超大直徑盾構機海底無損拆解及配套土建方案研究

吳 強

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308)

引言

水下長大隧道建設過程中，由于工程、水文地質條件限制及隧道貫通工期要求，近年來多采用“兩頭兩臺盾構機相向掘進”或“一頭鉆爆一頭盾構掘進”方案[1]。

在上述工況背景下，盾構機掘進完成后均須面臨吊裝拆解及運出需求，北京地鐵14號線、廈門地鐵3號線、北京地下直徑線等既有項目中曾采用盾構脫殼解體運出方案，即將盾構主機外殼留在地下，以盾殼為起吊點，將刀盤、主驅動、螺旋輸送機、臺車等進行拆解運送。由于操作空間狹小、盾殼起吊支撐能力有限，拆解過程多為“暴力拆機”，尤其刀盤和主驅動等主要構件多被零散分割，后續重復拼裝利用難度大，設備殘值損耗嚴重[2-3]。

基于既有技術方案的局限性[4]，結合某超大直徑盾構海底隧道建設實例，通過設置海底大跨度拆解洞室實現超大直徑泥水盾構機的無損整體拆解及吊運。該實施方案既需重點考慮海域超高水壓條件下大跨度拆解洞室的施工方案安全，同時，需結合超大直徑盾構機構件尺寸及質量對拆解吊運技術進行研究[5-6]。

1 超大盾構無損拆解關鍵技術

該項目盾構機外徑接近15 m，其中，主機長15.6 m，1～4號臺車長13～30 m，主要構件尺寸及質量如表1所示。

表1 盾構機主要構件尺寸及質量參數

1.1 盾構機洞內拆解流程

考慮拆解后從盾構機后部運輸出洞，盾構機主機拆解流程不能按照以往的方式施工(從上至下、從前往后)。應以“從后往前、先拆有阻礙的部件”為原則[7-9]，按照以下拆解流程進行洞內盾構機主機、后配套拖車拆解，如圖1所示。

圖1 盾構機主機及后配套臺車示意

主機：盾尾頂塊→拼裝機→行走梁→盾尾其余分塊→盾體頂部3個分塊→刀盤分塊→刀盤中心塊(暫放拆解洞室內)→盾體側邊2個分塊→井子架上半部→主驅動(暫放拆解洞室內)→井子架下半部→盾體其余分塊→刀盤中心塊→主驅動。

后配套拖車：四號拖車→三號拖車→二號拖車→橋架→一號拖車。

1.2 盾構機洞吊裝設備參數設計

橋吊主鉤配置220 t+220 t，主要配置參數[10]如下。

①吊機左右軌道間距17.4 m，縱向總長10 m；②吊機行走軌道面距離拆解洞底板18.107 m；③兩個220t主鉤中心最小間距3 m，單個主鉤中心橫向間距側墻最小間距1.2 m，單個主鉤中心垂直距離吊機行走軌道面最小距離1.223 m，單個主鉤中心縱向距離側墻最小間距5 m。

1.3 盾構機主機關鍵構件拆解設計

盾構機主要構件可分解為40余件，重點選取典型大尺寸、大質量的部件進行拆解設計方案研究。

(1)盾構機停機位置確認

盾構機停機位置須充分考慮各部位拆解所需空間，最大化利用拆解洞吊機吊裝范圍，盡量將盾構機主機向前推進。主機前方空間作為刀盤中心塊臨時存放區域且確保刀盤與中心錐吊裝不沖突。由于吊機縱向限位距離墻邊5 m，故停機位置刀盤吊點距離拆解洞墻面5 m處。刀盤吊點距離刀盤面1.5 m，故盾構機停機位置刀盤面距離(4 m-1.5 m)+5 m=7.5 m。此時盾尾距離拆解洞墻面6.825 m，由于拼裝機行走梁超出盾尾，實際整個盾體距離拆解洞墻面4.39 m。具體位置如圖2所示。

圖2 盾構機停機位置示意(單位：m)

(2)頂部盾尾吊裝(長12 m，寬5.9 m，高3.23 m，質量70 t)

