暗挖擴大端內棄殼解體接收盾構關鍵技術研究*

劉志堅,曹伍富,孫英韜,寇鼎濤,楊志勇,王炳祿,江玉生

(1.中鐵十四局集團有限公司,山東 濟南 250101; 2.北京市軌道交通建設管理有限公司,北京 100068;3.中國礦業大學(北京),北京 100083)

0 引言

由于沒有足夠的場地為盾構提供常規接收條件,因此在城市內部有限的狹小空間內,盾構接收多選擇洞內解體接收施工。關于盾構解體施工,朱慶海等[1]對比現有拆機工藝,分析各工藝的優缺點并總結了一套標準化水平較高的拆機方案;張東等[2]通過理論分析和工程應用,優化了盾構留殼段襯砌及防水設計;郭建濤[3]驗證了在橫通道內拆解并平移吊出的可行性,并確定了直徑6m的盾構所需要的橫通道凈跨至少為6m;夏慶發等[4]對拆解后如何保證盾構盾體修復質量進行了研究,提出應盡量減小頂部吊點的使用;曹成勇等[5]對端頭土體加固范圍進行了研究,結果顯示,隧道直徑越大,端頭土體加固長度越長;寇鼎濤等[6]總結了在狹小暗挖隧道內解體的技術,梳理了一套拆解方案;趙兵等[7]認為盾構接收還需要考慮接收端補強加固問題,并提出了相應的解決方案;李振東等[8]總結了國內外的解體方案,并從多角度對不同方案進行橫向對比分析,并根據刀盤前部可操作空間的差別,提出了兩套適用性較強的優化方案;肖鵬飛[9]認為洞內拆解的主要難點是刀盤和主驅動,并基于這兩方面提出了優化方案;田海波[10]、譚竹青[11]基于實際工程對復雜條件下在暗挖結構中接收盾構進行了研究,為類似工程提供了參考。

城市對地下軌道交通的需求日益增長,盾構施工將會越來越多地面臨城市核心區狹小場地接收的問題。在實際工程中,會面臨多種不利于施工的影響因素,但仍必須保證盾構施工的最小條件和拆機過程的安全性和便捷性。基于此,本文依托北京地鐵19號線工程,對盾構在城市中心狹小空間內解體接收所需最小條件和解體方案進行了論述。

1 暗挖橫通道設計

暗挖橫通道接收又稱作暗挖擴大端,在城市地鐵修建中經常遇到地面無法常規接收的情況,因此常采用在暗挖擴大端內接收,目前關于暗挖擴大端的建造流程和工藝已基本掌握,但擴大端的尺寸并沒有明確規定,擴大端寬度過窄不利于盾構解體,過寬會增加施工成本,也存在一定風險。因此應確定暗挖擴大端滿足施工要求的最小寬度。

在擴大端內接收盾構一般有兩種方式:完全棄殼接收和部分棄殼接收。完全棄殼接收施工流程為拆解刀盤后,利用擴大端在洞內將盾構零部件拆解運出,保留全部盾殼作為隧道的一部分。部分棄殼則保留一部分尾盾,中盾和前盾拆解運出。

1.1 完全棄殼接收方案

完全棄殼接收具有多種優勢,無需分割盾體,拆解進度快,且擴大端寬度設計無需過大,僅考慮刀盤存放問題即可。以刀盤尺寸為橫通道寬度的設計參考,擴大端空間分布如圖1所示。

圖1 完全棄殼方案擴大端內結構分布Fig.1 Structure distribution in the enlarged end of complete shell abandonment scheme

擴大端寬度設置與刀盤切割方法和存貯方式有關,常見刀盤分割方案多采用5分法,即4個邊塊+1個中心法蘭塊,最大刀盤分塊的尺寸應視為0.5倍刀盤直徑,刀盤分塊需暫存在橫通道內,刀盤分塊的單排擺放和雙排擺放方式如圖2所示,單排擺放空間寬敞、施工方便,雙排擺放節省空間不影響其他施工作業。

