(duì)盾構(gòu)在城市中心狹小空間內(nèi)解體接收所需最小條件和解體方案進(jìn)行了論述。

1 暗挖橫通道設(shè)計(jì)

暗挖橫通道接收又稱作暗挖擴(kuò)大端,在城市地鐵修建中經(jīng)常遇到地面無(wú)法常規(guī)接收的情況,因此常采用在暗挖擴(kuò)大端內(nèi)接收,目前關(guān)于暗挖擴(kuò)大端的建造流程和工藝已基本掌握,但擴(kuò)大端的尺寸并沒(méi)有明確規(guī)定,擴(kuò)大端寬度過(guò)窄不利于盾構(gòu)解體,過(guò)寬會(huì)增加施工成本,也存在一定風(fēng)險(xiǎn)。因此應(yīng)確定暗挖擴(kuò)大端滿足施工要求的最小寬度。

在擴(kuò)大端內(nèi)接收盾構(gòu)一般有兩種方式:完全棄殼接收和部分棄殼接收。完全棄殼接收施工流程為拆解刀盤(pán)后,利用擴(kuò)大端在洞內(nèi)將盾構(gòu)零部件拆解運(yùn)出,保留全部盾殼作為隧道的一部分。部分棄殼則保留一部分尾盾,中盾和前盾拆解運(yùn)出。

1.1 完全棄殼接收方案

完全棄殼接收具有多種優(yōu)勢(shì),無(wú)需分割盾體,拆解進(jìn)度快,且擴(kuò)大端寬度設(shè)計(jì)無(wú)需過(guò)大,僅考慮刀盤(pán)存放問(wèn)題即可。以刀盤(pán)尺寸為橫通道寬度的設(shè)計(jì)參考,擴(kuò)大端空間分布如圖1所示。

圖1 完全棄殼方案擴(kuò)大端內(nèi)結(jié)構(gòu)分布Fig.1 Structure distribution in the enlarged end of complete shell abandonment scheme

擴(kuò)大端寬度設(shè)置與刀盤(pán)切割方法和存貯方式有關(guān),常見(jiàn)刀盤(pán)分割方案多采用5分法,即4個(gè)邊塊+1個(gè)中心法蘭塊,最大刀盤(pán)分塊的尺寸應(yīng)視為0.5倍刀盤(pán)直徑,刀盤(pán)分塊需暫存在橫通道內(nèi),刀盤(pán)分塊的單排擺放和雙排擺放方式如圖2所示,單排擺放空間寬敞、施工方便,雙排擺放節(jié)省空間不影響其他施工作業(yè)。

圖2 刀盤(pán)分塊擺放類型Fig.2 Cutter block placement type

但無(wú)論何種方式,必須保留一定空間滿足吊裝運(yùn)輸施工,單排擺放時(shí)擴(kuò)大端寬度不應(yīng)小于0.7倍刀盤(pán)直徑,雙排擺放時(shí)擴(kuò)大端寬度不應(yīng)小于1.2倍刀盤(pán)直徑。

1.2 部分棄殼接收方案

盾構(gòu)在洞門(mén)處可通過(guò)千斤頂將盾體頂出,但千斤頂伸出長(zhǎng)度有限,無(wú)法將尾盾全部脫出,未脫出部分一般會(huì)被切割后留置在洞內(nèi)。該方案在暗挖擴(kuò)大端內(nèi)的空間分布如圖3所示。

圖3 部分棄殼方案擴(kuò)大端內(nèi)結(jié)構(gòu)分布Fig.3 Structure distribution in the enlarged end of some shell abandonment schemes

部分棄殼接收方案的盾構(gòu)解體流程中,需要將前盾和中盾完全推出至擴(kuò)大端內(nèi),并利用頂部吊耳進(jìn)行拆解運(yùn)輸,若采用解體方案接收,應(yīng)同時(shí)考慮前盾、中盾、后盾和刀盤(pán),因此暗挖段擴(kuò)大端的設(shè)計(jì)寬度應(yīng)為1.5倍max{前盾長(zhǎng)度,中盾長(zhǎng)度,尾盾最大脫出長(zhǎng)度,刀盤(pán)半徑}。

