Ф8 780盾構(gòu)機(jī)組裝施工技術(shù)研究

吳文彪 李詩詩

摘 要：據(jù)國內(nèi)盾構(gòu)施工現(xiàn)狀調(diào)查，按照同條件下正常施工進(jìn)度，Ф8 780盾構(gòu)機(jī)下井組裝調(diào)試至始發(fā)至少需60 d時間，進(jìn)度緩慢，工期安排不緊湊，且過程中發(fā)生了諸多質(zhì)量問題，導(dǎo)致耗費(fèi)大量人力與物資，并承擔(dān)極大的風(fēng)險。此外，盾構(gòu)機(jī)造價昂貴，若在組裝過程中出現(xiàn)質(zhì)量問題，不僅會影響后續(xù)掘進(jìn)施工，還會減少機(jī)械的使用壽命。本文章針對廣東省水電集團(tuán)與廣船國際合作研發(fā)的Ф8 780土壓平衡盾構(gòu)機(jī)組裝施工展開深入研究，從盾構(gòu)機(jī)吊裝、組裝施工順序、盾體焊接施工工藝等難題進(jìn)行創(chuàng)新，形成了一套非常有效的施工方案并取得了良好的施工效果，為日后大盾構(gòu)施工提供了寶貴的技術(shù)參考。

關(guān)鍵詞：Ф8 780盾構(gòu)機(jī)；盾構(gòu)吊裝；主驅(qū)動；變形；焊縫；殘余應(yīng)力

中圖分類號：U455.39 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2013）21-0057-02

近三十年來，由于土壓平衡、泥水平衡、盾尾密封、盾構(gòu)始發(fā)及接收等一系列技術(shù)難題的解決，使得盾構(gòu)技術(shù)有了較快的發(fā)展。由于地面交通的日益擁擠和地下設(shè)施的密集化，工程用地不易確保，地下結(jié)構(gòu)物的存在使得盾構(gòu)施工直徑加大的同時長度也有加大的趨勢。

我們不斷創(chuàng)新盾構(gòu)施工技術(shù)，唯有以高標(biāo)準(zhǔn)控制盾構(gòu)機(jī)組裝質(zhì)量，才能應(yīng)對大直徑盾構(gòu)施工的風(fēng)險，從而確保盾構(gòu)機(jī)性能，以便在長距離掘進(jìn)過程中正常運(yùn)行。因此，為保證盾構(gòu)機(jī)組裝質(zhì)量及使用性能，力爭在最短的時間內(nèi)創(chuàng)造最大的效益，本課題對盾構(gòu)機(jī)組裝技術(shù)進(jìn)行探討，研究出一套高效優(yōu)質(zhì)的盾體組裝施工技術(shù)。

1 Ф8 780土壓平衡盾構(gòu)機(jī)簡介

本項目所使用的設(shè)備為直徑8 780 mm土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，是廣東省水電集團(tuán)與廣船國際合作研發(fā)的首臺大直徑盾構(gòu)機(jī)。該盾構(gòu)機(jī)最大開挖直徑8 820 mm，整機(jī)全長81 175 mm；無極調(diào)速0.1～4.0 rpm；傳動方式為電動機(jī)-減速機(jī)-小齒輪-帶齒圈的大口徑軸承-刀盤滾筒-中間梁-刀頭。

盾構(gòu)機(jī)共分為五部分：①刀盤，厚度800 mm，分兩塊。刀具分布情況為：中心滾刀4把、雙刃滾刀5把、單刃滾刀40把、切削刀120把、邊刮刀36把、外周保護(hù)切削刀12把、刀座保護(hù)切削刀30把、注入孔保護(hù)切削刀8把、磨損檢測刀2把、仿形刀1把、超挖刀1把。②A環(huán)厚度為3 030 mm，分成1、2、3、4共四個片體。③B環(huán)厚度3 200 mm，分成1、2、3、4共四個片體。④CD環(huán)厚度1 515 mm，分為1、2、3、4四個片體。⑤EF環(huán)厚度4 715 mm，分為1、2、3共三個片體。

鉸接系統(tǒng)總推力為56 000 kN；水平、垂直角度為1.5？觷，行程300 mm；使用壓力35 MPa；數(shù)量16根（分四組）；開挖面單位推力：925 kN/m。

盾構(gòu)機(jī)總推力為72 000 kN，行程2 450 mm；裝備數(shù)量24個（6個分區(qū)）；伸出速度6.5 cm/min（全數(shù)動作）；100 cm/min（7根動作）；開挖面單位推力1 189 kN/m。