圖2 刀盤分塊擺放類型Fig.2 Cutter block placement type

但無論何種方式,必須保留一定空間滿足吊裝運輸施工,單排擺放時擴大端寬度不應小于0.7倍刀盤直徑,雙排擺放時擴大端寬度不應小于1.2倍刀盤直徑。

1.2 部分棄殼接收方案

盾構在洞門處可通過千斤頂將盾體頂出,但千斤頂伸出長度有限,無法將尾盾全部脫出,未脫出部分一般會被切割后留置在洞內。該方案在暗挖擴大端內的空間分布如圖3所示。

圖3 部分棄殼方案擴大端內結構分布Fig.3 Structure distribution in the enlarged end of some shell abandonment schemes

部分棄殼接收方案的盾構解體流程中,需要將前盾和中盾完全推出至擴大端內,并利用頂部吊耳進行拆解運輸,若采用解體方案接收,應同時考慮前盾、中盾、后盾和刀盤,因此暗挖段擴大端的設計寬度應為1.5倍max{前盾長度,中盾長度,尾盾最大脫出長度,刀盤半徑}。

1.3 暗挖擴大端高度

擴大端縱向可分為開挖墊層、隧道工作面和頂部吊裝空間3部分。開挖墊層在正式接收盾構時回填至隧道底部高度,僅隧道工作面和頂部吊裝空間作為重要工作空間,拆解吊裝時,需保證各部分能夠吊起至少1.5m,才能滿足在空間內橫向和縱向運輸。所以暗挖擴大端的設計高度h應滿足:

h=h1+h2+h3

(1)

式中:h1為開挖墊層高度;h2為盾構機高度;h3為頂部吊裝空間,一般取1.5～2m(見圖4)。

圖4 暗挖擴大端高度關系Fig.4 Height relationship of enlarged end of underground excavation

2 暗挖擴大端內解體實例

2.1 工程概況

北京地鐵19號線一期工程06標段草橋站—右安門外站區間,區間長度2 374m,盾構段長度2 150m,如圖5所示,該區間在南三環與馬草河之間嘉河公園綠地處設置區間風井,并作盾構始發井用。盾構由風井始發,分別向草橋站和右安門外站掘進并接收。全線路涉及卵石層,少量卵石-粉細砂互層,始發與接收位置均位于地下水位以上。

圖5 線路平面Fig.5 Line plan

2.2 解體接收方案及拆解流程

標段分為風井—草橋站和風井—右安門外站,本文僅討論風井—右安門外站區間。接收端地面情況復雜,臨近右安門外站下穿地鐵14號線,南側存在一條涼水河,掘進方向兩側地面建筑密集,地下同樣存在多條市政管線。

接收端地上、地下環境復雜且空間狹小,無法進行明挖,而站內接收面臨更大風險,成本也會增加。為保障施工安全,減少道路和周邊建筑物沉降,降低施工風險,最終設計為暗挖擴大端內解體接收。接收端各結構平面位置關系如圖6所示。

圖6 接收端平面關系Fig.6 Plane relationship of receiving end

拆解流程為:掘進至相應位置→刀盤拆解→臺車拆除→螺旋輸送機拆除→拼裝機拆除→中體結構拆除→主驅動拆除→其他零部件拆除→施工盾殼內二襯。

2.3 暗挖擴大端尺寸及端頭加固

本工程所用盾構機直徑6 680mm,主機總長(不含刀盤)8 389mm,其中前盾長2 078mm,中盾長2 800mm,尾盾長3 910mm。按照上述尺寸設定,暗挖擴大端寬度應為0.7倍刀盤直徑,即4 676mm。暗挖擴大端開挖墊層設計高度為860mm,按照式(1),最終高度為9 000mm(取整以方便施工),暗挖擴大端最終設計尺寸應為寬4 500mm,高9 000mm,并預埋15個單耳吊耳。暗挖擴大端現場情況和預埋吊耳如圖7所示。

圖7 暗挖擴大端現場情況Fig.7 Field situation of excavation enlarged end

地面無加固條件,遂采用擴大端內水平深孔注漿加固,加固范圍為拱頂以上3m至隧道底部3m,兩側3m的洞身范圍,加固后土體應具有良好的均勻性,無明顯滲水,滿足抗壓強度和滲透性要求。

