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接收车站封闭条件下盾构拆机解体技术探析

作者:李海,朱长松  发布:2017/7/11  浏览:
单位:中铁隧道集团股份有限公司

摘 要:为了解决盾构接收井封闭条件下,不能利用接收井正常拆机,只能将盾构解体后从隧道内倒运回始发井的问题,以天津地铁6 号线项目6 390 mm 开挖直径土压平衡盾构为例,通过设计一套包括刀盘、前体、中体和盾尾在内的盾构主机分割解体方案,有效地解决了盾构主机无法通过隧道内运输的难题。通过这个设计方式,希望对盾构施工过程中存在类似问题的项目提供一些盾构解体分割方案上的参考和借鉴。

0 引言

目前,以盾构技术为支撑的地铁工程已经成为解决城市化所带来的一系列交通问题的主要途径[1]。盾构施工在已有地面建筑的特殊站点,会存在盾构无法正常始发或接收的情况,为解决上述问题,在盾构始发时通常采用“分体始发”; 在接收时则必须采用“洞内拆机平移接收法”,特殊条件下盾构还要解体接收。盾构的分体始发及洞内拆机平移接收方法在国内都有过先例,特殊条件下盾构解体接收方式因涉及到盾体解体后的运输和恢复等一系列复杂问题,在国内现行情况下尚无成熟的方案。

盾构正常拆机已有成熟的技术方案。盾构延长管线始发技术刘海峰等[2]和杜金峰[3]做过详细的研究,现在已是成熟的技术方案; 盾构的平移技术崔青玉等[4]和黄云生[5]做过详细的研究; 盾构过站技术李凤远[6]做过详细的研究。本文在前人研究的基础上,进一步研究在接收井封闭条件下盾构解体拆机技术,以期填补这方面的空白,对盾构施工过程中存在类似问题的项目提供一些参考和借鉴。

以天津地铁6 号线西青道站至南运河站项目部土压平衡盾构解体接收为例,分析接收车站封闭条件下盾构拆机解体的最优方案,方案设计时以方便运输为前提,以降低后期盾构恢复费用为目的进行设计。

1 盾构解体接收的背景介绍

天津地铁6 号线西青道站至南运河站项目土压平衡盾构设计参数如下: 开挖直径为6 390 mm,允许平面最小曲线半径250 mm,允许最大隧道纵向坡度25‰,线路隧道净空5. 5 m。区间设计参数如下: 西青道站—南运河站区间全长2 325 m( 左线1 152 m、右线1 173 m) ,采用2 台盾构先后从南运河站始发,推进至西青道站,区间坡度由南运河站向西青道站依次为+ 2. 0‰、- 22. 198‰、- 7. 19‰、+ 4. 13‰和+ 2‰,区间线路平面由直线、缓和曲线和1 段350 m、3 段400 m 半径圆曲线组成,区间覆土厚度11 ~ 21 m。

天津地铁6 号线为缩短工期,将线路分成若干标段分包到多个施工单位同时施工。最终导致隧道区间尚未开挖完成,就已经完成盾构接收端主体结构的施工,结构顶板已完成封闭; 同时,由于地面日常车流量大、交通繁忙,接收端也不具备吊出盾构的施工条件;因此,在区间掘进完成后,必须在接收井内进行盾构拆机分割,再经隧道内运输后吊出。

2 盾构解体形式分析

由于接收端没有条件进行吊装,盾构解体后需要从隧道内部通过运输小车倒运回始发井,而且解体后还要恢复,故盾构解体时要满足以下几点:

1) 保证解体过程中对设备损伤、人员伤害的风险低。

2) 保证解体劳动强度低及盾构后期恢复成本低。

3) 保证解体后各部分尺寸宽度、高度要合适,易于从隧道内安全运输。

4) 解体前应在合适的位置加支撑梁和筋板、做好定位装置等; 解体分割线要注意避开并尽量远离螺栓孔、定位孔、安装孔、内置管路和主轴承中心环等关键位置; 切割时关键部位采用炭爆切割,热辐射面积小,切割速度慢; 其他部位采用氧气乙炔切割,切割速度快。做好以上几点,保证解体后盾构各关键部位不出现较大变形量,且后期恢复时定位可靠。