車型：8×2(SPMT)；車輛輪胎數：64個(按照箱涵荷載可裝載75 t)，車板規格12.4 m×3 m，施工平臺12.4 m/2+5 m=11.2 m。盾尾頂塊(長12 m，寬5.9 mm)拆解后通過吊機雙鉤四點起吊，先放在鋼結構平臺上，通過吊機旋轉90°后裝車。吊裝、運輸示意如圖3所示。

圖3 盾尾頂塊吊裝示意

(3)刀盤中心塊吊裝(長8.8 m，寬8.7 m，高4 m，質量192 t)

車型：12×4(SPMT)；車輛輪胎數：192個(按照箱涵荷載可裝載225 t)，車板規格18.6 m×6.4 m，施工平臺18.6 m/2+5 m=14.3 m。刀盤中心塊質量192 t。刀盤中心塊拆解前需在拆解洞盾構機前方擺放鋼托架或其他方式，確保刀盤中心塊拆解后可豎直方向平穩地放在托架上。刀盤中心塊采用單鉤雙吊點起吊，吊裝需先向前方移動，確保刀盤的中心回轉體從中心錐內完全脫出后，再下降至托架上垂直放置作臨時存放。刀盤中心塊吊裝、運輸示意如圖4所示。

圖4 刀盤中心塊吊裝示意(單位：m)

(4)主驅動吊裝(主驅動伸縮環長9.38 m，寬8 m，高1.85 m，質量75t；主驅動本體長7.61 m，寬7.61 m，高2.3 m，質量210t)

車型：12×4(SPMT)；車輛輪胎數：192個(按照箱涵荷載可裝載225 t)，車板規格18.6 m×6.4 m，施工平臺18.6 m/2+5 m=14.3 m。

主驅動吊裝前頂部需安裝吊耳工裝，主驅動中心與吊耳中心垂直距離4.643 m，主驅動中心距離吊鉤中心9.249 m，吊鉤中心距離吊耳中心垂直距離為9.249 m-4.643 m=4.606 m。主驅動向后運輸需跨越井子架下半部，提升高度至少4 m，考慮卸扣、鋼絲繩、吊裝角度等因素影響，將主驅動暫時存放在盾體前側立。主驅動立著寬度4.73 m(工裝寬度)+前后支撐安全距離各0.5 m=5.73 m。主軸承吊裝示意如圖5所示。

圖5 主軸承吊裝示意(單位：m)

2 盾構機無損拆解吊運施工空間要求

某海底隧道超大直徑泥水平衡盾構機(外徑近15 m)掘進約2 km后在海底與鉆爆法段落對接，由于該盾構機掘進里程短、設備殘值高，為實現該盾構機的無損拆解，需洞室具備足夠的空間進行超大、超重設備構件整體吊裝[11]。

拆解洞室采用直墻拱形結構，斷面尺寸為19.1 m(寬)×24.21 m(高)，縱向(沿線路方向)長30 m。該洞室底板距離海平面約85 m，地層為弱風化花崗巖地層，橫斷面如圖6所示。

圖6 拆解洞室結構橫斷面示意

3 海底大盾構無損拆解洞室設計方案

考慮到海域高水壓環境及大斷面開挖，須實現圍巖與支護的協同受力及快速支護需求，開挖過程中采用鋼拱架、25 cm聚丙烯纖維噴射混凝土、預應力錨索+預應力錨桿方案，具體參數[11]如表2所示。

表2 拆解洞室支護參數

施工過程中關鍵參數及控制工藝[12]包括：①控制爆破+光面爆破相結合，控制爆破振速在5 cm/s，減少對圍巖擾動，避免形成新的滲水裂隙通道；②圍巖變形過大時進行鋼拱架間距加密，變形如仍然難以收斂，設置臨時仰拱或橫撐；③噴射混凝土強度等級提高至C30且須摻加聚丙烯纖維，摻量2.7 kg/m3，提高穩固變形能力；④錨索及錨桿施加預應力，其中，拱部φ32 mm預應力錨索，初始應力為120 kN，拱部φ32 mm漲殼式預應力中空注漿錨桿，初始預應力為60 kN，邊墻φ32 mm漲殼式預應力中空注漿錨桿根據長度預應力控制在50～80 kN。

4 大跨度海底洞室施工技術及安全風險分析

4.1 開挖施工控制工序[13]