2.4 刀盤拆解

對于將盾殼完全留置在洞內的方案,盾構推出長度不一定過多,前盾露出鋼環500mm后即可停機,拆解前應旋轉刀盤,當超挖刀旋轉至12點位置時停止,并進行刀盤拆解。

為適應暗挖擴大端狹長的空間構造,本次刀盤拆解設計了新的分解方案,共分為5塊,有別于常規的“4+1”分塊法,本次分塊為4個小塊+1個中心貫通塊。刀盤分割方案對比如表1所示。

表1 刀盤分割方案對比Table 1 Comparison of cutterhead segmentation schemes

暗挖大擴大端空間呈長條狀,常規分塊單塊占地面積較大,雖設計寬度足夠擺放,但仍會造成施工場地雜亂,占據大量施工操作面,而“4小+1中”的分塊方式,5個分塊接近條狀,能夠更加合理地使用工作場地,有利于施工場地環境維護,且單塊質量更小,施工方便,值得注意的是中心貫通塊質量較大,但重心較低,因此不會加大工作難度。刀盤拆解方案如圖8所示。

圖8 刀盤拆解方案Fig.8 Cutter head dismantling scheme

對刀盤進行預緊工作后,利用擴大端頂部預埋吊耳,依次割除A,B,C,D 4個小塊,并擺放在一旁,最后拆除中心貫通塊E。

2.5 千斤頂及后配套臺車

拆除前需將油缸拔出,拆除時注意預防油缸轉動,并對管路口進行封堵處理,防止雜物進入對油缸造成損害。

拆除皮帶輸送機、風管等零部件,并斷開各拖車之間的水、氣、液壓等管路,并對接頭做好保護措施。把電瓶車送至臺車底部,并用千斤頂放置在電瓶車的H型鋼上,依次將6節臺車全部脫出。

2.6 螺旋輸送機拆除

螺旋輸送機作為盾構零件中單體最長的部件,拆除時需合理安排工人和輔助工具的相互配合,在不傷害構件本體的情況下,將其整體脫出。

螺旋輸送機拆除在盾構機盾體內部進行,電瓶車上應提前焊接門架工裝,并在工裝頂部焊接兩個吊耳,在螺旋輸送機中部位置正上方的盾體、人倉位至底部、井字架位置分別焊接吊耳,如圖9所示。

圖9 螺旋機拆解吊耳位置Fig.9 Position of lifting lug dismantled by screw machine

然后與螺旋輸送機連接,配合電瓶車向后緩慢移動,將螺旋輸送機整機脫出,并通過逐級轉換連接吊耳,將螺旋輸送機緩慢移動到電瓶車上,并從隧道運送至始發井。過程中應注意穩定螺旋輸送機,防止其晃動,避免造成零件損害和人員安全事故。

2.7 主驅動拆除

主驅動是除刀盤外單體質量最大的零件,包括主軸承、減速機、發動機等構件,洞內拆除有別于車站內或洞外拆除,在站內或洞外能夠利用頂板吊耳,將主驅動整體吊起,空間大、操作方便。而洞內可利用空間極有限,盾體直徑僅6 680mm,主軸承直徑達到3 400mm,重達34t,拆除難度大。

在洞內拆除主驅動常需要借助輔助工裝,本工程設計了一種用于洞內主驅動拆除的專用滑移工裝。主軸承固定在前盾內圓上,需將軸承向后滑移,脫離前盾內圓,落到后方電瓶車上,但無論是用吊耳預拉緊,還是加強后方電瓶車結構,軸承落下瞬間,沖擊力極有可能將吊耳拉拽開裂,或在電瓶車上發生傾覆,對工人生命安全造成極大威脅。

滑移專用工裝通過延長軸承滑移長度的思路,將主軸承的軸向尺寸加長,其滑移距離延長至電瓶車上方,使得主軸承向后滑移脫離前盾時,仍保持在受力支撐的狀態,以此來限制主軸承滾動和翻轉的自由度,只保留軸向移動的自由度,最后再從電瓶車上將軸承翻身,運輸出洞。滑移工裝與主驅動結構關系如圖10所示。

圖10 專用工裝結構Fig.10 Structure of special tooling

滑移專用工裝分為固定器和延長軌道兩部分,如圖11所示。固定器內有凹槽,能夠匹配延長軌道,將延長軌道嵌入其中,固定器通過螺栓固定在電瓶車上,再將延長軌道以此穿過凹槽,形成兩條與主軸承外圈曲率相同的軌道,并務必保證工裝整體電瓶車形成剛性整體。

