暗挖車站內盾構脫殼解體接收技術研究*

營 升,孫英韜,曹伍富,王 兵,寇鼎濤,姜華龍,江玉生

(1.中鐵十八局集團有限公司,天津 300222; 2.中國礦業大學(北京),北京 100083;3.北京市軌道交通建設管理有限公司,北京 100068)

0 引言

在城市地鐵施工中,盾構法憑借施工速度快、對既有建(構)筑物擾動小、安全性高等優勢被廣泛采用[1]。但部分城市核心區域既有建筑、隧道密集,地面交通繁忙,難以為盾構提供明挖豎井進行始發或接收,地鐵車站大多采用暗挖工法施工,并采取脫殼解體接收方案,主要部件在車站端頭拆解后,運輸至盾構始發井吊出。可預見在特大城市地鐵施工中,將越來越多地采用該工藝。

部分學者對盾構洞內解體技術進行了研究,朱慶海等[2]提出“以拆機工程定性為首,盾構結構設計、拆機工作、運輸工作三重點結合”的拆機工程理念,總結了一套標準化流程方案。張宏虎[3]以廈門海底隧道復雜地質情況為背景,對海底洞內盾構機棄殼解體施工安全管理進行了全面總結和分析,為此類工程提供了指導思路。同樣是面對復雜地層情況,王林[4]提出了一套RATSB組合式盾構解體接收技術;張東等[5]對盾構留殼段襯砌及防水設計做了優化,為盾構機接收場地受限問題提供了新的解決辦法;肖鵬飛[6]認為盾構解體接收還需考慮接收端補強加固問題,并給出了拆機前需落實的前置措施;李振東等[7]總結了中外盾構洞內解體技術,并提出了多種解決方案;黃云生[8]、閆永陣等[9]對盾構解體過程做了研究,為解體方案設計提供了參考依據。

盾構接收工程作為隧道施工的最后關鍵步驟,仍需面臨多方面問題,韓林等[10]對洞門滲漏水措施做了研究,提出應盡量采取多種措施綜合預防。韋曉霞等[11]、曹成勇等[12]提出在站內解體接收時至少應完成中板施工,且縱向加固長度與隧道直徑成正比。

本文結合已有先進成果和實際工程應用,以北京地鐵19號線牛街站—金融街站盾構隧道工程為依托,對在暗挖PBA車站內盾構解體技術進行了研究,為今后類似工程提供技術參考。

1 工程概況

北京地鐵19號線05標段區間隧道南起牛街站,北達金融街接收,盾構法開挖,線路全長1 820.383m, 區間覆土厚度14.4～25.4m。隧道主要穿越卵石層局部夾粉質黏土、粉細砂,存在1層地下潛水層,水位位于隧道底板以上0.3～1.56m。

接收端車站位于城市老城區的繁華地帶,2條大街交匯處附近,地上建筑物密集,道路交通繁忙,市政管線復雜交錯,無法設置盾構接收井做常規接收,同時,接收端為暗挖PBA車站,車站先于盾構段施工完成,需在PBA車站內接收盾構。

2 盾構機參數及盾構解體流程

區間采用2臺土壓平衡式盾構機施工。盾構機開挖直徑6 640mm,盾構機分為主機和后配套設備,后配套為1節橋架、6節車架,主機長約9m、整機總長約85m。盾構機主要由刀盤、前盾、中盾、盾尾、螺旋輸送機、拼裝機、設備橋及后配套臺車組成,如表1所示。

盾構機從牛街站始發井始發,到達金融街站后盾構機主機與后配套臺車各線路斷開,盾構機主機洞內拆解后各部件存放在金融街站站內,待盾構機后配套臺車由始發井吊出完成后,再利用電瓶車將盾構機主機零部件從始發端運出?？傮w拆機步驟如下:刀盤拆解→前盾拆機→螺旋輸送機→后配套拆解→ 主驅動拆解→管片拼裝機拆解→中盾拆解→盾尾拆解。

3 前期車站結構預處理

對接收段車站結構的預處理是在暗挖車站內進行盾構解體接收的關鍵先導步驟,預處理應為盾構解體創造接收條件,如端頭加固、下沉段設置及車站中板位置預留吊裝設備安裝孔洞。

通常,在明挖車站或豎井結構內接收時,施工空間充足,端頭注漿加固可涵蓋各方位,保證加固質量。但在暗挖車站內,當車站結構完成后,中板位置無法進行水平注漿,洞門頂部由于角度限制將產生“注漿死角”,存在一定安全隱患。應在車站中板施工完成前,對“注漿死角”施作注漿工序,然后在車站底板施工完成前對其余區間進行注漿加固。本工程采用深孔注漿加固,注漿長度為1倍盾體長度即11m,如圖1所示。