1.3 暗挖擴(kuò)大端高度

擴(kuò)大端縱向可分為開(kāi)挖墊層、隧道工作面和頂部吊裝空間3部分。開(kāi)挖墊層在正式接收盾構(gòu)時(shí)回填至隧道底部高度,僅隧道工作面和頂部吊裝空間作為重要工作空間,拆解吊裝時(shí),需保證各部分能夠吊起至少1.5m,才能滿足在空間內(nèi)橫向和縱向運(yùn)輸。所以暗挖擴(kuò)大端的設(shè)計(jì)高度h應(yīng)滿足:

h=h1+h2+h3

(1)

式中:h1為開(kāi)挖墊層高度;h2為盾構(gòu)機(jī)高度;h3為頂部吊裝空間,一般取1.5～2m(見(jiàn)圖4)。

圖4 暗挖擴(kuò)大端高度關(guān)系Fig.4 Height relationship of enlarged end of underground excavation

2 暗挖擴(kuò)大端內(nèi)解體實(shí)例

2.1 工程概況

北京地鐵19號(hào)線一期工程06標(biāo)段草橋站—右安門(mén)外站區(qū)間,區(qū)間長(zhǎng)度2 374m,盾構(gòu)段長(zhǎng)度2 150m,如圖5所示,該區(qū)間在南三環(huán)與馬草河之間嘉河公園綠地處設(shè)置區(qū)間風(fēng)井,并作盾構(gòu)始發(fā)井用。盾構(gòu)由風(fēng)井始發(fā),分別向草橋站和右安門(mén)外站掘進(jìn)并接收。全線路涉及卵石層,少量卵石-粉細(xì)砂互層,始發(fā)與接收位置均位于地下水位以上。

圖5 線路平面Fig.5 Line plan

2.2 解體接收方案及拆解流程

標(biāo)段分為風(fēng)井—草橋站和風(fēng)井—右安門(mén)外站,本文僅討論風(fēng)井—右安門(mén)外站區(qū)間。接收端地面情況復(fù)雜,臨近右安門(mén)外站下穿地鐵14號(hào)線,南側(cè)存在一條涼水河,掘進(jìn)方向兩側(cè)地面建筑密集,地下同樣存在多條市政管線。

接收端地上、地下環(huán)境復(fù)雜且空間狹小,無(wú)法進(jìn)行明挖,而站內(nèi)接收面臨更大風(fēng)險(xiǎn),成本也會(huì)增加。為保障施工安全,減少道路和周邊建筑物沉降,降低施工風(fēng)險(xiǎn),最終設(shè)計(jì)為暗挖擴(kuò)大端內(nèi)解體接收。接收端各結(jié)構(gòu)平面位置關(guān)系如圖6所示。

圖6 接收端平面關(guān)系Fig.6 Plane relationship of receiving end

拆解流程為:掘進(jìn)至相應(yīng)位置→刀盤(pán)拆解→臺(tái)車拆除→螺旋輸送機(jī)拆除→拼裝機(jī)拆除→中體結(jié)構(gòu)拆除→主驅(qū)動(dòng)拆除→其他零部件拆除→施工盾殼內(nèi)二襯。

2.3 暗挖擴(kuò)大端尺寸及端頭加固

本工程所用盾構(gòu)機(jī)直徑6 680mm,主機(jī)總長(zhǎng)(不含刀盤(pán))8 389mm,其中前盾長(zhǎng)2 078mm,中盾長(zhǎng)2 800mm,尾盾長(zhǎng)3 910mm。按照上述尺寸設(shè)定,暗挖擴(kuò)大端寬度應(yīng)為0.7倍刀盤(pán)直徑,即4 676mm。暗挖擴(kuò)大端開(kāi)挖墊層設(shè)計(jì)高度為860mm,按照式(1),最終高度為9 000mm(取整以方便施工),暗挖擴(kuò)大端最終設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)為寬4 500mm,高9 000mm,并預(yù)埋15個(gè)單耳吊耳。暗挖擴(kuò)大端現(xiàn)場(chǎng)情況和預(yù)埋吊耳如圖7所示。

圖7 暗挖擴(kuò)大端現(xiàn)場(chǎng)情況Fig.7 Field situation of excavation enlarged end

地面無(wú)加固條件,遂采用擴(kuò)大端內(nèi)水平深孔注漿加固,加固范圍為拱頂以上3m至隧道底部3m,兩側(cè)3m的洞身范圍,加固后土體應(yīng)具有良好的均勻性,無(wú)明顯滲水,滿足抗壓強(qiáng)度和滲透性要求。