2 盾構(gòu)機(jī)組裝流程

盾構(gòu)機(jī)吊裝順序與盾體組裝順序應(yīng)環(huán)環(huán)相扣，因此吊裝順序嚴(yán)格按照盾構(gòu)機(jī)組裝次序進(jìn)行。由于1#始發(fā)井場地極為狹小，并無多余空間存放盾構(gòu)機(jī)各部件。因此，必須制定周全的運(yùn)輸、吊裝及組裝方案，否則將會造成諸多不必要的麻煩。期間，通過與設(shè)計、制造方反復(fù)溝通，多次召開專家研討會，確定以何種順序進(jìn)行組裝以達(dá)到既省時又經(jīng)濟(jì)安全的施工效果。

3 盾構(gòu)機(jī)吊裝施工

根據(jù)1#始發(fā)井場地情況及盾構(gòu)機(jī)各部件重量，確定吊機(jī)組合及站位情況。盾體最重部件為主驅(qū)動，重達(dá)153 T。因此，以此為最不利條件確定吊裝施工方案。通過對吊機(jī)參數(shù)及各施工資料進(jìn)行分析，確定兩種配合方案，方案比選如表1所示。

由表中對比可知，兩種方案各有優(yōu)勢。方案1安全系數(shù)高，但費(fèi)用較高；方案2安全系數(shù)略小，但費(fèi)用減少一半。因此采用方案2，節(jié)約成本的前提是確保吊裝安全系數(shù)。通過研究，若能使兩臺吊機(jī)在吊裝過程中受力均勻，便能保證吊裝安全系數(shù)。此處，利用滑輪組原理，排除人為操作造成的風(fēng)險，確保兩臺吊機(jī)承受荷載一致。盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部復(fù)雜結(jié)構(gòu)為吊裝帶來了一定的困難。

3.1 主驅(qū)動吊裝

主驅(qū)動吊裝施工時，因重量大，且吊裝力臂長，在吊裝翻身過程中極易因為超載而導(dǎo)致傾覆。因此，特巧妙利用翻身工樁，避免了主驅(qū)動在翻身時造成單個吊機(jī)超負(fù)荷的風(fēng)險。

吊裝過程中，用兩臺吊機(jī)分別吊住主驅(qū)動上部兩個吊耳。并在主驅(qū)動底部安裝專用翻身工裝，如圖所示。當(dāng)主驅(qū)動吊離地面時時，拆除翻身工具。250 t履帶吊與300 t汽車吊同時擺臂直至到達(dá)井口上方吊裝位置，慢慢將主驅(qū)動放于A環(huán)下部的主驅(qū)動位置上并用定位螺絲連接定位。

在吊裝過程中，對吊機(jī)站位區(qū)域及始發(fā)井結(jié)構(gòu)布設(shè)多個監(jiān)控點(diǎn)，及時控制地面沉降。一旦發(fā)現(xiàn)沉降，立即停止吊裝施工。

3.2 CD環(huán)吊裝

CD環(huán)結(jié)構(gòu)特殊，內(nèi)置24個推進(jìn)千斤頂，總重約130 t。CD環(huán)長度1 515 mm，而千斤頂長度為3 860 mm。由此可見，吊裝重心不在CD環(huán)片體上，而在油缸長度范圍內(nèi)。但因油缸結(jié)構(gòu)限制不能作為受力點(diǎn)，因此導(dǎo)致CD環(huán)吊裝重心難以掌控。按照技術(shù)支持單位三菱公司提供CD環(huán)組裝方案，CD環(huán)連帶油缸成片體組裝下井，垂直水平梁單獨(dú)安裝。通過多次研究討論，充分考慮工期及吊裝安全，此種方案有多個弊端：①重心無法掌控，吊裝中極易發(fā)生變形；②垂直水平梁拆卸后定位困難，安裝難度大；③操作復(fù)雜，工期時間長，不滿足盾構(gòu)機(jī)組裝工期要求。

為解決以上困難，結(jié)合場地實際情況研究決定采取如下方案：將CD環(huán)油缸全部拆除，垂直水平梁與C-D環(huán)片體連帶整體下井的方式，比三菱公司提供的組裝方案節(jié)省了6 d時間。

具體實施方案為：

①油缸全部拆除，片體2、4分別連帶垂直水平梁整體吊裝，避免了拆裝垂直水平梁定位的困難。②油缸安裝。CD環(huán)片體1、2、3、4及垂直水平梁定位安裝好后，依次安裝24個油缸。③整體安裝完畢，所需工期為4 d，且吊裝、安裝過程中未發(fā)生任何變形，定位偏差控制在±2 mm。