圖1 端頭加固范圍

受限于車站空間,車站施作下沉段結構為盾構解體提供條件。下沉段為接收洞門處車站底板下沉部分,下沉深度應≤1m,本工程下沉段為0.9m(見圖2)。下沉段長度與盾體出洞長度和停機拆機位置有關,方案對比如表2所示。

圖2 下沉段示意

表2 解體位置方案比選

若將下沉段延伸至暗挖車站內部,采取站內解體方案,不僅增加車站建造成本,且后期回填范圍大,結構整體性降低,存在滲漏水隱患,且盾構機脫出需額外拖曳設備,增加施工難度。

若僅推出部分盾體,采取“半洞內半站內”解體方案,將占用小部分下沉段,方案整體評價良好。如表2為兩種解體位置方案比選。本工程采取2號方案進行洞內解體接收,并做預處理施工。

下沉段長度宜設置為0.5～1倍盾體長度,寬度宜大于洞門直徑,本工程下沉段尺寸為長7 700mm、寬7 200mm。中板預留的拆解吊裝孔洞應在下沉段正上方,且宜與下沉段長度相當(見圖3),除去中板梁和洞門鋼環,預留吊裝孔洞尺寸設置為長7 100mm、 寬7 200mm,并提前設置吊裝工裝。暗挖車站內解體需提前安裝輔助吊裝工裝,中板軌道梁采用I45b,可吊起高度為盾構上方2m,電動葫蘆與刀盤或盾體間通過20t卸扣連接。

圖3 預留孔洞示意

4 盾構拆解過程

4.1 盾體預處理

無論采用洞內解體還是車站內解體,都宜在盾構機下井前對其進行一定程度模塊化改造,如前盾、中盾、盾尾提前分割,并使用螺栓連接,此舉能降低施工難度,并便于后期盾構機復原。

4.2 刀盤拆解

刀盤拆解需考慮拆解過程中安全性和運輸便捷性,此外還要考慮后期刀盤可恢復性,盡量在不損壞刀盤完整性前提下進行拆解。

拆解刀盤時,盾體宜推出至前盾1/2處,為刀盤前方保留充足工作空間,并保證刀盤位于上方吊裝工裝之下。

為便于施工與運輸,降低工作難度,在封閉車站內對刀盤分割時應盡量分割多塊,降低單分割塊面積,本次刀盤分割方案為“4+1”分割方式,如圖4所示,分割塊為4個邊塊和1個中心塊。中心塊法蘭連接部分不會被破壞,有利于后期刀盤恢復,縮短恢復周期。

圖4 刀盤分塊示意

4.3 前盾拆解

前盾涉及多個重要結構,包括主軸承中心環、螺旋輸送機插入孔、土壓傳感器等,分割時應著重注意保護[13]。本工程在盾構下井前已進行預處理,按米字形將前盾分為上、下、左、右4個分塊,如圖5所示,各分塊間用螺栓連接,大大降低拆解難度。

圖5 前盾切割方案

切割前,需先拆除主驅動電動機、減速機及各連接管線,并在前盾分塊2,4外側增加支撐,分塊3與螺旋輸送機連接暫不拆除。

4.4 螺旋輸送機拆解

盾構機空推,完成最后一環管片拼裝后停止推進,并進行同步注漿作業。螺旋輸送機拆解工作在盾構機內部進行,需借助拆機工裝,如圖6所示。

圖6 拆機工裝

洞內空間狹小,依靠倒鏈進行多次緩慢換鉤,達到拆解螺旋輸送機的目的,拆除時前部吊點可選擇在中盾米字梁側面焊接吊耳或使用可穩固懸掛的吊點。后部吊耳采用門架工裝(見圖7)固定倒鏈。

圖7 固定螺旋輸送機

通過電瓶車及電動葫蘆的配合,緩慢抽出螺旋輸送機,確認螺旋輸送機穩落在管片車上后固定牢固,將螺旋輸送機拖離隧道至井口,吊裝至地面(見圖8,9)。

圖8 抽出螺旋輸送機

圖9 運輸螺旋輸送機

4.5 主驅動和前盾下塊拆解

前盾下塊支承主驅動,應先拆除主驅動,在主驅動前后焊接吊耳連接中板吊裝工裝,吊起最大高度,并在主驅動前后各連接1臺電動葫蘆,保證起吊過程穩定安全,最后拆卸前盾下塊。