圖11 專用滑移工裝Fig.11 Special sliding tooling

拆除時,將電瓶車運送至軸承下方,使得滑軌能夠與主軸承接觸。然后將4個50t千斤頂對角線安裝于支撐與主驅動外圈之間,千斤頂行程不足以一次頂推到位,還需設置墊墩進行二次頂推,頂推過程應協調一致,避免卡死。

滑移工裝行程長度設置為1 500mm,板車剩余部分焊接左右兩道H型鋼,型鋼間距1 000mm,并保證型鋼與平板車形成剛性整體,H型鋼兩側用500mm間距豎筋板加強支撐。

當主驅動推送至滑移工裝末端后,將主驅動上下兩端連接艙內的2個20t葫蘆,緩慢吊起主驅動完成翻身動作,然后平放至H型鋼之上,如圖12所示。

圖12 主驅動翻身與圓鋼固定Fig.12 The main drive is turned over and fixed with round steel

使用8根圓鋼插在主驅動內環中,并緊貼內環表面,圓鋼下端焊接在平板上,固定主驅動,防止竄動,然后由平板車緩慢運出。

2.8 盾體內清理

主要零部件拆解完畢后,對盾體內部進行清理,將其余瑣碎零部件拆解并運輸出洞,保證盾體內光滑平整、無凸起,為盾體內施工二襯做準備。

3 二次襯砌及其他關鍵措施

盾構機掘進振動會與周圍土體產生空隙,待盾構機到達洞門預定位置停機后,需及時進行注漿填實盾殼外的土體松動空隙。且在停機后、拆解前,必須將最后至少10環管片做拉緊處理,防止在卸除千斤頂后發生回彈,造成管片間出現裂縫,將嚴重影響隧道整體性。

當盾殼內部零件全部拆解運輸出洞后,施作二襯結構,二襯結構需將全部內盾殼包括在內,其位置可根據管片排版進行調整,但調整長度不得大于0.5倍環寬,以保證成型隧道的整體性和防水性。

二襯施作應加強防水措施,在管片與二襯交界處設置遇水膨脹止水條。同時,在施作二襯之前還應施作1層防水層,采用土工布和塑料防水板等材料防止后期水的滲漏。

傳統盾構解體過程中,在盾體部分采用完全脫出的方案。但這種方案適合空間充足的施工場地,如明挖車站、明挖風井等,盾體可完全脫出然后利用地面起重機一次性吊出。而狹小場地不具備吊裝條件,脫出的盾體必需分塊切割,再逐次運出,大大增加施工工期,同時,狹小場地的工作空間受限,空氣流通不暢,塊體的吊裝、移動,焊接廢氣的疏散等都增加了工程的危險性。

而本項目采用盾體全部棄置在洞內的方案,僅包含試做襯砌這一項工程,施工難度大大降低,襯砌內部的鋼筋籠可在地面完成后由洞內組裝,節省了工期,同時不存在危險工程,安全性得到顯著提升。方案對比如表2所示。

表2 方案對比Table 2 Comparison of schemes

4 結語

在復雜條件下棄殼解體盾構接收是安全性和經濟性較高的方案,能最大限度保證周邊環境安全,降低風險事件發生的概率。暗挖橫通道+暗挖擴大端是棄殼解體接受必須采用的輔助結構,本文以實際工程案例為背景,對其進行總結,為今后類似工程提供了重要參考依據,具體內容如下。

1)暗挖擴大端是盾構洞內解體的主要工作場地,需保證充足的拆解環境。當選擇完全棄殼接收方案時,擴大端寬度設置與刀盤分塊的暫存方式有關。當選擇部分棄殼接收方案時,擴大端寬度宜為1.5倍max前盾長度;中盾長度;尾盾最大脫出長度;刀盤半徑。

2)暗挖擴大端高度h可分為3部分,即開挖墊層h1,隧道工作面h2,頂部吊裝空間h33部分,無論采用何種解體接收方案,擴大端設計高度均應滿足h=h1+h2+h3。

3)本文提供了一種適用于狹小暗挖擴大端內的刀盤拆解方式,能夠減小場地占用面積。同時設計了一種主驅動拆解時使用的新型專用工裝,使得主驅動的拆解過程更加安全便利,提高了效率。