2. 1 刀盘解体形式

刀盘为辐板式,开口率34%,通过4 个支撑牛腿连接刀盘法兰,刀盘法兰通过内外2 圈螺栓连接到主驱动上。刀盘解体的主要工作是分割块数和分割位置的选择,其原则是确保泡沫管路、支撑牛腿和刀盘法兰的完整。

刀盘的解体方式考虑2 种方案,如图1 所示。第1种分解方式是常见的拆解形式,参考大直径盾构刀盘的设计方法,将刀盘分割成5 部分,其中中心法兰是一个整体,其他辐板均分成4 部分; 第2 种分解方式将刀盘分成3 部分,左、右两侧近似对称,中心部分呈瘦腰型。2 种方案的优劣对比见表1。

由表1 和及图1 可知,方案2 相比方案1 更优,选用方案2 分割后的刀盘最大占用尺寸见图2,左侧为4 892. 0 mm × 2 537. 8 mm( 长× 宽) ; 右侧为4 883. 4mm × 2 486. 7 mm ( 长× 宽) ; 中部为6 390. 0 mm ×4 126. 4 mm( 长× 宽) 。

隧道管片内径5 500. 0 mm,如图3 所示,左右侧分割体宽度远小于运输小车宽度3 760. 0 mm,满足隧道内运输; 中心部位瘦腰型分割体,在刀盘掌子面向下平放时,距离两侧管片内壁较近,将法兰面朝下放置在运输车上,使刀盘外缘距管片有约500 mm 间隙,保证刀盘能在隧道内运输。

图1 刀盘解体方案

表1 刀盘分解方案对比

图2 刀盘拆解后各部分尺寸图( 单位: mm)

图3 刀盘最宽部位隧道内运输空间位置( 单位: mm)

分割步骤如下:

1) 刀盘拆卸后反转垫高,清理表面渣土,将法兰面涂油包裹防护;

2) 焊接分割定位装置;

3) 画左、右两边分割线;

4) 沿分割线线切割刀盘。

要点如下:

1) 定位装置焊接前先两边点焊固定,确定定位孔与螺栓配合合适,之后再全面焊接;

2) 分割线画分时要考虑下割枪的空间,避免分割线所在空间过小,无法作业;

3) 分割作业中,为方便进渣,刀盘有些位置额外焊接有斜板,要提前将这些斜板割除。

2. 2 前体解体形式

前体由土舱面板及主筋板将盾壳与主轴承中心环连接成一体,主轴承靠外圈连接螺栓固定到中心环上。前体解体是盾构解体的关键部分,解体时需要保护好以下几个位置: 中前体螺栓孔、主轴承中心环、中心环螺栓孔、螺旋机插入套、土压传感器安装孔和土舱壁其他预留孔等。同时,还要尽量保护好各处附加筋板等部件。

前体的分割方式分为3 套方案: 方案1 为中心对称分割方式,如图4 所示; 方案2 为非中心对称分割方式,如图5 所示; 方案3 为两侧分割方式,如图6 所示。其中,方案1、2 是依据盾构设计及安装过程,考虑逆向拆除进行的方案设计,属于常规方案; 方案3 则是根据现场实际情况综合考虑后的特殊方案。3 个方案的优劣对比如表2 所示。

图4 中心对称分割方式

图5 非中心对称分割方式

图6 两侧分割方式

表2 前盾解体方案对比

如果参照盾构设计和组装的思路,此时盾构解体应该是前体翻身后拆除主轴承[7 -8],然后沿盾体钢结构的工装缝进行切割; 但是,盾体水平线上有长筋板,不适宜从中心对称切割。斜向中心对称切割虽可保证盾体中心对称,但不易确定上、下2 部分分割体的重心,无法布置吊耳,如图4 所示; 非中心对称切割虽可布置吊耳,但盾体分割体下部尺寸大,上部尺寸小,两者在运输时可能会存在失稳的风险,如图5 所示。以上2 种方法,都要破坏主轴承中心环的完整性,对盾构恢复不利[9 -10]。