2.4 刀盤(pán)拆解

對(duì)于將盾殼完全留置在洞內(nèi)的方案,盾構(gòu)推出長(zhǎng)度不一定過(guò)多,前盾露出鋼環(huán)500mm后即可停機(jī),拆解前應(yīng)旋轉(zhuǎn)刀盤(pán),當(dāng)超挖刀旋轉(zhuǎn)至12點(diǎn)位置時(shí)停止,并進(jìn)行刀盤(pán)拆解。

為適應(yīng)暗挖擴(kuò)大端狹長(zhǎng)的空間構(gòu)造,本次刀盤(pán)拆解設(shè)計(jì)了新的分解方案,共分為5塊,有別于常規(guī)的“4+1”分塊法,本次分塊為4個(gè)小塊+1個(gè)中心貫通塊。刀盤(pán)分割方案對(duì)比如表1所示。

表1 刀盤(pán)分割方案對(duì)比Table 1 Comparison of cutterhead segmentation schemes

暗挖大擴(kuò)大端空間呈長(zhǎng)條狀,常規(guī)分塊單塊占地面積較大,雖設(shè)計(jì)寬度足夠擺放,但仍會(huì)造成施工場(chǎng)地雜亂,占據(jù)大量施工操作面,而“4小+1中”的分塊方式,5個(gè)分塊接近條狀,能夠更加合理地使用工作場(chǎng)地,有利于施工場(chǎng)地環(huán)境維護(hù),且單塊質(zhì)量更小,施工方便,值得注意的是中心貫通塊質(zhì)量較大,但重心較低,因此不會(huì)加大工作難度。刀盤(pán)拆解方案如圖8所示。

圖8 刀盤(pán)拆解方案Fig.8 Cutter head dismantling scheme

對(duì)刀盤(pán)進(jìn)行預(yù)緊工作后,利用擴(kuò)大端頂部預(yù)埋吊耳,依次割除A,B,C,D 4個(gè)小塊,并擺放在一旁,最后拆除中心貫通塊E。

2.5 千斤頂及后配套臺(tái)車

拆除前需將油缸拔出,拆除時(shí)注意預(yù)防油缸轉(zhuǎn)動(dòng),并對(duì)管路口進(jìn)行封堵處理,防止雜物進(jìn)入對(duì)油缸造成損害。

拆除皮帶輸送機(jī)、風(fēng)管等零部件,并斷開(kāi)各拖車之間的水、氣、液壓等管路,并對(duì)接頭做好保護(hù)措施。把電瓶車送至臺(tái)車底部,并用千斤頂放置在電瓶車的H型鋼上,依次將6節(jié)臺(tái)車全部脫出。

2.6 螺旋輸送機(jī)拆除

螺旋輸送機(jī)作為盾構(gòu)零件中單體最長(zhǎng)的部件,拆除時(shí)需合理安排工人和輔助工具的相互配合,在不傷害構(gòu)件本體的情況下,將其整體脫出。

螺旋輸送機(jī)拆除在盾構(gòu)機(jī)盾體內(nèi)部進(jìn)行,電瓶車上應(yīng)提前焊接門(mén)架工裝,并在工裝頂部焊接兩個(gè)吊耳,在螺旋輸送機(jī)中部位置正上方的盾體、人倉(cāng)位至底部、井字架位置分別焊接吊耳,如圖9所示。

圖9 螺旋機(jī)拆解吊耳位置Fig.9 Position of lifting lug dismantled by screw machine

然后與螺旋輸送機(jī)連接,配合電瓶車向后緩慢移動(dòng),將螺旋輸送機(jī)整機(jī)脫出,并通過(guò)逐級(jí)轉(zhuǎn)換連接吊耳,將螺旋輸送機(jī)緩慢移動(dòng)到電瓶車上,并從隧道運(yùn)送至始發(fā)井。過(guò)程中應(yīng)注意穩(wěn)定螺旋輸送機(jī),防止其晃動(dòng),避免造成零件損害和人員安全事故。