4.6 管片拼裝機拆解

管片拼裝機在拆機前須旋轉180°,使其抓取頭在12:00位置處(見圖10),鋪設鋼軌至拼裝機底部,直接將拼裝機固定在運輸車的支撐工裝上,拆除并運輸出洞(見圖11)。

如《李時珍夜宿古寺》的課堂總結回顧環節，教師以“故事說到現在，你能根據黑板上的詞語，用自己的話，簡單地說說故事講了一件什么事嗎？”的問題引導學生復述故事情節，在復述的過程中，課文中所學的生字詞也自然而然地從學生的口中蹦出，學生透過詞語在課文內容上走了個來回。

圖10 管片拼裝機結構

圖11 運輸管片拼裝機

4.7 中盾及盾尾拆解

盾構機二次推進,將推進油缸全部伸出后停機,并拆除油缸,此時仍有部分尾盾在洞內。中盾盾體已做模塊化處理,分為1塊60°、1塊120°和2塊90°的分塊,分塊間用螺栓連接,降低了拆解時的施工難度。中盾拆除方案如圖12所示。

圖12 中盾分割方案

拆解中盾時應注意設置兩側鋼支撐,穩定盾體防止側翻,并按先上后下順序拆解運輸各分塊。

拆除盾尾時,盾構機處于無動力狀態,且推進油缸伸出長度無法滿足將尾盾完全脫出,因此大部分工程面臨尾盾在洞內留置問題。

針對此問題,3種解決方案對比如表3所示,其中本工程采用方案2。

表3 尾盾留置方案

如方案1所示,若將尾盾全部留在洞內,施工難度將大大降低,做好尾盾與中盾的分離工作和封堵洞門即可,但盾體鋼板自身厚度為350mm,且在土體環境中極易腐蝕,注漿保護也會增加工程成本;鋼板銹蝕后將產生空隙,引起土體沉降,進而造成地表城市道路變形塌陷。因此,在城市內部的地下工程,尾盾留置長度越小越好。

盾構接收時,為避免洞門處滲漏水,需進行洞門封堵注漿,且盾體與周圍土體聯系緊密,摩擦力極大,將盾尾全部脫出需≥5 000kN的拉力。然而,尾盾部分在整體工程建設中所起作用較小,相比于全部脫出所需成本,保留尾盾完整性工程意義較低,且難度較大,方案價值較小。

方案2保留部分尾盾。推進油缸伸出極限長度,脫出洞門外的尾盾割除,未脫出部分留置洞內,以本工程為例,尾盾全長3.9m,最短留置長度為2.1m。安全隱患大大降低。并對留置尾盾周圍做注漿加固。

對比3種尾盾留置方案,方案1盾殼留置過長,存在一定的安全隱患;方案3工程成本過高,施工難度大,工程價值較低;方案2尾盾留置長度較短,施工難度較小,綜合評價較高,為本工程所選方案,并順利施工完成。

5 其他關鍵措施

為保證盾構脫殼解體順利進行,還采取了其他3項關鍵措施。

1)盾構機掘進時需保持同步注漿,當刀盤推出洞門后,應立即停機,在洞門刀盤底部安裝并固定4條短鋼軌,保證盾體出洞不下沉。

2)洞門以內的10環管片需用聯系條拉緊,保證管片間連接緊密。對盾殼外土體松動的空隙進行注漿回填,保證回填密實穩固。

3)拆解后配套臺車時,先將電瓶車底板運送至拖車框架中間位置,用千斤頂將拖車平穩放置在電瓶車上,并運出隧道外(見圖13)。

圖13 后配套臺車運輸

6 結語

1)若規劃在暗挖車站內解體接收盾構,應在車站施作中板前在接收洞門位置進行水平注漿,進而避免出現“注漿死角”,保證加固效果。

2)在暗挖車站內解體接收,應提前規劃并施作站內預留結構如下沉段、中板吊裝預留孔洞。其中,下沉段宜設置為0.5～1倍盾體長度,不宜設置過長,中板吊裝預留孔洞應與下沉段尺寸相同。

3)根據尾盾留置方案比選,暗挖車站內盾構解體接收且不完全推出盾體時,宜將推進油缸伸出極限長度后,將仍未脫出的部分尾盾留置洞內。