4 盾體焊接施工

盾體焊接工作量大（共198 m）、焊縫種類多、焊接形式復(fù)雜，且變形量不易于控制。焊縫工程量統(tǒng)計如表4所示。對于脆性材料的焊接，由于材料不能進(jìn)行塑性變形，隨著外力的增加，構(gòu)件不可能產(chǎn)生應(yīng)力均勻化，所以在加載過程中應(yīng)力不斷增加。當(dāng)應(yīng)力峰值達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時，局部發(fā)生破壞，最后導(dǎo)致構(gòu)件整體破壞。因此焊接過程中，采取了一系列措施重點(diǎn)減小焊接殘余應(yīng)力。

采用合理的裝配、焊接順序及方向：①鋼板拼接焊縫的焊接；②同時存在收縮量大和收縮量小的焊縫時，先焊收縮量大的焊縫；③工作時受力較大的焊縫應(yīng)先焊；④平面交叉焊縫的焊接。先焊對接立焊縫，然后焊角焊縫；先焊縱向焊縫，再焊橫向焊縫。

縮小焊接區(qū)與結(jié)構(gòu)整體之間的溫差（預(yù)熱法、冷焊法），對于組裝過程中的縱縫及環(huán)縫的焊接采取如圖1所示焊接順序。

4.1 縱縫焊接施工質(zhì)量控制措施

①為避免母材焊縫出現(xiàn)缺陷，每條開端焊縫，根據(jù)母材板厚裝配同材質(zhì)的引弧板和熄弧板，引弧板要保持與坡口形狀一致，尺寸一般采用50×50 mm，在引弧板上預(yù)先調(diào)整好電流和電壓。②片體之間縱縫應(yīng)對稱焊接（四條縱縫），外部填充之后焊接內(nèi)部，內(nèi)部焊完再進(jìn)行外部焊接。焊接之前要進(jìn)行加熱處理，所需預(yù)熱溫度取決于板厚（預(yù)熱溫度一定要在距焊縫剖面50 mm距離處測量）。③縱縫在長度方向應(yīng)分段焊接，500～600 mm一段，由中間向兩端焊接，以減小焊接造成的變形。④EF環(huán)不同于其他環(huán)，分為三個片體。因此，焊接過程保證3條焊縫同時進(jìn)行，且以同樣的方式分段，焊接速度保持一致（電流、電壓保持一致）。

4.2 環(huán)縫焊接施工質(zhì)量控制措施

①EF環(huán)與CD環(huán)焊接時，采取段焊方式，同向循環(huán)焊接，且保證兩個焊點(diǎn)在對角線上。②A環(huán)、B環(huán)焊接時，第一層焊縫從下往上焊接，第二層采取段焊方式，同向循環(huán)焊接，且保證兩個焊點(diǎn)在對角線上。

4.3 焊縫質(zhì)量檢驗措施

①外觀檢測。焊縫不得存在未滿焊、根部收縮、咬邊和接頭不良的等缺陷；不得存在表面氣孔、夾渣、裂紋和電弧擦傷等缺陷。②超聲波探傷、磁粉探傷。③焊角尺寸≤8 mm的水密焊縫要進(jìn)行著色探傷（PT），其它水密焊縫要嚴(yán)格進(jìn)行外觀檢查。

5 結(jié) 語

隨著地下空間的開發(fā)利用和城市市政綜合管線的建設(shè)，全世界盾構(gòu)隧道也逐漸呈現(xiàn)出“大、長、深”的發(fā)展趨勢。伴隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的迫切需要，越來越多的大直徑盾構(gòu)隧道工程即將或正處于施工階段。近年來，局盾構(gòu)施工停留在直徑Ф6 250 mm領(lǐng)域。此次Ф8 780大盾構(gòu)施工，是首次自主生產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)，首次參與大鐵建設(shè)項目，首次進(jìn)行大盾構(gòu)施工。因此，對大盾構(gòu)施工技術(shù)的研究任重道遠(yuǎn)。

本課題針對地下隧道盾構(gòu)施工領(lǐng)域大盾構(gòu)組裝施工的特點(diǎn)難點(diǎn)，有重點(diǎn)有方向的以技術(shù)創(chuàng)新為核心，以縮短工期、節(jié)約成本為目標(biāo)，對盾構(gòu)機(jī)焊接、組裝施工技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，在相關(guān)領(lǐng)域創(chuàng)造了全新的記錄，為日后的大盾構(gòu)組裝施工技術(shù)提供了非常寶貴的參考經(jīng)驗。

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