在控制上下重疊盾構(gòu)隧道施工變形中鋼拱頂滾輪臺車技術(shù)運(yùn)用研究

代竟，李林，李能棟，楊先彬，蔣忠全，洪濤

（中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司，廣東 深圳 518000）

1 工程概況

天津地鐵5號、6號線文化中心部分1標(biāo)位于南開區(qū)與河西區(qū)交界處，盾構(gòu)區(qū)間概況見圖1所示。區(qū)間重疊隧道結(jié)構(gòu)形式見圖2所示。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間概況示意圖

在盾構(gòu)施工過程中，隨著盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)，周圍土體產(chǎn)生變化，使地面、建筑物隨之變形。

本標(biāo)段4個(gè)區(qū)間疊線段隧道總長約為3488m，將近占區(qū)間總長度7734m的一半。

圖2 重疊隧道關(guān)系圖

2 區(qū)間重疊隧道受力分析

在重疊上面隧道施工期間的下面隧道工況分析，所受載荷最大載荷為盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)中部工況。本標(biāo)段重疊隧道之間的距離都小于掘進(jìn)機(jī)的二倍的距離，按全土壓進(jìn)行計(jì)算：巖土容重：γ=20．2kN/m3，盾構(gòu)機(jī)自重390T。經(jīng)過計(jì)算重疊隧道下隧道均布載荷壓應(yīng)力為281kPa。

3 鋼拱頂滾輪臺車設(shè)計(jì)

根據(jù)下方隧道受力計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)普通管片無法滿足受力要求。對于全鋼結(jié)構(gòu)支撐情況下，下方隧道需要停止施工，嚴(yán)重影響工期，鋼結(jié)構(gòu)支撐洞內(nèi)裝拆難度極大

鋼拱頂滾輪臺車支撐方案：通過行走油缸推進(jìn)，使鋼拱頂滾輪臺車隨盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)而同行，并保持一定的同步性，在盾構(gòu)機(jī)前、后端盾構(gòu)機(jī)主機(jī)長度同具有支撐故鋼拱頂滾輪臺車為3倍盾構(gòu)機(jī)主機(jī)長度。同時(shí)，不影響下方隧道施工，臺車加工成門架型（圖4），方便管片運(yùn)輸、出碴。

（1）在隧道斷面上半部設(shè)計(jì)有5個(gè)液壓支撐滾輪油缸，均勻分布。

（2）左、右兩邊水平支撐滾輪油缸在隧道的水平線上，有效地避開了隧道通風(fēng)管、水、污、電、照明、走道系統(tǒng)。

（3）鋼拱頂滾輪臺車每組門架支撐的間距與管片寬度相同。鋼拱頂滾輪臺車單節(jié)長度6米。

（4）單節(jié)鋼拱頂滾輪臺車的下縱梁處之間，在用左、右2組4根交接推力油缸連接。

（5）立柱之間用×字穩(wěn)定鋼結(jié)構(gòu)連接。拱頂門架上部，用兩根橫梁連接組成一個(gè)作業(yè)平臺。

（6）支撐油缸與兩組4個(gè)滾輪采用活動(dòng)鉸接，以適應(yīng)隧道轉(zhuǎn)彎與起伏。

（7）兩組4個(gè)滾輪必須跨越管片縫，避開螺栓的手孔位置。

（8）剛性滾輪外層為聚酯橡膠，防止在受力滾動(dòng)中撞擊而損壞管片。

（9）每節(jié)鋼拱頂滾輪臺車一個(gè)獨(dú)立的液壓站，同一方向油缸一個(gè)控制閥，便于隨時(shí)根據(jù)外力變化進(jìn)行調(diào)整。每組操作閥上安裝液壓表，及時(shí)發(fā)現(xiàn)壓力的變化。

（10）末節(jié)鋼拱頂滾輪臺車的主推油缸，支撐在鋼軌上，采用卡規(guī)鎖死的方式。

圖3 鋼拱頂滾輪臺車

特點(diǎn)是對已完成的隧道進(jìn)行保護(hù)，防止因其他外力作用下，隧道變形、發(fā)生崩裂或坍塌。同時(shí)，根據(jù)外力的變化，可以進(jìn)行預(yù)先調(diào)整其被受力支撐滾輪的力量大小，支撐隧道壁，保持受力平衡，并根據(jù)外力移動(dòng)速度大小，平穩(wěn)地沿隧道縱向移動(dòng)滾輪支撐臺車。