参照刀盘分割的方式,以主轴承中心环为中心,左右分割,保证中心环部分最大宽度能从隧道内运输,如图6 所示; 同时,从中心环到切割线提前做一圈筋板,可防止分割后中心环变形。

按方案3 完成分割后,前体各部分尺寸如图7 所示,左侧为5 999. 4 mm × 1 685. 2 mm( 长× 宽) ; 中部为6 390. 0 mm × 4 130. 9 mm ( 长× 宽) ; 右侧为5 981. 5 mm × 1 685. 2 mm( 长× 宽) 。

图7 前体分割后各部分尺寸( 单位: mm)

将中部分割体垫高2 层枕木后,分割体距管片内壁411. 3 mm,满足隧道内运输,如图8 所示。这种分割方法的好处在于,前体翻身一次即可完成盾体分割任务,主轴承不必取出,后期恢复时主轴承中心环不产生费用; 同时,在盾体吊装时,左、中、右3 部分分割体不必重新布置吊耳,利用前体翻身吊耳即可完成分割体的吊装。

图8 前体最宽部位隧道内运输空间位置( 单位: mm)

分割步骤如下:

1) 前体翻身、垫高后清理土舱壁和壳体分割线附近渣土;

2) 画分割线;

3) 焊接分割定位装置及加强筋;

4) 沿分割线线切割盾体。

要点如下:

1) 定位装置。切割线两侧焊接定位装置( 见图9) ,共需12 套。

图9 定位装置( 单位: mm)

2) 画分割线。考虑下割枪的空间,避免分割线所在空间过小,无法作业; 土舱壁背面划线时要避过球阀、阀块和土舱压力传感器等; 受影响阀组和管路要提前拆除防护保管。

3) 分割作业。为方便出渣,土舱内有些位置额外焊接有斜板,要提前将切口环处斜板割除。

4) 切割顺序。先切割斜板,之后土舱壁,最后盾壳。

5) 分割体吊运。吊运可以直接采用翻身吊耳,不必另外加焊吊耳。

2. 3 中体解体形式

中体解体是中心对称结构,解体时按照制造工装缝进行分割即可。在分割前要拆除盾体割缝附近的推进油缸,在盾体的前、后位置加焊支撑梁,盾体前、中、后割缝位置焊接定位装置( 共计12 套) ,拆除内部电气液压元件,同时割缝以下位置铺设防火布。

米字梁的割除如图10 所示,注意割除米字梁前要先焊接T 字支撑梁。米字梁割除后,焊接定位装置。盾体定位装置的焊接及分割线位置如图11 所示。

图10 盾体支撑梁的焊接及米字梁的割除

图11 盾体定位装置的焊接及分割线位置

中体割除体上、下部分尺寸如图12 所示,上部为7 190. 0 mm × 3 306. 0 mm × 3 295. 0 mm( 长× 宽×高) ; 下部为7 171. 0 mm × 3 306. 0 mm × 3 295. 0 mm( 长× 宽× 高) 。

图12 中体分割后各部分尺寸( 单位: mm)

中体分割体含推进油缸最大宽度为3 306. 0 mm,在洞内运输时,分割体距管片内壁最小距离492. 7mm,满足隧道内运输,如图13 所示。

图13 中体最宽部位隧道内运输空间位置( 单位: mm)

分割步骤如下:

1) 拆除内部阀组、4#及10#推进油缸;

2) 焊接T 字支撑梁和分割定位装置;

3) 割除米字梁;

4) 画分割线;

5) 沿分割线线切割盾体。

要点如下:

1) 油缸及阀组拆除。4# 及10# 油缸带位移传感器,需要提前处理好。

2) T 字梁焊接。T 字梁焊接必须在米字梁割除之前进行,才能起到防止变形的作用。

3) 米字梁割除。米字梁割除时要有一定坡度,前低后高,方便割除后分离。

4) 分割体吊运。底部吊运可以直接采用翻身吊耳及米字梁底座上的吊装孔。

2. 4 盾尾解体形式

盾尾只有一个壳体,在分割前提前加焊好支撑梁及定位装置即可割除。

盾尾割除体上、下部分尺寸如图14 所示,上部为7 171. 2 mm × 3 240. 0 mm × 3 292. 0 mm( 长× 宽×高) ; 下部为7 171. 2 mm × 3 240. 0 mm × 3 278. 0 mm( 长× 宽× 高) 。

