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盾构机洞内脱壳解体技术研究

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据上海丰悦物流有限公司盾构运输公司大件运输公司2018年10月13日报道随着城市规模和人口、建筑密度的不断加大,交通拥堵已经成为我国许多城市普遍存在的突出问题,地铁以运量大、速度快、能耗低、乘坐舒适等优点成为解决城市交通问题的有效办法。在地铁建设过程中,盾构法凭借施工速度快、结构安全性高、对周围环境影响小等优势应用越来越广泛。但是由于盾构机始发与接收过程复杂,施工过程的安全性与质量难以控制,时常出现工期不可控的现象。目前,北京地铁施工中广泛采用土压平衡盾构机,当受场地条件限制而无法修建盾构接收井时,如何将盾构机从始发井退出成为一个工程难题。
   结合实际工程,对盾构机暗挖接收方案进行比选分析,明确了扩挖刀盘方案在暗挖接收中的优势,并依据工程条件对扩挖刀盘方案中的盾构,停机位置和扩挖段稳定性进行计算分析。在此基础上,创新性地提出了盾构机洞内解体新技术与新工艺,并在实际工程中得以验证。
1 工程概况
   北京地铁14号线是北京市轨道交通线网中一条连接东北、西南方向的“L”型骨干线。其中,北京工业大学站—南八里庄站区间隧道因穿越大量居民楼,且不具备降水和设置施工竖井的条件,采用盾构法施工。区间右线长1208.5m,左线长1182.918m,各采用1台盾构机从北京工业大学站始发,原计划在南八里庄站进行接收。受地面拆迁影响,南八里庄车站暗挖施工进展缓慢,盾构机需在十里河站—南八里庄站暗挖隧道内接收。受大型市政管线、商业补偿和交通导改等诸多条件限制,在接收区域设置盾构机接收井在工期与综合费用方面难以承受,因此提出盾构机在暗挖区间端头处进行洞内接收和脱壳解体方案,将盾壳留在隧道内,其余构件在洞内解体后从北京工业大学站始发井吊出。盾构机能否在暗挖隧道内实现接收和解体,成为该工程成败的关键。
2 暗挖隧道盾构接收方案的优选
2.1 方案提出
   在具备接收吊装条件的盾构隧道中,盾构机通常是在掘进完成后在洞外进行拆卸;在不具备接收吊装条件的盾构隧道中,盾构机需进行洞内解体拆卸,再运输至具备吊装条件的井口处。洞内接收工作室的暗挖隧道结构设计需考虑盾构机到达时的动荷载,根据结构类型,按永久荷载、可变荷载进行分类,对结构整体或构件可能出现的最不利荷载组合进行计算。
   结合该工程的地质条件和施工单位的技术水平提出2种暗挖隧道接收方案:
   1)二衬接收方案:将暗挖接收段初衬及二衬全部施工完成后,盾构机进入收段进行解体,盾构机盾壳留在土体内,最后施工盾壳内防水及二衬结构。
   2)扩挖刀盘方案:盾构机掘进至接收区域后停机,采用暗挖方式扩挖出盾构刀盘,然后进行盾构洞内解体,盾构机盾壳留在土体内,最后施工盾壳内防水及二衬结构。
2.2 方案比较
   1)技术可行性。二衬接收方案因为要在盾构机到达之前做好接收洞室,等待盾构机破除支撑墙壁,所以对接收洞室内的支护和破洞端面的强度要求较高,适用于地层条件较好,洞内加固后能满足接收要求的地段,而且利用二衬工作室接收时操作空间较小、破除量大、技术难度大。扩挖刀盘方案是在盾构永久停机后通过暗挖扩大接收洞室,以目前国内的暗挖技术水平,在地层条件不好的情况下也完全可以高效、安全地施工,因此该方案在施工技术方面更加灵活,适用于各种地层。
   2)安全风险。二衬接收方案中盾构机进洞时推力很大,容易对接收端面以及接收洞室造成破坏,利用二衬工作室接收时操作空间较小、破除量大、刀盘四周土体暴露时间较长,这些都会给施工带来较大的安全隐患,易发生涌水、涌砂或塌方事故,施工风险较高。扩挖刀盘方案规避了常规盾构进洞破除洞门时的风险以及对接收工作室的影响,在扩挖刀盘过程中可以根据地层条件调整支护参数,根据地下涌水情况调整防水措施,而且不用安装钢环和止水橡胶帘布等,施工风险较低。
   3)防水效果。二衬接收方案中接收工作室二衬及防水先期完工,盾壳内二衬及防水是在盾构机拆除工作基本完成时才进行,导致盾壳内二衬和接收工作室二衬之间的防水细部处理较为困难。扩挖刀盘方案的盾壳内二衬和扩挖段二衬同步施工,防水效果较好。
   4)经济性。二衬接收方案须提前将接收工作室完成,盾构机推进后完成接收,在工期紧张的情况下盾构机需停机等待,工期较长,且该方案对接收工作室结构及其支护强度要求较高,使得工程造价较高。扩挖刀盘方案中盾构机一直工作到永久停机后再进行刀盘开挖,而且在扩挖刀盘的同时可以进行盾构机拆除的前期准备工作,工期相对可控,造价较低。
   综合比较2种方案可以看出,二衬接收方案为常规方案,类似于地铁车站盾构接收方式,安全风险较高;扩挖刀盘方案具有安全风险低、防水效果好、工期可控、经济性好、适用性强等优势。故该工程选择扩挖刀盘方案。
3 扩挖刀盘方案关键参数分析
3.1 盾构机停机位置的确定
   盾构机停机时需考虑暗挖隧道掌子面与停机位之间的安全距离,具体根据地层条件及工程参数来确定,通常安全距离L应大于1倍洞径,该工程中取L=10m。同时,距离暗挖隧道掌子面20m范围内需提前注浆加固,形成加固区。根据盾构机的掘进参数,对盾构机掘进至距离掌子面10m过程中的最不利情况进行受力分析。
   拟定盾构机掘进参数如下:盾构机进入加固区范围前(L≥20m),盾构机推力为8000kN;盾构机进入加固区范围后(L<20m),推力降为4000kN。对盾构机在L=20m和L=10m时掌子面的受力情况进行分析,掌子面受力包括土体应力和盾构机掘进时对掌子面产生的附加应力,受力模型如图1所示。