根據(jù)鋼拱頂滾輪臺車的使用情況，鋼拱頂滾輪臺車在下洞支撐時(shí)，所頂支架臺車頂部受力最大。鋼拱頂滾輪臺車上頂油缸、側(cè)向油缸、支撐門架及管片隧道面形成一個(gè)支撐的空間，其間的水泥管片是固體剛性結(jié)構(gòu)狀態(tài)。

4 滾輪受力分析

4.1 拱頂門架

當(dāng)拱頂門架臺車為支撐狀態(tài)時(shí)，側(cè)向構(gòu)件油缸只受水平方向上的受力，且左右平衡分解相等，主要的壓力為上部的正壓力（如4圖）。

圖4 鋼拱頂滾輪臺車門架受力圖

當(dāng)支撐水泥管片時(shí)，拱頂門架要承受頂部管片的重力，而側(cè)部不受水泥管片重力，這時(shí)候，管片的重力計(jì)算如下：

G=pvg

=2．45×103×9．8×(3．1-2．75)×3．14×120° ×2/360°×6

=2932kN

盾構(gòu)機(jī)前部盾頭為最重，前盾總重量為230T，計(jì)2300kN。

故：鋼拱頂滾輪臺車總承受力為

2932+2300=5232kN

4.2 重要部件與零件受力計(jì)算

拱頂支架臺車每6米為4榀弓骨架，8件立柱。且均為雙腹板焊接：

N=F/n=5232/8=654kN

δ=[N/S]=654×103/0．32 =7266666N ≈ 7．3MPa

而[δs]=235MPa材料為Q235-B碳素結(jié)構(gòu)鋼

δ＜[δS]，故滿足強(qiáng)度條件。

4.3 零件截面積為500×300雙腹板

F=150kN

δ=F/S

=150×103/3×0．012+(0．012×0．476×2)

=3．2×106Pa

=3．2MPa

而[δs]=235MPa材料為Q235-B碳素結(jié)構(gòu)鋼

δ＜[δS]，故滿足強(qiáng)度條件。

5 鋼拱頂滾輪臺車安裝

5.1 鋼軌鋪設(shè)

（1）軌枕。軌枕高度為200mm，采用工字鋼或H鋼制做弧形。一端定隧道運(yùn)輸系統(tǒng)內(nèi)弧形軌枕，并用螺栓連接形成一個(gè)整體，鋪設(shè)后固定軌枕防止側(cè)滑。

（2）鋼軌。鋼軌型號50kg/m（高度152mm），要求側(cè)彎≤10mm/12．5m，如果側(cè)彎過大，臺車行走時(shí)輪緣會卡住鋼軌并向側(cè)向擠壓移位，引起鋼軌中心偏差增大，并可能造成脫軌。對應(yīng)與底板標(biāo)高施工誤差，鋼軌鋪設(shè)后要求軌面標(biāo)高誤差≤±10mm，且臺車行走輪處（四點(diǎn)）軌面平面度不得超過10mm，否則，可能造成行走困難。

（3）鋼軌連接。每兩條鋼軌連接處下方必須設(shè)置軌枕，連接頭間隙不得大于5mm，連接頭錯(cuò)臺不得大于2mm，否則，可能造成臺車行走輪無法逾越接頭。每兩條鋼軌連接處下方必須設(shè)置軌枕，連接頭間隙不得大于5mm，連接頭錯(cuò)臺不得大于2mm，否則，可能造成臺車行走輪無法逾越接頭。