图14 盾尾分割后各部分尺寸( 单位: mm)

盾尾分割体最大宽度为3 240. 0 mm,在洞内运输时,分割体距管片内壁最小距离568. 7 mm,保证盾尾在洞内运输时可以顺利通过,如图15 所示。

图15 盾尾最宽部位隧道内运输空间位置( 单位: mm)

分割步骤如下:

1) 拆除紧急气囊、铰接密封和铰接压块;

2) 加焊T 字支撑梁;

3) 画分割线;

4) 沿分割线线切割盾体。

2. 5 主机吊装及翻身设备

盾体吊装、翻身采用2 台60 t + 60 t 液驱桥吊配合[11]。桥吊跨度7 m,单钩额定起重质量60 t; 吊装索具为4 根65 t、周长2 m 环形吊带及4 个55 t 卸扣; 翻身索具为2 根65 t、长4 m 的吊带及2 个35 t 卸扣。桥吊基础在接收井口单独浇筑钢筋混凝土结构,桥吊基础做到中板以上1 m,至底板累计高度9. 6 m,桥吊有效吊装高度1. 8 m,满足盾体分离、翻身以及分割后的吊运工作。

3 方案执行关键解析

盾体解体关键点如下:

1) 分割前定位装置的焊接。定位装置要在分割前焊接在盾体上,以确保定位装置能准确记录各个分割体之间的相对位置,进而保证后期恢复的质量。定位装置每套包含3 块30 mm 钢板、6 套M20 × 120 螺栓,提前用螺栓将其固定成整体后再焊接到盾体分割线两侧,分割好盾体后进行吊装时拆除螺栓。

2) 前体主轴承中心环周边加固筋板焊接。前体分割前以中心环中心为圆点,直径3 760. 0 mm 以内环向加一圈筋板,防止土舱壁上部筋板割断后中心环变形,对主轴承造成损伤。

3) 中体与盾尾支撑梁焊接。中体与盾尾分割前要先在盾体的前、中、后侧分别加焊T 字梁支撑,防止盾体分割后盾壳失圆。

4) 切割工艺的选择。关键部位,如连接螺栓孔、定位销和主轴承等需要保护部件附近,采用炭爆切割,热辐射面积小,切割速度慢; 其他部位采用氧气乙炔切割,切割速度快,但热辐射面积大。

4 结论与建议

本文给出的接收车站封闭条件下的盾构拆机解体形式,能很好地解决类似情况下的盾构拆机问题,给同类施工提供一定的借鉴。对于盾构到达站封闭条件下盾构的解体,最重要的就是前体的解体形式,不同的解体形式会对运输及后期恢复费用造成很大的影响。上述盾构解体形式能高效地完成盾构解体、拆机及运输,同时为后期的盾构恢复工作做好充足的准备,是一种完善、合理的盾构解体形式。其不足之处在于,本文所讨论的盾构解体方式是以标准地铁所采用的6 m 直径的土压平衡盾构为例进行的设计,针对泥水盾构、大直径盾构极端条件下的盾构解体形式,本文具有一定的参考价值,但不能完全适用。

由于国内盾构施工通常工期比较紧张,在今后的施工过程中,出现此类问题的可能性很大,建议在盾构设计生产时除考虑主轴承方便拆卸外,还应考虑主轴承中心环的可拆除性,以及在盾壳制作时预制更加方便的定位装置,以应对需要解体条件下的特殊拆机需求。另外,建议工程设计时尽量考虑给盾构拆机预留方便的条件,因为车站完全封闭条件下盾构的拆机,需要耗费大量的人力、物力、财力和时间; 同时,会增加施工的风险,使盾构施工的成本大幅提升,从长远来看,不利于施工建设及安全。

摘自:隧道建设

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