   1)暗挖隧道掌子面承受土体应力计算

   q1=h×γ×k=112kN/m2。其中:q1为土体应力,kN/m2;h为覆土深度,取14m;k为侧压力系数,取0.4;γ为土层平均密度,取20kN/m3
   2)暗挖隧道掌子面附加应力计算

   盾构机进入加固区范围前(L=20m),推力为8000kN,掌子面附加应力 。其中:q2为盾构机对掌子面产生的附加应力;P为盾构机推力,取8000kN;d为掌子面受力在暗挖隧道以外部分的半径,d=L×tan α,α为盾构机推力方向与其对掌子面影响范围的夹角,取30°,因此d=11.55m。
   盾构机进入加固区后,推力降为4000kN,直至到达盾构机拟定停机位置(L=10m),掌子面附加应力 。其中:q2为盾构机对掌子面产生的附加应力;P为盾构机推力,取4000kN。
   盾构机掘进对掌子面产生的附加应力应取L=10m和L=20m时的最大值,因此暗挖隧道掌子面承受的总应力q=q1+q2=127.64kN/m2
   根据以上受力分析结果,结合掌子面既有支护情况,为了保证盾构机掘进至停机位过程中暗挖掌子面的稳定,需对接近掌子面的暗挖段进行加固。加固方案为在临近掌子面成洞段4m范围初支增设临时仰拱,暗挖标准断面采取2m临时封堵墙+型钢支撑体系。其施做步骤为:增设暗挖标准段临时仰拱→掌子面初次封堵(500mm)→洞内深孔注浆→成洞段临时仰拱架设→掌子面二次封堵(1500mm)→掌子面型钢支撑架设→成洞段初支背后二次补浆。
3.2 扩挖段稳定性分析
3.2.1 暗挖隧道深浅埋划分
   隧道拱顶埋深为15.2m,根据岩体力学理论计算结果,该结构应按浅埋隧道计算。隧道暗挖剖面如图2所示。


3.2.2 扩挖段受力计算

   暗挖接收工作室结构平面图如图3所示。

   由图3可以看出,在1-1剖面处扩挖断面大于标准断面,需要对其稳定性进行验算。由于该剖面位于道路正下方,与标准断面相比,不稳定因素主要由地面车辆活载导致,所以应对车辆活载产生的竖向和侧向土压力进行验算。

   该剖面处近期使用阶段与远期使用阶段情况相同,地面车辆活载产生的竖向附加应力p1=20kPa/m2,侧向附加应力p2=7kPa/m2(侧向土压力系数为0.35),由土力学中的静止土压力公式得:
   拱顶处竖向土体荷载p3=h0×γ+p1=324kPa,其中:h0为拱顶埋深,取15.2m;γ为土体平均密度。
   结构顶侧向土体荷载p4=h0×γ×0.35+p2=1134kPa。
   结构底侧向土体荷载p5=(h0+h)×γ×0.35+p2=170.8kPa,其中:h为6.5m。
   根据计算结果可知,车辆活载产生的竖向和侧向附加应力相比结构顶、底部的竖向和侧向总荷载较小,在结构支护设计安全允许范围内,所以1-1剖面的稳定性符合设计要求。
3.3 扩挖段深孔注浆加固
   由于扩挖段隧道断面比标准段大而且受到盾构机掘进的推力作用,开挖前需要进行注浆加固,如图4所示。根据地层参数,盾构端头加固采用深孔袖阀管后退式分层劈裂注浆工艺。注浆环向加固范围为盾构隧道轮廓外3.0m,孔位环向间距为0.5m,孔间距为0.45m,每孔注浆长度10m(至少包络住整个盾体长度),浆液扩散半径0.7m。注浆管采用Ø48mm×5mm的钢袖阀管,浆液采用水泥-水玻璃双液浆(体积比1∶1),并掺加少量外加剂,注浆压力控制在1.0MPa。注浆效果要求注浆保护圈的岩体渗透系数降至0.001m/d数量级,浆土结实体黏结力不小于80kPa。