海域超大斷面洞室開挖需考慮圓形隧道斷面和直墻拱形洞室的施工銜接過渡，同時在海域背景下盡量降低開挖擾動、減小開挖跨度。按照“漸變過渡、由上向下、先正后反、先外后內再中間”的流程進行組織，工序依次為：①由海域礦山段隧道漸變過渡至拆解洞室頂部，當到達拆解洞終點里程時，斷面形式變化為拆解洞上臺階斷面；②沿拆解洞拱部進行反向擴挖；③開挖拆解洞中臺階，并在大里程端預留盾構空推段開挖條件；④開挖拆解洞下臺階和海域礦山段，并在大里程端預留盾構空推段開挖條件；⑤盾構機完成管片拼裝，進入拆解洞，完成盾構機拆解工作；⑥采用C20素混凝土回填拆解洞底部，對拆解洞進行輕質泡沫混凝土分層回填。主要工序示意如圖7所示。

圖7 拆解洞室施工工序平、縱、橫斷面示意

4.2 施工安全分析

采用有限元分析軟件建立三維模型對施工全過程進行分析評估，獲取隧道在施工過程中的圍巖巖體位移情況，進而對圍巖初支體系的安全性[14-16]進行檢算評估。

模型水平方向計算范圍不小于洞室5倍跨度，縱向取200 m，垂直方向向上取至地表、向下取至洞室高度3倍范圍。地層為弱風化花崗巖，彈性模量8.37×103MPa/m，泊松比0.25。模型中圍巖及結構單元類型、本構模型及所用材料如表3所示。

表3 模型單元參數

具體模擬施工步序為：

(1)初始地應力平衡，位移清零；

(2)海域礦山段全斷面開挖，施工初支；

(3)進入拆解洞，變斷面斜向上開挖，施工臨時初支；

(4)拆解洞室上臺階開挖，施工初支，拆除變斷面部分的臨時初支；

(5)拆解洞室中臺階開挖，施工初支；

(6)拆解洞室下臺階開挖，施工初支。

計算模型及主要工序圍巖位移變化云圖如圖8、圖9所示。

圖8 拆解洞室施工安全分析三維模型

圖9 施工過程中圍巖位移變化云圖

根據計算結果可知：①過渡開挖過程中，隧道和洞室交界里程拱頂沉降最大；②隨著開挖高度增加，隧道拱頂沉降和底部隆起均小幅增加；③弱風化花崗巖直立性較好，洞室水平位移變化較小；④開挖過程及時施作初期支護可有效控制圍巖變形。

5 無損拆解方案經濟技術分析

(1)海底大跨度拆解洞室的設置可充分發揮設備起吊能力，對超大直徑盾構機進行“整體無損”拆解，減小以往“暴力拆機”對盾構殘值的損害。該工程中盾構機推進2 km后采用整體拆解方案將相對“暴力拆機”方案節省投資約2億元(按掘進壽命10 km考慮，并納入拆解洞及吊裝費用)。

(2)施工過程中通過對拆解洞設置里程的調整，既可以在盾構掘進順利時充分發揮盾構工法的優勢，又可以在盾構頻繁換刀停機等情況下彌補其進度滯后的不足，從而保證隧道按時貫通。

6 結論

(1)超大直徑盾構機進行“整體無損”拆解，與傳統“脫殼拆解”方式相比，可最大程度保留設備殘值、降低工程投資，同時通過發揮拆解洞室位置靈活可調的優點，能有效確保隧道按時貫通。

(2)拆解洞室空間的設置需基于盾構機停機位置，最大化利用吊機吊裝范圍，并結合不同構件尺寸、吊機走行空間、吊點布設、吊裝角度、臨時擺放及拖車轉運空間等影響因素進行綜合考量。

(3)針對超大直徑盾構機大尺寸、大質量構件，首次在海底擴大洞室內采用特種橋吊設備，基于不同位置、尺寸、質量的構件專項拆解工藝，以順利實現盾構機構件的無損拆解吊運。

(4)海域嚴苛環境下采用“漸變過渡、由上向下、先正后反、先外后內再中間”的開挖工序，結合鋼架、噴混、預應力錨索錨桿支護體系可有效降低洞室變形，確保方案安全落地。