盾構(gòu)機(jī)空推穿越既有地鐵車站施工技術(shù)研究

林成恕

（中交隧道工程局有限公司，北京 100024）

1 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，地鐵工程的建設(shè)日益增加[1-2]。在地鐵工程中為了縮短工期，多是地鐵車站與地鐵隧道同時(shí)進(jìn)行建設(shè)[3-5]。建設(shè)地鐵隧道使用的盾構(gòu)機(jī)在一個(gè)區(qū)間完成后，需要在地鐵車站空推過站到車站另一端，進(jìn)行下一個(gè)區(qū)間的隧道建設(shè)[6]。相比地上工程，地下工程施工空間小，且盾構(gòu)機(jī)的體積及自重較大[7-9]，盾構(gòu)機(jī)空推過站成為地鐵建設(shè)的難題之一。

本文基于哈爾濱市軌道交通3號線二期工程清真寺站～靖宇五道街站區(qū)間工程，對盾構(gòu)機(jī)空推過站全過程施工技術(shù)進(jìn)行研究，并采用Midas civil軟件，對盾構(gòu)機(jī)空推接收裝置（鋼套筒）的承載力進(jìn)行有限元分析，以驗(yàn)證鋼套筒在盾構(gòu)空推過程中承載力的可靠性。

2 工程概況

哈爾濱市地鐵3號線二期工程為清真寺站～靖宇五道街站區(qū)間。清真寺站～靖宇五道街站區(qū)間出清真寺站后，沿靖宇街下方向西南敷設(shè)，以R-2000曲線半徑略微調(diào)整之后接入靖宇五道街站，區(qū)間右線長約653.534m。左線長約652.644m，短鏈 0.888m。采用 2臺由靖宇公園站～清真寺站區(qū)間掘進(jìn)后，在清真寺站完成過站的泥水盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。盾構(gòu)機(jī)在清真寺站東端頭接收后，將盾構(gòu)機(jī)盾體與臺車斷開，盾體連帶鋼套筒一同平移至清真寺站西端頭準(zhǔn)備清真寺站～靖宇五道街站區(qū)間的始發(fā)。

3 施工方案

3.1 施工過程

盾構(gòu)過站路線見圖1所示。將后配套退回隧道內(nèi)，采用繩鋸將過渡環(huán)處管片進(jìn)行切割，斷開盾體與隧道之間的連接，同時(shí)將接收反力架及鋼套筒前端蓋進(jìn)行拆除，清除刀盤前填料。為確保鋼套筒能夠順利平移至車站標(biāo)準(zhǔn)段，需采用2組200t千斤頂在端頭井內(nèi)對鋼套筒進(jìn)行橫向頂推平移。平移至能夠滿足頂推至標(biāo)準(zhǔn)段的位置后，在鋼套筒托架預(yù)留的反力支座處安裝8組100t千斤頂，對盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行頂升，頂升后支墊縱向工字鋼。然后在鋼套筒后端，依靠2組100t千斤頂?shù)纳臁⒖s來頂推鋼套筒經(jīng)過車站標(biāo)準(zhǔn)段，以達(dá)到盾構(gòu)機(jī)過站目的。鋼套筒頂推到位后再平移挪動至始發(fā)軸線位置，對盾體進(jìn)行微調(diào)，即可進(jìn)行鋼套筒的焊接加固和反力架安裝。最后將后配套臺車等采用牽引車平移至始發(fā)端進(jìn)行連接調(diào)試，施工流程圖見圖2所示。

圖1 盾構(gòu)機(jī)平移、過站路線圖

圖2 盾構(gòu)機(jī)過站工藝流程圖

3.2 鋼套筒及盾體橫向平移

①在鋼套筒及盾體與后配套臺車分離，管片之間連接斷開后，因鋼套筒在端頭井內(nèi)頂升后受側(cè)墻影響無法直接頂推平移至標(biāo)準(zhǔn)段，所以需對鋼套筒在端頭井內(nèi)進(jìn)行橫向平移，由兩側(cè)向車站內(nèi)側(cè)方向平移（見圖3），受清真寺站主體結(jié)構(gòu)柱限制，平移距離為1.28m能夠保證鋼套筒平移寬度要求。

圖3 鋼套筒及盾體橫向平移示意圖

②鋼套筒橫向平移采用2組100t千斤頂，千斤頂行程為1.0m，作用在鋼套筒托架預(yù)留反力支座處，千斤頂尾部水平反力由主體結(jié)構(gòu)側(cè)墻提供，為避免千斤頂直接作用在側(cè)墻上對結(jié)構(gòu)造成破壞，在側(cè)墻上鋪墊一塊30cm×30cm×2cm鋼板。

③通過液壓泵站將平移千斤頂油缸伸出，從而使鋼套筒及盾體整體向內(nèi)側(cè)行進(jìn)。當(dāng)千斤頂油缸行程行駛至最大行程的80%時(shí)停止，即行走行程為0.8m。