4 盾构机洞内解体新工艺研究

4.1 推进油缸拆除技术
   盾构机共有32根推进油缸,单根油缸质量约1.5t,长度约2850mm,直径约280mm。油缸伸入抱卡支座距离为2000mm,拆除时需将油缸拔出,因此水平移动距离最小为2000mm;在拆除中上部推进油缸时,还需将油缸固定后垂直吊运至底部。由于油缸贴近盾壳,周边作业空间狭小,拆除难度非常大,是盾构解体中一大难点。
   根据推进油缸拆除需求,设计了一个拼装机改造辅助工装,如图5所示。辅助工装上安装有重新设计的拼装头,用拼装机抓举油缸将辅助工装拉紧,同时在辅助工装上焊接防转板防止拆除油缸时油缸带动辅助工装一起转动。


   辅助工装主板为30mm厚钢板,中间使用直径70mm的销轴进行连接。工装上安装门式框,供油缸水平移动;同时设有22mm孔,孔间距300mm,油缸拔出后使用M20U形卡进行固定。

4.2 主驱动轴承无损拆除技术
   主驱动质量约25t,外径3000mm,与前体连接法兰外径3270mm,含入前体长度415mm,连接法兰厚160mm。切除后的主驱动(带连接法兰筒)外形尺寸Ø3270mm×675mm,质量约28t。
   主驱动质量为拆除部件中单件最大,为避免盾壳上应力集中影响盾壳变形控制,不宜在盾壳上焊接吊耳进行吊装;同时考虑主驱动拆除时胸板切割同步性问题,使用葫芦进行吊装可能会出现集中受力情况;主驱动质量大、尺寸大,在隧道内翻身困难,所以主驱动拆除后不进行翻身直接固定运出。综合考虑以上因素,主驱动拆除需设计专用拆除门架,如图6所示。


   主驱动拆除门架横梁、纵梁和立柱均为H200型钢,并在型钢侧面封10mm厚钢板;下横梁长3000mm,两侧可安装行走轮,拆除行走轮后可用于支放千斤顶;上部吊梁为32B工字钢,挂32t卸扣用于挂葫芦进行保护;吊梁加固梁为H100型钢。

4.3 拆除工艺3D模拟技术
   作为国内首次在制造时无专项预留设计的土压平衡盾构机洞内拆解工程,无可借鉴的施工经验,对于拆解过程中的每一步都要进行理论计算和设计模拟。
   该工程采用基于PC系统的三维动画渲染和制作软件3D Studio Max(简称 3d Max)进行盾构机部件拆除模拟,如图7所示。


   盾构机在隧道内拆解,需将盾壳留在土体内作为隧道结构的初衬,将内部设备逐一拆除,同时必须保证整个盾构机拆解的安全、顺利并在最短的时间内完成,这就要求对拆除顺序做最优化的部署。

   经反复研究比较,总结出盾构机拆解的总流程如下:盾构机正常掘进至停机位置后永久停机,然后在隧道内扩挖出刀盘进行刀盘的拆除,扩挖过程中同时进行盾构机主体的拆除准备工作和盾构机中体油缸拆除以及台车桥架拆除;之后开始进行盾构机主体的拆除工作,先拆除螺旋输送机,再拆除拼装机,然后进行中体结构设备和主驱动的拆除,最后进行前体结构设备拆除并整理拆除物件,完成拆除解体工作。
5 结论
   该工程首次成功实施了土压平衡盾构机暗挖接收、洞内解体及地层留壳成套技术,结合工程实践经验得出以下结论:
   1)相比盾构机主动破洞的二衬接收方案,被动暗挖的扩挖刀盘方案具有安全风险小、防水效果好、造价低且适用于复杂地层条件的优势。
   2)经过计算分析和工程实践表明,通过对暗挖隧道临近掌子面成洞段4m范围内初支增设临时仰拱,暗挖标准断面采取2m临时封堵墙+型钢支撑体系,即能保证盾构停机位距离掌子面10m时掌子面的安全。
   3)盾构机推进油缸长度大、主驱动轴承质量大,采用改造拼装机和设计专用门架等方法可以解决在狭小空间内拆卸大、重构件的难题。
   4)工程实践应用表明盾构机洞内脱壳解体的施工方案是可行的,可以保证盾构接收的安全性与可靠性,对相关工程具有指导和借鉴意义。

编辑:上海大件运输公司盾构机运输盾构机运输公司