5.2 鋼拱頂滾輪臺車安裝

鋼拱頂滾輪臺車在空曠地面的進(jìn)口進(jìn)行單節(jié)拼裝。

（1）在地面上放2條鋼軌，先將行走輪與下縱梁連接，并放至在軌道上，用三角支撐進(jìn)行固定，防止倒塌。

（2）立柱與∩梁連接成拱形門架，并吊裝上在下縱梁上。

（3）用縱向橫梁、×字架連接拱形門架。

（4）支撐油缸與滾輪連接成滾輪組，安裝在拱形門架上。注意油缸行程為零，采用加裝臨時(shí)支撐固定塊，防止?jié)L輪組在吊裝過程中晃動(dòng)。

（5）單組鋼拱頂滾輪臺車從井口調(diào)入車站內(nèi)，由電瓶車牽引至洞內(nèi)。

（6）安裝每節(jié)之間的推力油缸，以及主推油缸。并調(diào)試液壓系統(tǒng)。

（7）操作手動(dòng)換向閥手柄，調(diào)整左右水平支撐油缸調(diào)整支撐臺車的位置，使鋼拱頂滾輪臺車的中心線與隧道中心線對齊。

（8）操作手動(dòng)換向閥手柄，使推力油缸平移。調(diào)整滾輪支撐臺車使管片縫在單組滾輪的中間。嚴(yán)禁滾輪壓住管片連接縫。

（9）操作手動(dòng)換向閥手柄，使側(cè)向油缸撐出，同時(shí)，調(diào)節(jié)節(jié)流閥，滾輪至預(yù)定位置。注意觀察每組支撐油缸的壓力表。

（10）夾緊卡軌器，將基礎(chǔ)千斤頂撐于鋼軌上并旋緊頂。啟動(dòng)電機(jī)，操作所有動(dòng)作檢查是否順暢。

6 監(jiān)測重點(diǎn)和內(nèi)容

據(jù)本工程線路的特點(diǎn)及施工過程中相互影響程度，在實(shí)驗(yàn)段選取10個(gè)典型斷面進(jìn)行監(jiān)測，每個(gè)斷面連續(xù)監(jiān)測兩環(huán)管片，監(jiān)測范圍取典型斷面前后50m。先行隧道施工至典型斷面時(shí)首先取得初始值，后行隧道通過典型斷面時(shí)，對管片的受力、位移及地表變形情況進(jìn)行監(jiān)測，特別對重疊隧道的受力及變形情況進(jìn)行加密監(jiān)測。

（1）地面監(jiān)測點(diǎn)布置均需要進(jìn)行開孔處理，即在地面用水鉆開取直徑120mm的孔，將地面硬殼破除，再將鋼筋植入原土層中，其頂部低于地面5cm。

（2）管線測點(diǎn)布置在線路中線10m范圍內(nèi)的地下管線（然氣、給水、污水、雨水）上每隔15～30m左右布設(shè)一個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)（根據(jù)管線與隧道位置關(guān)系定布點(diǎn)間距），管線與隧道平行距離較近時(shí)，將管線與地表沉降監(jiān)測點(diǎn)共用。

（3）建筑物沉降傾斜監(jiān)測：根據(jù)隧道掘進(jìn)對周邊建筑物的影響范圍，沉降、傾斜觀測點(diǎn)的布設(shè)應(yīng)能全面反映建筑物地基變形特征，結(jié)合我區(qū)間建筑結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，點(diǎn)位宜選設(shè)在下列位置，建筑物的四角、核心筒四角、大轉(zhuǎn)角處及沿外墻直線邊位于主要影響區(qū)時(shí)10～15m，或每隔2根承重柱布設(shè)1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)；位于次要影響區(qū)時(shí)，監(jiān)測點(diǎn)沿外墻間距15～30m，或每隔2～3根承重柱布設(shè)1個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。

（4）管片應(yīng)力監(jiān)測：測點(diǎn)布置管片混凝土澆筑前，在管片上安裝8個(gè)鋼筋應(yīng)力計(jì)，共四個(gè)位置，每個(gè)位置安裝2個(gè)鋼筋應(yīng)力，與隧道鉛垂線相交成45°。

（5）管片環(huán)縫應(yīng)變監(jiān)測：測點(diǎn)布置管片拼裝完成后，并保證后配套全部脫離管片后，在管片內(nèi)側(cè)安裝4片光纖光柵傳感器，傳感器安裝時(shí)，避開封頂安裝。

（6）鋼拱頂滾輪臺車支撐軸力監(jiān)測：鋼拱頂滾輪臺車撐腿上安裝光纖光柵傳感器，鋼拱頂滾輪臺車共計(jì)10拼，每隔一品布設(shè)一組傳感器，一組傳感器為5個(gè)測點(diǎn)，傳感器布設(shè)如下圖所示。光纖光柵傳感器安裝采用焊接方式，在撐腿的伸縮油缸處焊接光纖光柵傳感器。采用光纖光柵解調(diào)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