2.7 主驅(qū)動(dòng)拆除

主驅(qū)動(dòng)是除刀盤(pán)外單體質(zhì)量最大的零件,包括主軸承、減速機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等構(gòu)件,洞內(nèi)拆除有別于車站內(nèi)或洞外拆除,在站內(nèi)或洞外能夠利用頂板吊耳,將主驅(qū)動(dòng)整體吊起,空間大、操作方便。而洞內(nèi)可利用空間極有限,盾體直徑僅6 680mm,主軸承直徑達(dá)到3 400mm,重達(dá)34t,拆除難度大。

在洞內(nèi)拆除主驅(qū)動(dòng)常需要借助輔助工裝,本工程設(shè)計(jì)了一種用于洞內(nèi)主驅(qū)動(dòng)拆除的專用滑移工裝。主軸承固定在前盾內(nèi)圓上,需將軸承向后滑移,脫離前盾內(nèi)圓,落到后方電瓶車上,但無(wú)論是用吊耳預(yù)拉緊,還是加強(qiáng)后方電瓶車結(jié)構(gòu),軸承落下瞬間,沖擊力極有可能將吊耳拉拽開(kāi)裂,或在電瓶車上發(fā)生傾覆,對(duì)工人生命安全造成極大威脅。

滑移專用工裝通過(guò)延長(zhǎng)軸承滑移長(zhǎng)度的思路,將主軸承的軸向尺寸加長(zhǎng),其滑移距離延長(zhǎng)至電瓶車上方,使得主軸承向后滑移脫離前盾時(shí),仍保持在受力支撐的狀態(tài),以此來(lái)限制主軸承滾動(dòng)和翻轉(zhuǎn)的自由度,只保留軸向移動(dòng)的自由度,最后再?gòu)碾娖寇嚿蠈⑤S承翻身,運(yùn)輸出洞?；乒ぱb與主驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)關(guān)系如圖10所示。

圖10 專用工裝結(jié)構(gòu)Fig.10 Structure of special tooling

滑移專用工裝分為固定器和延長(zhǎng)軌道兩部分,如圖11所示。固定器內(nèi)有凹槽,能夠匹配延長(zhǎng)軌道,將延長(zhǎng)軌道嵌入其中,固定器通過(guò)螺栓固定在電瓶車上,再將延長(zhǎng)軌道以此穿過(guò)凹槽,形成兩條與主軸承外圈曲率相同的軌道,并務(wù)必保證工裝整體電瓶車形成剛性整體。

圖11 專用滑移工裝Fig.11 Special sliding tooling

拆除時(shí),將電瓶車運(yùn)送至軸承下方,使得滑軌能夠與主軸承接觸。然后將4個(gè)50t千斤頂對(duì)角線安裝于支撐與主驅(qū)動(dòng)外圈之間,千斤頂行程不足以一次頂推到位,還需設(shè)置墊墩進(jìn)行二次頂推,頂推過(guò)程應(yīng)協(xié)調(diào)一致,避免卡死。

滑移工裝行程長(zhǎng)度設(shè)置為1 500mm,板車剩余部分焊接左右兩道H型鋼,型鋼間距1 000mm,并保證型鋼與平板車形成剛性整體,H型鋼兩側(cè)用500mm間距豎筋板加強(qiáng)支撐。

當(dāng)主驅(qū)動(dòng)推送至滑移工裝末端后,將主驅(qū)動(dòng)上下兩端連接艙內(nèi)的2個(gè)20t葫蘆,緩慢吊起主驅(qū)動(dòng)完成翻身動(dòng)作,然后平放至H型鋼之上,如圖12所示。

圖12 主驅(qū)動(dòng)翻身與圓鋼固定Fig.12 The main drive is turned over and fixed with round steel

使用8根圓鋼插在主驅(qū)動(dòng)內(nèi)環(huán)中,并緊貼內(nèi)環(huán)表面,圓鋼下端焊接在平板上,固定主驅(qū)動(dòng),防止竄動(dòng),然后由平板車緩慢運(yùn)出。

2.8 盾體內(nèi)清理

主要零部件拆解完畢后,對(duì)盾體內(nèi)部進(jìn)行清理,將其余瑣碎零部件拆解并運(yùn)輸出洞,保證盾體內(nèi)光滑平整、無(wú)凸起,為盾體內(nèi)施工二襯做準(zhǔn)備。