④整體平移完成后，鋼套筒及盾體處于靜止?fàn)顟B(tài)，通過液壓泵站將平移千斤頂油缸縮回，油缸完全收完后，在千斤頂前部安裝標(biāo)準(zhǔn)節(jié)鋼箱，再經(jīng)過多次頂推平移，使鋼套筒及盾體到達(dá)預(yù)定位置。

噸汽車吊性能表 表1

3.3 鋼套筒及盾體整體頂升

在鋼套筒及盾體橫向平移完成后，需對整體進(jìn)行頂升，頂升200mm后，在鋼套筒底部縱向墊上6根18#工字鋼，工字鋼放置在鋼套筒托架的支腿位置，并將工字鋼底部與鋼板進(jìn)行焊接固定，工字鋼上部涂抹黃油進(jìn)行潤滑。工字鋼固定完成后，即可嘗試對千斤頂進(jìn)行泄壓。

3.3.1 頂升的重量

本次頂升時(shí)盾體與臺車分離，單純頂升的重量包含盾體重量、鋼套筒的重量、盾體與套筒之間填料、盾尾內(nèi)管片的重量四部分。

其中盾體重量：350t、套筒重量：120t、盾體與套筒之間填料重量：3.14×（6.522-6.242）/4×9.836×1.85=51t。管片重量按照一環(huán)半考慮：3.14×（62-5.42）/4×1.8×2.5=24.2t。頂升總重量：350+120+51+24.2=545.2t。

頂升盾體采用8組100t的頂升油缸，總負(fù)重頂升為800t，頂升總重量/總頂升能力=545.2/800=68.15%＜80%，滿足要求。

3.3.2 頂升流程

①頂升反力支座焊接

在鋼套筒制作時(shí)，每節(jié)鋼套筒托架位置已預(yù)留反力支座（見圖4），兩個(gè)支座的中心間距2.5m。

圖4 鋼套筒反力支座

②頂升千斤頂安裝

將鋼套筒反力支座下部鋼板清理干凈，確保鋼板面水平，防止千斤頂安裝后傾斜，將頂升千斤頂安裝在反力支座的中心位置。為減少千斤頂對反力支座的直接傷害，在千斤頂上部放置一塊30cm×30cm×2cm的鋼板。

③連接千斤頂及泵站

將千斤頂安裝就位，泵站及管路連接到位，調(diào)試泵站及千斤頂?shù)纳炜s，保證所有的千斤頂?shù)纳炜s行程一致。

④千斤頂?shù)脑図?/p>

在調(diào)試完成后，保證千斤頂?shù)男谐桃恢碌那疤嵯拢瑢︿撎淄布岸荏w進(jìn)行試頂，試頂過程中密切關(guān)注兩方面。

a.千斤頂?shù)恼w壓力示數(shù)。在達(dá)到整體起重量的時(shí)候若盾體無動作，停機(jī)泄壓檢查問題后再做下一步頂升。頂升時(shí)要控制好千斤頂?shù)奶浚M量保證一致，使盾體與鋼套筒能平穩(wěn)上抬。

b.盾體的整體監(jiān)測。在鋼套筒正面必須設(shè)置觀察點(diǎn)位，鋼套筒整體頂升時(shí)，要密切關(guān)注整體的傾斜度，鋼套筒周圍必須有人旁站觀察套筒的位移變化。

⑤套筒的頂升到位

鋼套筒按照標(biāo)高要求頂升200mm后，在鋼套筒底部縱向墊上6根18#工字鋼，工字鋼放置在鋼套筒托架的支腿位置，并將工字鋼底部與鋼板進(jìn)行焊接固定，工字鋼上部涂抹黃油進(jìn)行潤滑。工字鋼固定完成后，即可以嘗試對千斤頂進(jìn)行泄壓。具體的垂直頂升圖見圖5所示。

圖5 盾體及鋼套筒垂直頂升圖

3.4 鋼套筒及盾體平移過站

①在盾體及鋼套筒從端頭井向標(biāo)準(zhǔn)段平移過程中，采用在18#工字鋼頂部鋪設(shè)鋼板的方式放置千斤頂，千斤頂尾部作用在洞門處結(jié)構(gòu)側(cè)墻，為避免千斤頂直接作用在側(cè)墻上對結(jié)構(gòu)造成破壞，需在側(cè)墻上鋪墊一塊2cm厚鋼板，千斤頂另一端作用在鋼套筒托架鋼板上實(shí)現(xiàn)頂推。當(dāng)頂推平移距離超出千斤頂及鋼箱標(biāo)準(zhǔn)節(jié)行程后，需在端頭井底板處安裝反力支座，為頂推提供反力。

②當(dāng)盾體及鋼套筒平移至標(biāo)準(zhǔn)段，為確保標(biāo)準(zhǔn)段底板預(yù)埋鋼筋彎折后的平整度，需在底板鋪一層瓜子石調(diào)平，調(diào)平厚度約3cm，在其上鋪設(shè)2cm厚鋼板，并在鋼板上涂抹黃油以減少鋼套筒托架和鋼板之間的摩阻力，方便進(jìn)行水平移動。