盾構(gòu)施工過程中，隨著盾構(gòu)的掘進(jìn)，周圍土體產(chǎn)生變化，使地面、建筑物隨之變形以及隧道的變形。如發(fā)現(xiàn)地面及建筑物沉降加速或差異沉降（傾斜）顯著時(shí)，應(yīng)及時(shí)向施工方及監(jiān)理方報(bào)警，采取相應(yīng)措施，如加固、調(diào)整施工參數(shù)或控制施工進(jìn)度，做到以監(jiān)測信息指導(dǎo)施工，確保施工安全。

7 鋼拱頂滾輪臺車支撐

鋼拱頂滾輪臺車進(jìn)入受力區(qū)之前，要對隧道進(jìn)行一次全面的檢查。對隧道的管片已形成的錯(cuò)臺，裂紋進(jìn)行修補(bǔ)。防止鋼拱頂滾輪臺車受力通過時(shí)，裂紋加大，使之管片破碎，照成隧道風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)上隧道掘進(jìn)情況決定是否需要加力。當(dāng)上隧道即將進(jìn)入受力區(qū)，提前啟動(dòng)電機(jī)，對隧道壁進(jìn)行預(yù)先加力盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)必須保持一個(gè)恒定值，嚴(yán)防推力過大。

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，時(shí)刻觀察鋼拱頂滾輪臺車每組液壓系統(tǒng)壓力表、每組支撐油缸壓力表的數(shù)字變化，以及光纖光柵解調(diào)儀的數(shù)據(jù)變化。當(dāng)出現(xiàn)變化時(shí)，及時(shí)調(diào)整壓力，保持支撐力。如出現(xiàn)突然波動(dòng)較大，馬上查找原因及時(shí)解決。

8 鋼拱頂滾輪臺車行走

盾構(gòu)機(jī)操作室與鋼拱頂滾輪臺車移動(dòng)操作者一定保持聯(lián)絡(luò)暢通，統(tǒng)一由監(jiān)控室進(jìn)行指揮，確保盾構(gòu)與隧道安全的情況下進(jìn)行。

（1）鋼拱頂滾輪臺車移動(dòng)必須是盾構(gòu)機(jī)非掘進(jìn)狀態(tài)下，例如，管片拼裝時(shí)。

（2）首先，松開基礎(chǔ)千斤，查看每組支撐滾輪油缸的壓力表，是否有變化。如果發(fā)現(xiàn)壓力值有波動(dòng)，必須進(jìn)行壓力補(bǔ)償，保證支撐力，馬上查找原因及時(shí)解決

（3）每節(jié)鋼拱頂滾輪臺車從最前端開始移動(dòng)，分步進(jìn)行。每次移動(dòng)的距離小于每節(jié)鋼拱頂滾輪臺車之間推力油缸最大行程。

（4）在隧道曲線上，注意控制左、右油缸的力度大小。防止轉(zhuǎn)彎過大，使單邊滾輪受力過大，鋼拱頂滾輪臺車被卡和損壞管片。

（5）鋼拱頂滾輪臺車移動(dòng)完成的距離為管片寬度的整數(shù)倍，滾輪支撐點(diǎn)選擇避開管片連接縫、手孔螺栓位置。

（6）鋼拱頂滾輪臺車推力前行時(shí)，滾輪上支撐力不能卸力前行。

（7）鋼拱頂滾輪臺車行走前，一定要松開卡軌器，鋼拱頂滾輪臺車即可行走。

（8）鋼拱頂滾輪臺車行走完成，一定要旋緊卡軌器，放下基礎(chǔ)千斤并旋緊。

（9）盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入重疊段時(shí)一定要平穩(wěn)、連續(xù)，嚴(yán)格控制其姿態(tài)。如果需要調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，避免糾偏過大。

（10）每班交接必須將盾構(gòu)機(jī)的參數(shù)，鋼拱頂滾輪臺車的液壓表參數(shù)、光纖光柵解調(diào)儀數(shù)據(jù)進(jìn)行登記交接，并進(jìn)行比較分析、總結(jié)。

9 結(jié)語

通過在重疊隧道中的下隧道架設(shè)鋼拱頂滾輪臺車，能使下隧道收斂變化值相對較小，基本控制在2mm之內(nèi)，完全達(dá)到保護(hù)下隧道的安全，值得推廣運(yùn)用。