3 二次襯砌及其他關(guān)鍵措施

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)振動(dòng)會(huì)與周圍土體產(chǎn)生空隙,待盾構(gòu)機(jī)到達(dá)洞門(mén)預(yù)定位置停機(jī)后,需及時(shí)進(jìn)行注漿填實(shí)盾殼外的土體松動(dòng)空隙。且在停機(jī)后、拆解前,必須將最后至少10環(huán)管片做拉緊處理,防止在卸除千斤頂后發(fā)生回彈,造成管片間出現(xiàn)裂縫,將嚴(yán)重影響隧道整體性。

當(dāng)盾殼內(nèi)部零件全部拆解運(yùn)輸出洞后,施作二襯結(jié)構(gòu),二襯結(jié)構(gòu)需將全部?jī)?nèi)盾殼包括在內(nèi),其位置可根據(jù)管片排版進(jìn)行調(diào)整,但調(diào)整長(zhǎng)度不得大于0.5倍環(huán)寬,以保證成型隧道的整體性和防水性。

二襯施作應(yīng)加強(qiáng)防水措施,在管片與二襯交界處設(shè)置遇水膨脹止水條。同時(shí),在施作二襯之前還應(yīng)施作1層防水層,采用土工布和塑料防水板等材料防止后期水的滲漏。

傳統(tǒng)盾構(gòu)解體過(guò)程中,在盾體部分采用完全脫出的方案。但這種方案適合空間充足的施工場(chǎng)地,如明挖車站、明挖風(fēng)井等,盾體可完全脫出然后利用地面起重機(jī)一次性吊出。而狹小場(chǎng)地不具備吊裝條件,脫出的盾體必需分塊切割,再逐次運(yùn)出,大大增加施工工期,同時(shí),狹小場(chǎng)地的工作空間受限,空氣流通不暢,塊體的吊裝、移動(dòng),焊接廢氣的疏散等都增加了工程的危險(xiǎn)性。

而本項(xiàng)目采用盾體全部棄置在洞內(nèi)的方案,僅包含試做襯砌這一項(xiàng)工程,施工難度大大降低,襯砌內(nèi)部的鋼筋籠可在地面完成后由洞內(nèi)組裝,節(jié)省了工期,同時(shí)不存在危險(xiǎn)工程,安全性得到顯著提升。方案對(duì)比如表2所示。

表2 方案對(duì)比Table 2 Comparison of schemes

4 結(jié)語(yǔ)

在復(fù)雜條件下棄殼解體盾構(gòu)接收是安全性和經(jīng)濟(jì)性較高的方案,能最大限度保證周邊環(huán)境安全,降低風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率。暗挖橫通道+暗挖擴(kuò)大端是棄殼解體接受必須采用的輔助結(jié)構(gòu),本文以實(shí)際工程案例為背景,對(duì)其進(jìn)行總結(jié),為今后類似工程提供了重要參考依據(jù),具體內(nèi)容如下。

1)暗挖擴(kuò)大端是盾構(gòu)洞內(nèi)解體的主要工作場(chǎng)地,需保證充足的拆解環(huán)境。當(dāng)選擇完全棄殼接收方案時(shí),擴(kuò)大端寬度設(shè)置與刀盤(pán)分塊的暫存方式有關(guān)。當(dāng)選擇部分棄殼接收方案時(shí),擴(kuò)大端寬度宜為1.5倍max前盾長(zhǎng)度;中盾長(zhǎng)度;尾盾最大脫出長(zhǎng)度;刀盤(pán)半徑。

2)暗挖擴(kuò)大端高度h可分為3部分,即開(kāi)挖墊層h1,隧道工作面h2,頂部吊裝空間h33部分,無(wú)論采用何種解體接收方案,擴(kuò)大端設(shè)計(jì)高度均應(yīng)滿足h=h1+h2+h3。

3)本文提供了一種適用于狹小暗挖擴(kuò)大端內(nèi)的刀盤(pán)拆解方式,能夠減小場(chǎng)地占用面積。同時(shí)設(shè)計(jì)了一種主驅(qū)動(dòng)拆解時(shí)使用的新型專用工裝,使得主驅(qū)動(dòng)的拆解過(guò)程更加安全便利,提高了效率。