③在鋼板上兩側(cè)焊接反力支座，使其與鋼套筒托架的反力支座相互對應(yīng)，反力支座采用3cm厚Q235鋼板制作而成，滿焊并加肋板，設(shè)計(jì)樣式如圖6所示。利用2個(gè)100t的液壓千斤頂對鋼套筒實(shí)施平移，鋼套筒平移中心軸線與標(biāo)準(zhǔn)段側(cè)墻間距3.43m。

圖6 反力支座設(shè)計(jì)樣式平剖圖

④平移依靠外接泵站為鋼套筒推進(jìn)油缸提供動力，使鋼套筒及盾構(gòu)機(jī)前移，移動至始發(fā)位置。

3.5 后配套過站

盾構(gòu)機(jī)在過站的同時(shí)，可在接收井和標(biāo)準(zhǔn)段平臺上鋪設(shè)鋼軌見圖7所示，鋼軌采用43#軌，并對鋼軌進(jìn)行臨時(shí)固定，同時(shí)對臺車輪組進(jìn)行保養(yǎng)。鋼軌間距2050mm，標(biāo)準(zhǔn)段右線軌道中心距側(cè)墻不小于1.75m，左線軌道中心距側(cè)墻不小于1.35m，確保臺車邊緣與側(cè)墻保持30cm以上的安全距離，隧道內(nèi)軌道經(jīng)端頭井與標(biāo)準(zhǔn)段軌道相連。鋼軌鋪設(shè)完畢后利用牽引臺車，使后配套臺車逐段通過車站至盾體主機(jī)位置。

圖7 后配套臺車過站軌道圖

4 鋼套筒承載力驗(yàn)算

4.1 鋼套筒概況

本次接收與平移后的始發(fā)均采用盾構(gòu)機(jī)全套筒密閉接收形式。鋼板選擇Q235B，經(jīng)計(jì)算選擇板厚δ=15mm即可滿足筒體強(qiáng)度要求。每段鋼護(hù)筒設(shè)引流孔2個(gè)，直徑100mm，長度500mm，并安裝閥門。在成型的鋼護(hù)筒第一、三節(jié)上各設(shè)1個(gè)檢查人孔，檢查孔尺寸為800mm×800mm，檢查孔蓋需要密封并有開關(guān)裝置，縱向、環(huán)向連接縫、檢查孔安裝止水裝置。

4.2 鋼套筒MIDAS有限元計(jì)算

4.2.1 有限元模型建立

①盾構(gòu)機(jī)重量等效

在有限元模型中，將盾構(gòu)機(jī)整體等效為直徑為6240mm的圓柱截面。盾構(gòu)機(jī)主體重量約為550t，直徑為6240mm，盾體總長9836mm，由式(1)、（2）可得盾構(gòu)機(jī)的容重：

式 中 ：m=550t，D=6.24m，L=9.836m。因而得到盾構(gòu)機(jī)容重γ=19.36kN/m3。

②鋼套筒模型建立

鋼套筒筒體材料用20mm厚的Q235B鋼板。筒體長11300mm，直徑6520mm，分為4節(jié)，每節(jié)2500mm。每節(jié)又分為上下兩半圓。鋼套筒與盾構(gòu)機(jī)等效模型均用實(shí)體單元見圖8所示。

圖8 模型建立（單元類型：實(shí)體單元）

③邊界條件

本項(xiàng)目中鋼套筒的邊界條件主要分為兩類：

a.頂升牛腿底部的豎向約束；

b.鋼套筒與千斤頂作用頂升牛腿位置的鉸接。

4.3 有限元分析結(jié)果

4.3.1 鋼套筒強(qiáng)度分析

有限元分析得到盾構(gòu)機(jī)頂升的應(yīng)力云圖見圖9所示。鋼套筒與盾構(gòu)機(jī)等效模型的應(yīng)力分別為121.0MPa和81.2MPa。應(yīng)力低于Q235B鋼材屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（215MPa），滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

圖9 模型應(yīng)力圖

4.3.2 剛套筒剛度分析

有限元分析得到鋼套筒的位移云圖見圖10所示。底部位移為0.25mm，剛度滿足規(guī)范要求。

圖10 鋼套筒的位移等值線（單位：mm）

5 結(jié)論與建議

本文以哈爾濱市軌道交通3號線二期工程清真寺站～靖宇五道街站為工程背景，詳細(xì)探討了盾構(gòu)機(jī)在清真寺站空推過站的施工方法，并且對空推過程中鋼套筒的承載力進(jìn)行了有限元驗(yàn)算。得出以下結(jié)論與建議。

①本文提出的盾構(gòu)機(jī)空推穿越既有地鐵車站施工方案具有較好的可行性，可為類似項(xiàng)目提供經(jīng)驗(yàn)參考。

②鋼套筒與盾構(gòu)機(jī)等效模型的應(yīng)力分別為121.0MPa和81.2MPa。應(yīng)力低于Q235B鋼材屈服強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（215MPa），滿足相應(yīng)規(guī)范要求。

③在鋼套筒正面必須設(shè)置觀察點(diǎn)位，鋼套筒整體頂升時(shí)，要密切關(guān)注整體的傾斜度，套筒四周必須有人旁站觀察套筒的位移變化。